新一代UPS負(fù)載功率因數(shù)的演變

UPS為數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、路由器、存儲(chǔ)器提供不間斷的電源保護(hù),而計(jì)算機(jī)設(shè)備是UPS的重要負(fù)載之一。大多數(shù)傳統(tǒng)UPS的負(fù)載功率因數(shù)為0.8。為了適應(yīng)負(fù)載的變化,新一代UPS的負(fù)載功率因數(shù)正逐步提升到0.9,甚至到1。

隨著全球節(jié)能和低碳經(jīng)濟(jì)的到來,計(jì)算機(jī)負(fù)載內(nèi)部電源已經(jīng)發(fā)生了變化,十年前的計(jì)算機(jī)電源拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)電源拓?fù)鋱D

這是一個(gè)典型的全橋整流電路圖,交流電通過四個(gè)二極管組成的一個(gè)全橋整流,直流側(cè)電容起到平波作用,為計(jì)算機(jī)負(fù)載提供所需的直流能量。這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造價(jià)較低,功率因數(shù)只有0.7～0.8,電流諧波高達(dá)60%,產(chǎn)生大量的無功損耗和電網(wǎng)污染,不利于設(shè)備節(jié)能,也不符合綠色電源的需求。其電壓、電流波形如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)負(fù)載電流和電壓波形圖

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的到來,各國(guó)政府都將節(jié)能減排提到了戰(zhàn)略高度,對(duì)計(jì)算機(jī)負(fù)載的節(jié)能要求也顯著提高。而計(jì)算機(jī)、服務(wù)器的電源在設(shè)計(jì)中加裝了LC濾波電路(見圖3),用以提高負(fù)載功率因數(shù)和降低電流諧波,從而降低能耗和減少電網(wǎng)污染。

圖3 新型計(jì)算機(jī)負(fù)載電源拓?fù)鋱D

新型計(jì)算機(jī)負(fù)載實(shí)測(cè)電壓和電流波形如圖4所示。

圖4 新型計(jì)算機(jī)負(fù)載電流、電壓波形圖(上海張江某知名金融企業(yè)實(shí)測(cè)波形)

從實(shí)測(cè)波形可知,此時(shí)的功率因數(shù)為超前0.93(電流相位超前于電壓相位),為什么功率因數(shù)會(huì)超前?這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)電源設(shè)計(jì)時(shí)濾波電容按滿載容量選取,而通常計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)際平均功耗為滿載設(shè)計(jì)量的50%～80%之間,多臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備由UPS系統(tǒng)供電,等效于多個(gè)濾波電容并聯(lián)在一起,積少成多，聚沙成塔，很多過設(shè)計(jì)(over design)的濾波電容使總電流相位前移，輸入電流超前于電壓，形成矯枉過正的負(fù)面結(jié)果，使整體負(fù)載呈現(xiàn)容性。
新型計(jì)算機(jī)負(fù)載有兩個(gè)重要變化:

(1)功率因數(shù)提升到0.9以上;

(2)負(fù)載由傳統(tǒng)的感性變?yōu)槿菪浴?/P>

因此,功率因數(shù)0.8的UPS已不能適應(yīng)負(fù)載的需求,通常UPS過載的判斷以額定容量(kVA)和額定功率(kW)為雙重標(biāo)準(zhǔn),其中任一參數(shù)過載都判定為過載。視在功率為

例如,一臺(tái)100kVA UPS,其負(fù)載功率因數(shù)是0.8,其滿載能力是100kVA或80kW,其中任一參數(shù)超過額定值,UPS都判定為過載。傳統(tǒng)UPS設(shè)計(jì)主要針對(duì)感性負(fù)載,其逆變器配置了一定容量的輸出電容,當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)滯后時(shí)(感性負(fù)載),電容起到輸出濾波和提供平衡無功功率的雙重作用。電容自身呈現(xiàn)超前無功功率特性,如果帶的是感性滯后無功功率負(fù)載,兩者極性相反,互相抵消,UPS逆變功率器件主要提供有功功率,此時(shí)UPS輸出容量不會(huì)降額。如果帶容性負(fù)載,負(fù)載和UPS內(nèi)置電容均呈現(xiàn)超前無功功率特性,雙方彼此疊加,呈現(xiàn)更大的電容特性。此時(shí),UPS逆變器需提供電容負(fù)載的無功電流,UPS逆變器的功率器件通流能力是有限度的,如果一部分電流被容性無功負(fù)載消耗,其輸出的有功功率(kW)和總輸出容量(kVA)均要大幅降額。例如:某知名品牌一款負(fù)載功率因數(shù)為0.8的傳統(tǒng)UPS,在帶超前0.9容性負(fù)載時(shí),其功率因數(shù)降低30%。其帶載能力如圖5中最下面第三條曲線所示。以100kVA UPS輸出PF=0.8的UPS為例(見表1):

某知名金融企業(yè)核心曾發(fā)生驚險(xiǎn)一幕,該數(shù)據(jù)中心采用雙總線系統(tǒng)供電,在系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí),中斷一路UPS供電,另一路UPS卻很快出現(xiàn)過載報(bào)警并切換到旁路供電的重大故障隱患。查找原因發(fā)現(xiàn),設(shè)備負(fù)載為雙路供電,正常供電時(shí)各承擔(dān)40%的負(fù)載,當(dāng)其一路UPS供電中斷時(shí),另一路UPS承擔(dān)滿載容量80%的負(fù)載,按照正常設(shè)計(jì),UPS完全可以長(zhǎng)期承擔(dān)80%甚至100%的負(fù)載工作,但為什么會(huì)轉(zhuǎn)旁路工作?是因?yàn)閷?shí)際負(fù)載功率因數(shù)為超前0.9,這時(shí)UPS帶載能力下降30%,只能帶70%的滿載容量。UPS系統(tǒng)不堪重負(fù)而轉(zhuǎn)為旁路供電,使核心負(fù)載處于毫無保護(hù)的危險(xiǎn)狀況。綜上所述,負(fù)載功率因數(shù)為0.8的UPS已不能滿足新型數(shù)據(jù)中心的需求,實(shí)際使用時(shí)需做降額處理。

圖5 各類UPS帶載能力圖

為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)負(fù)載的發(fā)展趨勢(shì)，為新一代數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的UPS的負(fù)載功率因數(shù)普遍提升到了0.9，甚至高達(dá)1。如艾默生公司推出的Hipulse U和NXr系列負(fù)載功率因數(shù)是0.9，APM系列負(fù)載功率因數(shù)是1。除艾默生公司之外，一些國(guó)際UPS廠商也紛紛推出負(fù)載功率因數(shù)為0.9的新一代產(chǎn)品?？紤]到大多數(shù)機(jī)房功率因數(shù)超前的實(shí)際情況，新一代UPS充分考慮了超前負(fù)載特性，更改和優(yōu)化了設(shè)計(jì)，在滯后0.9至超前0.9范圍內(nèi)UPS均可以帶滿載運(yùn)行。其帶載能力如圖5中第一條和第二條曲線所示。同樣以100kVA負(fù)載PF=0.9為例(見表2):

可以看出,在帶新型計(jì)算機(jī)負(fù)載時(shí),負(fù)載功率因數(shù)為0.9的UPS比負(fù)載功率因數(shù)為0.8的UPS多帶42%的負(fù)載。因此,在為數(shù)據(jù)中心選取UPS時(shí),應(yīng)當(dāng)優(yōu)選負(fù)載功率因數(shù)為0.9或1的新一代UPS。■