UPS绿色节能技术介绍UPS应用

UPSUPS 绿色节能技术介绍绿色节能技术介绍 中达电通股份有限公司中达电通股份有限公司 郑龙艺郑龙艺 摘要：介绍了目前 UPS 节能的意义，及目前常见的 UPS 绿色节能技术应用。主要 包括 UPS、电池等方面的节能技术，包括 UPS 供电方案规划、UPS 节能技术、谐 波治理方案、共用电池组方案、智能电池管理、智能配电等。 关键词：UPS；节能；高效率；低谐波；共用电池组；智能电池管理方案 一、一、 概述概述 随着经济的飞速发展和企业对互联网认识的不断加深，数据中心在近几年迅速红 火起来。但随之而来的就是日益庞大的电费开销。如下图所示，一个数据中心在建 设中的投资比例，其中电气、电源、制冷总和占了一半以上的投资，其中光电气方 面投资就高达 26%，高额的电能消耗使得整个数据中心运行成本居高不下，数据中 心面临 “建得起却用不起”的尴尬境地。根据近期 IDC 以及 Gartner 的预测报告中都 提到：到 2010 年，企业平均每年在用电成本上的花费将大于它当年在硬件设备上 的投资额。目前，国际能源供应日趋紧张，不仅各种原材料价格上涨，电力价格也 在逐步上涨，这将加剧数据中心的电费支出。 图一 数据中心各系统所占投资比例 如何降低数据中心的运营成本成了各企业 CIO 关注的问题， 电都消耗到哪里去了？ 显而易见是机房内林林总总的 IT 设备-服务器、 终端、 网路设备及制冷系统所消耗， 节能至上而下可以从主要几方面入手。首先是机房环境的节能，包括制冷环境、供 电环境；其次是从 IT 硬件设备节能，减少 IT 设备的能耗；最后是 IT 设备内部各集 成电路的节能，比如 CPU 的节能等。UPS 处于交流供电环节的最重要一环，几乎 机房所有的 IT 设备均必需由 UPS 供电， 大型数据中心的 UPS 装机总容量均已经达 到百万伏安级。提高运行时的能效势在必行。目前 UPS 的节能必需从方案、UPS、 电池、配电等方面全方位进行。 二、二、 柔性规划，按需扩容柔性规划，按需扩容 一般数据中心都不是一步到位，都会考虑今后未来几年的需求，但是 UPS 一般都 是一步到位，一次上了几套大功率的 UPS 并机，结果初期负载只有 1020%，没等 带到规划的负载就进入了设备淘汰期， 不仅造成投资的浪费， 而且也无法使 UPS 运 行在较高的效率点，造成电能的浪费。如何避免这种情况的发生，从 UPS 系统角度 考虑，应该包括： a) 供电方案设计 目前 UPS 供电方案主要有分散供电、集中供电两种。分散供电的特点是一台 UPS 为一台或多台设备供电，整个机房由很多套这样系统构成。分散供电的好处是分散 风险， 不会因为一台 UPS 供电异常造成大面积停电。 缺点是 UPS 分散， 不便管理， 而且布线不易规划。另一种是采用集中供电方案，由一套大功率的 UPS 系统，直接 对机房的所有负载供电。集中供电的好处是便于规划、管理方便，维护方便。缺点 是如果 UPS 系统异常， 容易引起大面积停电事故， 此缺点可以通过采用各种并联构 架来避免。 所以上面两种方案各有优缺点， 目前的数据中心一般采用集中供电方案， 也集中的供电的风险。由于 UPS 并机数量有限制，而且当 UPS 系统并机数量超过 4 台时， 其可靠性并不比单机系统高多少。 当机房 UPS 装机总容量超过一定限度时, 建议将机房按几期规划成几个区域进行供电。规划时可以参考：单机容量不宜超过 400KVA，并机数量不宜超过 3 台。 b) UPS 在线并机扩容功能 机房 UPS 容量规划，也可以根据不同时期的负载容量要求，采用逐步扩容的方案， 使投资方案更经济，同时也能使 UPS 工作于较佳的功率点。目前的中、大功率段的 UPS 均已经具备冗余并机功能，不仅提高了系统的可靠性，同时也对机房扩容提供 了条件。只要规划时在 UPS 前后配电箱预留足额空开，并在机房规划相应空间，即 可实现 UPS 并机扩容功能。关键是并机的过程处理，多数品牌并机时需要对 UPS 电路或者进行修正，此时必然要求 UPS 必需工作在维修旁路状态，UPS 由市电直 接带载，如果此时市电波动较大甚至停电，将造成系统的大面积瘫痪。