從UPS入手四招戰(zhàn)敗三大僵尸

如果把“高能耗”、“高成本”和“碳排放”比作綠色數(shù)據(jù)中心的三大“僵尸”，那么能打敗這些恐怖“僵尸”的“植物”是什么呢？答案很明顯，當(dāng)然是數(shù)據(jù)中心的那些綠色節(jié)能的手段。綠色數(shù)據(jù)中心（Green Data Center）的內(nèi)涵是十分豐富的，它是指數(shù)據(jù)機(jī)房中的IT系統(tǒng)、機(jī)械、照明和電氣等能取得最大化的能源效率和最小化的環(huán)境影響。

那么對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，到底哪些技術(shù)和產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建？建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心時(shí)面臨的主要障礙是什么？用戶又會(huì)為哪些綠色節(jié)能的技術(shù)和產(chǎn)品買(mǎi)單呢？將為您梳理各個(gè)領(lǐng)域綠色節(jié)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并為您推薦實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能的產(chǎn)品和技術(shù)。

本文介紹了UPS（Uninterrupted Power Supply，不間斷電源）相關(guān)的綠色節(jié)能技術(shù)和手段。目的是幫助企業(yè)用戶取得最大化的能源效率和最小化的環(huán)境影響，戰(zhàn)敗數(shù)據(jù)中心的三大“僵尸”，打造一個(gè)綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。

優(yōu)化UPS負(fù)載效率曲線 降低能源損耗

一般我們使用的電力都是交流電，要將交流電轉(zhuǎn)換至直流電供給服務(wù)器內(nèi)部各零組件使用。目前UPS均為在線式雙變換構(gòu)架，其在工作時(shí)整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個(gè)容量為400KVA的UPS為例，每度電按0.95元計(jì)算，UPS效率每提高1%，一年節(jié)省的電費(fèi)為（400KVA×0.8）×0.01×24×365×0.95=26630.4元。所以如何提高UPS的工作能效，可以為一個(gè)數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費(fèi)。同時(shí)，提高UPS效率是降低整個(gè)機(jī)房能耗的最直接方法。

因此，采購(gòu)UPS應(yīng)盡量采購(gòu)效率更高的UPS.當(dāng)然，UPS的高效率不僅僅是滿載效率高，而是需要一個(gè)較高的效率曲線，特別是在1+1并機(jī)系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃，每臺(tái)UPS容量不得大于50%，如果此次效率僅為90%以下，就算滿載效率達(dá)到95%以上，也是沒(méi)有意義的，所以要求UPS必需采用具體措施優(yōu)化效率曲線，使UPS效率在較低負(fù)載時(shí)就能達(dá)到較高的效率。?

所謂諧波就是由于是由于電力線路呈一定阻抗，等效為電阻、電感和電容構(gòu)成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)， 由于非線性負(fù)載產(chǎn)生的非正弦電流，造成電路中電流和電壓畸變。在UPS行業(yè)，我們稱高輸入功率因數(shù)和低輸入電流諧波的機(jī)型為綠色電源

諧波的危害包括：引起電氣組件附加損耗和發(fā)熱 （如電容、變壓器、電機(jī)等）；電氣組件溫升高、效率低、加速絕緣老化、降低使用壽命；干擾設(shè)備正常工作；無(wú)功功率因素加大，，電力設(shè)備有功容量降低（如變壓器、電纜、配電設(shè)備）；供電效率低；出現(xiàn)諧振，特別是油機(jī)發(fā)電時(shí)更嚴(yán)重；空開(kāi)跳閘、熔絲熔斷、設(shè)備無(wú)故損壞。UPS對(duì)于電網(wǎng)而言是一個(gè)非線性的負(fù)載，其在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。以配置6脈沖整流器的UPS為例，其輸入功率因數(shù)一般為0.75左右，諧波大于30%.

目前大型UPS輸進(jìn)諧波電流抑制共有4種方案：

方案1：采用6脈沖UPS+有源諧波濾波器，輸進(jìn)電流諧波5%（額定負(fù)載），輸進(jìn)功率因數(shù)0.95.這種配置，固然輸進(jìn)指標(biāo)非常好，但是技術(shù)仍不成熟，存在誤補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償?shù)阮}目，導(dǎo)致主輸進(jìn)開(kāi)關(guān)誤跳閘或損壞等現(xiàn)象。

方案2：采用6脈沖UPS+5次諧波濾波器，假如UPS整流裝置為三相全控橋6脈整流器，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近25-33%加5次諧波濾波器后減小到10%以下，輸進(jìn)功率因數(shù)0.9，可局部減小諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害。這種配置，輸進(jìn)電流諧波仍然偏大，對(duì)發(fā)電機(jī)容量配比要求為1：2以上，并存在導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出異常升高的隱患。

