新一代UPS負載功率因數(shù)的演變

UPS為數(shù)據(jù)中心的服務器、路由器、存儲器提供不間斷的電源保護,而計算機設備是UPS的重要負載之一。大多數(shù)傳統(tǒng)UPS的負載功率因數(shù)為0.8。為了適應負載的變化,新一代UPS的負載功率因數(shù)正逐步提升到0.9,甚至到1。

隨著全球節(jié)能和低碳經濟的到來,計算機負載內部電源已經發(fā)生了變化,十年前的計算機電源拓撲如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)計算機電源拓撲圖

這是一個典型的全橋整流電路圖,交流電通過四個二極管組成的一個全橋整流,直流側電容起到平波作用,為計算機負載提供所需的直流能量。這樣的拓撲結構造價較低,功率因數(shù)只有0.7～0.8,電流諧波高達60%,產生大量的無功損耗和電網(wǎng)污染,不利于設備節(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)計算機負載電流和電壓波形圖

隨著低碳經濟的到來,各國政府都將節(jié)能減排提到了戰(zhàn)略高度,對計算機負載的節(jié)能要求也顯著提高。而計算機、服務器的電源在設計中加裝了LC濾波電路(見圖3),用以提高負載功率因數(shù)和降低電流諧波,從而降低能耗和減少電網(wǎng)污染。

圖3 新型計算機負載電源拓撲圖

新型計算機負載實測電壓和電流波形如圖4所示。

圖4 新型計算機負載電流、電壓波形圖(上海張江某知名金融企業(yè)實測波形)

從實測波形可知,此時的功率因數(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)會超前?這是因為計算機電源設計時濾波電容按滿載容量選取,而通常計算機設備實際平均功耗為滿載設計量的50%～80%之間,多臺計算機設備由UPS系統(tǒng)供電,等效于多個濾波電容并聯(lián)在一起,積少成多，聚沙成塔，很多過設計(over design)的濾波電容使總電流相位前移，輸入電流超前于電壓，形成矯枉過正的負面結果，使整體負載呈現(xiàn)容性。
新型計算機負載有兩個重要變化:

(1)功率因數(shù)提升到0.9以上;

(2)負載由傳統(tǒng)的感性變?yōu)槿菪浴?/P>

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

例如,一臺100kVA UPS,其負載功率因數(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設計主要針對感性負載,其逆變器配置了一定容量的輸出電容,當負載功率因數(shù)滯后時(感性負載),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UPS輸出容量不會降額。如果帶容性負載,負載和UPS內置電容均呈現(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,UPS逆變器需提供電容負載的無功電流,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:某知名品牌一款負載功率因數(shù)為0.8的傳統(tǒng)UPS,在帶超前0.9容性負載時,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)生驚險一幕,該數(shù)據(jù)中心采用雙總線系統(tǒng)供電,在系統(tǒng)擴容時,中斷一路UPS供電,另一路UPS卻很快出現(xiàn)過載報警并切換到旁路供電的重大故障隱患。查找原因發(fā)現(xiàn),設備負載為雙路供電,正常供電時各承擔40%的負載,當其一路UPS供電中斷時,另一路UPS承擔滿載容量80%的負載,按照正常設計,UPS完全可以長期承擔80%甚至100%的負載工作,但為什么會轉旁路工作?是因為實際負載功率因數(shù)為超前0.9,這時UPS帶載能力下降30%,只能帶70%的滿載容量。UPS系統(tǒng)不堪重負而轉為旁路供電,使核心負載處于毫無保護的危險狀況。綜上所述,負載功率因數(shù)為0.8的UPS已不能滿足新型數(shù)據(jù)中心的需求,實際使用時需做降額處理。

圖5 各類UPS帶載能力圖

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

可以看出,在帶新型計算機負載時,負載功率因數(shù)為0.9的UPS比負載功率因數(shù)為0.8的UPS多帶42%的負載。因此,在為數(shù)據(jù)中心選取UPS時,應當優(yōu)選負載功率因數(shù)為0.9或1的新一代UPS?！?/P>