利用UPS四招戰(zhàn)敗三大僵尸

標(biāo)簽：UPS 綠色數(shù)據(jù)中心 不間斷電源

綠色數(shù)據(jù)中心(Green Data Center)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。綠色數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然?？偟膩碚f，我們可以從建筑節(jié)能、運(yùn)營管理、能源效率等方面來衡量一個數(shù)據(jù)中心是否為綠色.綠色數(shù)據(jù)中心的綠色具體體現(xiàn)在整體的設(shè)計規(guī)劃以及機(jī)房空調(diào)、UPS、服務(wù)器等IT設(shè)備、管理軟件應(yīng)用上，要具備節(jié)能環(huán)保、高可靠可用性和合理性。在布線行業(yè)待了長時間的朋友們可能知道，不僅建筑需要節(jié)能，數(shù)據(jù)中心也是如此，嚴(yán)重的電力不足，使得機(jī)房出現(xiàn)能耗危機(jī)，綠色數(shù)據(jù)中心主題突然間從無人所知升至家喻戶曉.當(dāng)管理成本、資源整合、業(yè)務(wù)響應(yīng)速度、信息安全以及能源管理各方面都凸顯危機(jī)時，綠色數(shù)據(jù)中心便順勢而生。密集的線路，環(huán)境的控制，機(jī)柜的保護(hù)，良好散熱的數(shù)據(jù)中心，都必須要求其具備高密度、高性能、高可靠、高靈活的功能。綠色數(shù)據(jù)中心在此基礎(chǔ)上，確保對線路布置進(jìn)行合理管理以實(shí)現(xiàn)有效空氣活動最大化，幫助實(shí)現(xiàn)更高的冷卻與供電效率的解決方案。

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。

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

UPS( Uninterruptible Power System )，即不間斷電源，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺計算機(jī)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時的 UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機(jī)內(nèi)電池充電;當(dāng)市電中斷( 事故停電 )時， UPS 立即將機(jī)內(nèi)電池的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。UPS作為保護(hù)性的電源設(shè)備，它的性能參數(shù)具有重要意義，應(yīng)是我們選購時的考慮重點(diǎn)。市電電壓輸入范圍寬，則表明對市電的利用能力強(qiáng)(減少電池放電)。輸出電壓、頻率范圍小，則表明對市電調(diào)整能力強(qiáng)，輸出穩(wěn)定。波形畸變率用以衡量輸出電壓波形的穩(wěn)定性，而電壓穩(wěn)定度則說明當(dāng)UPS突然由零負(fù)載加到滿負(fù)載時，輸出電壓的穩(wěn)定性。

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，其在工作時整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個容量為400KVA的UPS為例，每度電按0.95元計算，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，可以為一個數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費(fèi)。同時，提高UPS效率是降低整個機(jī)房能耗的最直接方法。

因此，采購UPS應(yīng)盡量采購效率更高的UPS.當(dāng)然，UPS的高效率不僅僅是滿載效率高，而是需要一個較高的效率曲線，特別是在1+1并機(jī)系統(tǒng)時，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃，每臺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)載時就能達(dá)到較高的效率。

從嚴(yán)格的意義來講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時諧波這個詞的的意義已經(jīng)變得與原意有些不符。正是因?yàn)閺V義的諧波概念，才有了分?jǐn)?shù)諧波、間諧波、次諧波等等說法。產(chǎn)生的原因：由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線性負(fù)載有UPS、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。諧波的危害：降低系統(tǒng)容量如變壓器、斷路器、電纜等;加速設(shè)備老化，縮短設(shè)備使用壽命，甚至損壞設(shè)備;危害生產(chǎn)安全與穩(wěn)定;浪費(fèi)電能等;諧波的治理。

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、過補(bǔ)償?shù)阮}目，導(dǎo)致主輸進(jìn)開關(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電網(wǎng)的危害。這種配置，輸進(jìn)電流諧波仍然偏大，對發(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6脈沖整流器ups拼湊成：一臺標(biāo)準(zhǔn)的6脈沖整流器和一臺移相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UPS故障時，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電網(wǎng)的危害，價格相對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UPS時，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小時后斷開市電。該老化工藝造成的結(jié)果是大量的電能被轉(zhuǎn)變?yōu)闊o法回收的熱能。

具備自老化模式的UPS工作模式：老化時不需要負(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)上還是存在兩個損耗點(diǎn)，一是UPS本身的損耗，另一個是電子負(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，市電通過整流PFC將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電，再將直流電通過逆變電壓源轉(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旁路回饋到電網(wǎng)上去，電能通過主路整流再經(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，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。

2、使用ECO經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式

capacite d'organisation P.A.Weiss提出的實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)分支領(lǐng)域的一個概念。即在對發(fā)生能力的概念進(jìn)行區(qū)分時，把與一定造形作用相對應(yīng)的可進(jìn)行分化的能力稱為分化能力，與此不同把直接起造形作用的能力則稱為組織能力。例如組織者雖具有明顯的組織能力，但在預(yù)定外胚層中并不認(rèn)為有此能力。對于企業(yè)來說，組織能力是指公司在與競爭對手投入相同的情況下，具有以更高的生產(chǎn)效率或更高質(zhì)量，將其各種要素投入轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品或服務(wù)的能力。組織能力包括企業(yè)所擁有的一組反映效率和效果的能力，這些能力可以體現(xiàn)在公司從產(chǎn)品開發(fā)到營銷再到生產(chǎn)的任何活動中。精心培養(yǎng)的組織能力可以成為競爭優(yōu)勢的一個來源。

ECO經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的原理是在較好的市電環(huán)境時，激活此功能，使UPS由靜態(tài)旁路直接供電，此時逆變器處于待機(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)，切換時間一般在1ms以內(nèi)，具體見圖3所示，藍(lán)色為輸入電流波形，黃色為輸出電壓波形。由于此時的逆變器處于待機(jī)狀態(tài)，所以自身損耗很小，此時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，接觸點(diǎn)會打火，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題，同時可以縮短切換時間。

b) 建議使用在較好的電力環(huán)境下，比如一級供電單位等。

無變壓器的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，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輸出工頻變壓器的演變過程，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足的進(jìn)展，這就是人們所說的高頻機(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、降低本錢等方面，都取得了明顯的改善和進(jìn)步。

應(yīng)該說，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，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%,但采用無變壓器的機(jī)型，可以提升至88%以上。也因此，選用無變壓器的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。

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

結(jié)語：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，在整個數(shù)據(jù)中心的生命周期過程中進(jìn)行合理地規(guī)劃、配置，并對電源進(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，同時減少整個機(jī)房對社會環(huán)境的污染。