方案3：采用移相變壓器+6脈沖整流器的假12脈沖方案，其組成由2臺(tái)6脈沖整流器ups拼湊成：一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的6脈沖整流器和一臺(tái)移相30度變壓器+6脈沖整流器。所構(gòu)成的假12脈沖整流器UPS.表面看起來(lái)滿載輸進(jìn)電流諧波為10%，這種配置存在嚴(yán)重單點(diǎn)故障，當(dāng)一臺(tái)UPS故障時(shí)，系統(tǒng)輸進(jìn)諧波電流急劇增大，嚴(yán)重危害供電系統(tǒng)的安全。

方案4：采用12脈沖UPS+11次諧波濾波器，假如UPS整流裝置為三相全控橋12脈沖整流器，加11次諧波濾波器后減小到4.5%以下，可基本完全消除諧波電流含量對(duì)電網(wǎng)的危害，價(jià)格相對(duì)有源濾波器要便宜得多。采用12脈沖UPS+11次諧波濾波器，輸進(jìn)電流諧波為4.5%（額定負(fù)載），輸進(jìn)功率因數(shù)0.95.這種配置，為UPS行業(yè)最成熟最可靠的解決方案，對(duì)發(fā)電機(jī)容量要求為1：1.4.

上述幾種技術(shù)，性能及投資對(duì)比如表1所示，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的方案：?

在選購(gòu)UPS時(shí)，我們還需要關(guān)注UPS的工作模式。巧妙利用一些工作模式，能幫助我們輕松實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

1、具備自老化模式的三相大功率UPS節(jié)能技術(shù)

傳統(tǒng)的UPS老化工藝：UPS的輸入端接市電，輸出端接阻性負(fù)載，使UPS的負(fù)載率在95%-100%之間，持續(xù)通電24小時(shí)后斷開(kāi)市電。該老化工藝造成的結(jié)果是大量的電能被轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)法回收的熱能。

具備自老化模式的UPS工作模式：老化時(shí)不需要負(fù)載，將UPS的輸出直接接在電網(wǎng)上，控制UPS的逆變器進(jìn)入電流源模式，其輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，打開(kāi)旁路，控制逆變器的負(fù)載率在90%左右，從而使用了大約10%左右的能耗，直接節(jié)約電能90%左右，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

一般的老化實(shí)驗(yàn)是將UPS直接與阻性負(fù)載連接進(jìn)行老化，這樣存在很大的耗能問(wèn)題。另一種方法是將UPS接到電子負(fù)載上，電子負(fù)載模擬實(shí)際負(fù)載吸收電能再將此電能回饋到電網(wǎng)上，此方法大大減輕了電能的損耗，但本質(zhì)上還是存在兩個(gè)損耗點(diǎn)，一是UPS本身的損耗，另一個(gè)是電子負(fù)載的損耗，而自老化不需要接到電子負(fù)載上，不存在電子負(fù)載的損耗，相比之下更能節(jié)電。

自老化模式既不需要接阻性負(fù)載，也不需要接電子負(fù)載，UPS上電后只要通過(guò)監(jiān)控設(shè)置即可讓其自行老化。自老化運(yùn)行的原理是：傳統(tǒng)的UPS運(yùn)行時(shí)，市電通過(guò)整流PFC將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電，再將直流電通過(guò)逆變電壓源轉(zhuǎn)換成電壓頻率均穩(wěn)定的交流電能進(jìn)行供電，而系統(tǒng)設(shè)置成自老化后，整流PFC模塊部分仍然執(zhí)行交流向直流母線的供電，而逆變部分則不同，逆變由通用模式下的電壓源工作變?yōu)殡娏髟垂ぷ?，按一定的電流大小通過(guò)旁路回饋到電網(wǎng)上去，電能通過(guò)主路整流再經(jīng)逆變電流源回饋到電網(wǎng)完成了整流和逆變的老化。

新式的老化系統(tǒng)將90%的電能送回電網(wǎng)，假設(shè)每年生產(chǎn)的UPS的功率是57600KW，則節(jié)約的電57600*90%=51840Kw/年，按照 UPS平均老化8小時(shí)，則節(jié)約的電能是：51840*8=414720Kwh.節(jié)約的電能折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為414720Kwh/年*334克 /Kwh=1242噸/年。