所以并机扩 容必须具备在线并机功能，即 UPS 并机扩容时，只需将新增 UPS 软件修改至与原 UPS 系统一致后，在不关闭原有 UPS 系统的情况下，直接将新增 UPS 并入原有系 统即可， 扩容前后 UPS 均工作于在线模式下， 避免因为切换至旁路供电的高分风险 动作。 c) 采用模块化 UPS，实现逐步扩容 目前，模块化 UPS 已经开始在国内应用，模块化 UPS 特点主要包括：可扩容、平 均故障修复时间（MTTR）短、可经济实现 N+X 冗余。以台达 C 系列 UPS 为例， 每个模块为 20KVA 整个系统最大可扩容至 160KVA， 可以根据机房的实际容量需求， 逐步扩容， 只要在机房初期规划好配电容量即可。 同时实现 N+X 冗余的也比较划算， 以 60KVA 要实现 N+1 冗余为例，传统方案必需扩容一台 60KVA UPS，而采用模 块化 UPS，则只需扩容一个 20KVA 的模块即可，节省大笔资金的投入。 三、三、 提高提高 UPS 自身能效，优化负载效率曲线自身能效，优化负载效率曲线 目前 UPS 均为在线式双变换构架，其在工作时整流器、逆变器均存在功率损耗。 以一个容量为 400KVA 的 UPS 为例， 每度电按 0.95 元计算， UPS 效率每提高 1%， 一年节省的电费为（400KVA0.8）0.01243650.95=26630.4 元。所以如何提 高 UPS 的工作能效，可以为一个数据中心节省一大笔电费。所以提高 UPS 效率是 降低整个机房能耗的最直接方法。所以采购 UPS，尽量采购效率更高的 UPS。当然 UPS 效率高不仅仅要是满载效率高，同时也必需具备一个较高的效率曲线，特别是 在 1+1 并机系统时，根据系统规划，每台 UPS 容量不得大于 50%，如果此次效率 仅为 90%以下，就算满载效率达到 95%以上，也是没有意义的，所以要求 UPS 必 需采用一下措施优化效率虚线， 使 UPS 效率在较低负载时能达到较高的效率。 以台 达 C 系列 20KVA UPS 为例， 其满载功率为 2OKVA/18KW， 从下图我们可以看到， 其负载在 2KW 以下时已经高于 90%,从 6KW 到 18KW 就已经能够满足 95%的高整 机效率。 除了提高UPS自身的效率之外， UPS上面的一些功能也可加以利用。 比如像ECO 经济运行模式。其原理是在较好的市电环境时，激活此功能，使 UPS 由静态旁路直 接供电，此时逆变器处于待机状态，正常工作，但不输出能量，一旦市电异常，UPS 立即切换到逆变器供电状态，切换时间一般在 1ms 以内，具体参考下图，蓝色为输 入电流波形，黄色为输出电压波形。由于此时的逆变器处于待机状态，所以自身损 耗很小， 此时UPS的整机效率可以达到97%以上， 比正常模式节省3%以上的功率。 图二 ECO 模式转正常供电模式波形 使用 ECO 模式必需具备以下条件： a) 静态旁路必需采用两组高可靠 SCR 晶体管， 不得采用接触器加 SCR 晶体管的 组合， 因为接触器吸合时， 接触点会打火， 一般工作数百次之后就不能正常工作了。 而 SCR 晶体管则不存在此问题，同时可以缩短切换时间。 b) 建议使用在较好的电力环境下，比如一级供电单位等。 四、四、 降低输入电流谐波、提高功率因数降低输入电流谐波、提高功率因数 谐波产生的根本原因是由于电力线路呈一定阻抗, 等效为电阻、 电感和电容构成的 无源网络, 由于非线性负载产生的非正弦电流, 造成电路中电流和电压畸变, 称为 谐波。谐波的危害包括：引起电气组件附加损耗和发热(如电容、变压器、电机等)； 电气组件温升高、效率低、加速绝缘老化、降低使用寿命；*设备正常工作；无功功 率因素加大, 电力设备有功容量降低(如变压器、电缆、配电设备)；供电效率低；出 现谐振, 特别是油机发电时更严重；空开跳闸、熔丝熔断、设备无故损坏。UPS 对 于电网而言是一个非线性的负载，其在工作的时候会产生大量的谐波。以配置 6 脉 冲整流器的 UPS 为例，其输入功率因数一般为 0.75 左右，谐波大于 30%。降低 UPS 工作谐波的主要方法有： a) 采用 12 脉冲整流器。其原理是在原有 6 脉冲整流器基础上，在输入增加一个 移相变压器和 6 脉冲整流器。