隨著具備自老化模式UPS的投產(chǎn)，改變了傳統(tǒng)的電源老化方式，使老化工藝以高效節(jié)能的方式進(jìn)入電源生產(chǎn)行業(yè)，以顯著的經(jīng)濟(jì)效益改變了電源老化純粹是 “燒電”的概念，使電源老化工藝成為清潔、環(huán)保，低耗的新型工藝。該項(xiàng)目具備顯著的節(jié)能效果，最大的特點(diǎn)就是節(jié)約了大量的電能，和傳統(tǒng)的電源老化方式相比可以節(jié)約90%的電能，非常符合國(guó)家節(jié)約能源的基本國(guó)策，也有助于緩解地區(qū)用電緊張，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

2、使用ECO經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式

ECO經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的原理是在較好的市電環(huán)境時(shí)，激活此功能，使UPS由靜態(tài)旁路直接供電，此時(shí)逆變器處于待機(jī)狀態(tài)，正常工作，但不輸出能量，一旦市電異常，UPS立即切換到逆變器供電狀態(tài)，切換時(shí)間一般在1ms以內(nèi)，具體見(jiàn)圖3所示，藍(lán)色為輸入電流波形，黃色為輸出電壓波形。由于此時(shí)的逆變器處于待機(jī)狀態(tài)，所以自身?yè)p耗很小，此時(shí)UPS的整機(jī)效率可以達(dá)到97%以上，比正常模式節(jié)省3%以上的功率。?

使用ECO模式必需具備以下條件：

a） 靜態(tài)旁路必需采用兩組高可靠SCR晶體管，不得采用接觸器加SCR晶體管的組合，因?yàn)榻佑|器吸合時(shí)，接觸點(diǎn)會(huì)打火，一般工作數(shù)百次之后就不能正常工作了。而SCR晶體管則不存在此問(wèn)題，同時(shí)可以縮短切換時(shí)間。

b） 建議使用在較好的電力環(huán)境下，比如一級(jí)供電單位等。

無(wú)變壓器的UPS設(shè)備

功率電子設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步與功率器件的性能進(jìn)步、新器件的不斷出現(xiàn)有著密切的關(guān)系。50年來(lái)，隨著功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步，UPS設(shè)備經(jīng)歷了由多輸出工頻變壓器到單個(gè)輸出工頻變壓器的演變過(guò)程，而性能更好的大功率IGBT器件和更先進(jìn)的控制技術(shù)的出現(xiàn)，為UPS設(shè)備從根本往掉輸出隔離變壓器創(chuàng)造了物質(zhì)條件，使其在高頻化、小型化、節(jié)能化和綠色環(huán)?；矫嫒〉昧碎L(zhǎng)足的進(jìn)展，這就是人們所說(shuō)的“高頻機(jī)”。這種機(jī)型集中體現(xiàn)了UPS電路技術(shù)的進(jìn)步，代表著 UPS技術(shù)的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的帶輸出變壓器的UPS相比，它在進(jìn)一步縮小體積、減輕重量、改善性能、進(jìn)步效率、降低本錢(qián)等方面，都取得了明顯的改善和進(jìn)步。

應(yīng)該說(shuō)，采用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大于利。以一個(gè)400瓦的電源供應(yīng)器為例，如果該供應(yīng)器宣稱轉(zhuǎn)換效率達(dá)70%，也就是說(shuō)，如果有400瓦的交流電輸入到電源供應(yīng)器中，只有280瓦的電會(huì)轉(zhuǎn)成直流電供服務(wù)器應(yīng)用，足足浪費(fèi)了120瓦的電力。

傳統(tǒng)的UPS的整機(jī)效率只有75～85%，但采用無(wú)變壓器的機(jī)型，可以提升至88%以上。也因此，選用無(wú)變壓器的UPS更可以有效的運(yùn)用電源，讓每一度電都花費(fèi)在系統(tǒng)運(yùn)作上，進(jìn)而降低電力的成本。

目前有越來(lái)越多的廠商推出無(wú)變壓器的UPS設(shè)備，可以讓整機(jī)的效率提升至90%.

結(jié)語(yǔ)：要最大限度實(shí)現(xiàn)UPS綠色節(jié)能，構(gòu)建綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心，除了要注意本文中所談到的一些UPS本身的節(jié)能技術(shù)之外，還需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心生命周期的管理，在整個(gè)數(shù)據(jù)中心的生命周期過(guò)程中進(jìn)行合理地規(guī)劃、配置，并對(duì)電源進(jìn)行有效地管理。只有這樣，才能最終實(shí)現(xiàn)節(jié)省直接和間接的電池投資，同時(shí)減少整個(gè)機(jī)房對(duì)社會(huì)環(huán)境的污染。