采用该技术方案后，可以将谐波降低至 10%左右。优 点是较为简单，谐波改善明显，缺点是对功率因数改善有限，价格略高。 b) 采用无源滤波器。采用 LC 滤波电路原理，对 UPS 产生的谐波进行滤除，并对 功率因数进行补偿。 优点是技术简单， 成本较低， 缺点是只能补偿特点阶次的谐波， 同时受负载阻抗影响较大，无法全功率段适用。 c) 采用有源滤波器。原理是利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流 幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的 目的。优点是可以补偿多个阶次的谐波，且不受负载阻抗大小影响。缺点是购置成 本较高。 d) 采用高频 IGBT 整流及 PFC 功率因数校正电路设计整流器。 原理是采用高频率 PWM 控制 IGBT 导通， 对输入电压波形进行分割， 使输入电流波形尽量接近正弦波， 并对输入电压和电流相位差进行补偿。优点是体积轻，价格便宜，效果好。缺点是 技术结构复杂，不易维护，受功率器件影响，目前容量大小受到限制。 上述几种技术，性能及投资对比如下，可以根据实际需求选择合适的方案 表一 几种谐波方案对比 五、五、 电池管及配电管理技术电池管及配电管理技术 UPS 都配备了电池，往往用户在电池组上的投资往往占整个 UPS 系统投资很大 比例，甚至超过 UPS 本身的投资，而电池的使用年限明显低于 UPS 主机的年限。 由于电池主要材料是重金属铅、硫酸和不易分解的塑料，都会对环境造成严重的污 染。因此减少电池使用数量，延长电池循环使用寿命，不仅是节省直接和间接的电 池投资， 而且减少整个机房对社会环境的污染。 所以 UPS 可以通过以下几个技术实 现电池的节能。 a) 并机共用电池组功能。共用电池组原理是通过特殊的整流器控制及故障隔离技 术， 使并机系统中的两台或多台 UPS 的整流同步、 母线均流， 使系统中的各台 UPS 母线可直接并联， 然后将满足系统后备时间要求的电池并联后接入并联母线系统中， 实现电池的共享，减少电池投资。以 1+1 为例，传统的 UPS 方案，系统后备 1 小 时，考虑其中一台 UPS 故障时，UPS2 的电池不能为 UPS1 使用，所以 UPS1 和 UPS2 必需各配置 1 套 1 小时的电池组，才能保障系统在断电后还能备用 1 小时。 采用共用电池组方案后， 因为 UPS1 故障后， 系统中的电池仍能为 UPS2 提供能量， 方案 输入电流谐波 THD I 功率因数 PF 投资 6 脉冲整流器 30% 0.75 低 12 脉冲整流器 10% 0.8 高 6 脉冲整流器+无源滤波器 10% 0.9 较高 12 脉冲整流器+无源滤波器 5% 0.95 高 6 脉冲整流器+有源滤波器 5% 0.95 高 IGBT 整流器 5% 0.95 低 所以整个系统仅需配置 1 套 1 小时电池即可。不仅节省了电池直接投资，同时也节 约机房在空间、承重及空调等方面的投资，也降低了对环境的污染。 b) 智能电池管理技术。 影响电池寿命的因素有很多， 主要包括温度、 充电、 放电、 循环次数等。如果能够对上述几个因素进行合适的处理，可以大大延时电池是使用 寿命，延长电池更换周期，节约电池投资。UPS 的智能电池管理技术主要包括，电 池均浮充管理（均浮充控制）、充电温度补偿、智能放电截止电压控制，除此之外 还应具备电池定期自动检测和电池漏液检测功能。另外还可以选择输入电压范围较 宽的 UPS， 减少电池放电次数。 通过上述几种技术， 可大幅度延长电池寿命 23 年。 c) 智能 UPS 配电管理技术。原理是通过侦测 UPS 电池电压或者设备供电时间， 实现对机房中不同等级负载的多次下电保护功能， 减少电池投资、 提高电池使用率。 智能 UPS 配管理技术主要有两种方案， 包括软件实现方式及硬件实现方式。 以台达 UPS 为例，其软件方式是在 UPS 监控网络中，在负载服务器安装 Delta Shutdown Agent 关机代理程序，当市电异常并满足电池电压或者定时条件时，关机代理会自 动保存系统程序，然后关闭服务