随着当前国家的双碳目标的推动,对数据中心整个系统的效率要求越来越高。UPS作为数据中心供电系统的关键基础设施,怎么选择高效的UPS产品,怎么让UPS产品工作在高效的区间和模式,下文给大家作一个全面的介绍。
　　
　　一、选择高效的产品
　　
　　UPS产品几十年的演进历程,从传统工频机产品到高频塔式机和高频模块化产品,其工作效率也是在逐步提升的。步入21世纪后,随着电子电子器件和电路拓扑结构的不断发展,UPS逐渐转向高频化,工作效率也从94%一路提升,目前市场主流产品可达96%-97%的工作效率。
　　
　　在以往某些文章里面会有一些对比,比如说UPS工作效率远低于90%,所以推荐使用工作效率在90%以上的高压直流电源。为什么会有这种误解呢,因为是把不同时间维度的产品放到一起做比较导致,其实看当前时段的两类主流产品,其工作效率的区间是差不多的。
　　
　　数据中心使用UPS产品其实有很多方面的核心需求,比如首先就是高可靠性,其次是高效,还有更小的占地面积,更灵活的配置,更容易使用等等。在UPS选型时,我们可以选择高效的产品,但需要综合考虑使用的场景需求,不能唯效率论。
　　
　　二、负载区间和效率曲线
　　
　　如果我们选型了一款工作效率指标在96.5%的UPS,那在实际工作时效率会达到这个指标吗?大概率是不能的。
　　
　　首先我们要明白效率的定义,效率η=输出有功功率/输入有功功率,是一个比值。而输入有功功率=输出有功功率+损耗功率,所以决定效率这个比值大小的就是损耗功率的占比大小。而UPS实际工作的损耗功率可以视作两部分组成,一个是固定的空载时的功率损耗,另一个是随着负载增加而增加的功率损耗。所以轻载情况下,输出有功功率比较小,这时固定的空载功率损耗的占比就会比较显著,从而效率值会比较低。
　　
　　在UPS产品的行业标准里面(YD/T1095-2018通信用不间断电源),电气性能的技术要求里面,可以看到效率的测试条件是在不同负载率下都有要求。
　　
　　那我们再回到UPS产品自身的效率指标的规格栏,仔细看的话一般会有相应的注释,比如效率高达96.5%,或注明是在某个负载率下的指标。所以我们要理解在不同负载率下,设备的实际工作效率是不同的。一般UPS的设计,最高效率点在50%-60%的负载率区间,下图是某型号UPS的效率-负载率曲线,可以看到轻载下的效率值是明显低于最大值的。
　　
　　知道了上述信息,在UPS的选型和使用上就可以有更深入的思考去提升产品的实际工作效率:
　　
　　1）UPS产品选型时,不光是关注规格表里面最高的那一个数值,也要关注和比较在轻负载率下的效率值,因为很多的应用场地,特别是冗余度考虑比较多的系统负载率没有那么高。
　　
　　2）也有很多的应用场地暂时还远没有达到设计的负载率而处于一个较低的水平,那就要考虑通过合适的技术手段去适当的调整UPS到一个较理想的负载率区间。
　　
　　三、智能并机模式
　　
　　上面讲到的常见技术手段就是目前比较成熟的UPS并机(或模块)的智能并机(或模块休眠)的功能。用一句话来介绍智能并机是如何提升系统效率的:让部分机器休眠从而降低这些机器的空载损耗,让保持工作的部分机器负载率提升到一个效率值比较高的水平。
　　
　　让我们以符合上面效率曲线的400kVA UPS为例,以总负荷为单机50%的水平去对比不同并机数量下的整个系统的功率损耗值,可以看到较少工作台数/较高负载率的情况下,系统功率损耗值有非常明显的下降。
　　
　　当然智能并机的功能实施也不只考虑降低系统功率损耗,也要考虑到系统的冗余度和可靠性。比如工作的机器有一台故障了,或者后面负载可能有一定的波动性,这种情况下也要保证可以安全供电的系统容量是足够的，并可以唤醒休眠的部分机器保证当前系统供电的冗余度。
　　
　　四、更高效的工作模式
　　
　　在国际电工委员会相关标准IEC62040-3(不间断电源UPS-Part3:规定性能的方法和试验要求)里面,在UPS性能分级部分对输入依赖性(表示UPS输出电压和频率与交流输入电源(市电)电压和频率的关系)有如下分类代码:
　　
　　1）VFD(voltageand frequency dependent),UPS的输出取决于交流的输入电压和输入频率的变化
　　
　　2）VI(voltage independent),UPS的输出频率取决于交流的输入频率,输出电压应保持在规定的电压范围内
　　
　　3）VFI(voltageand frequencyindependent),UPS的输出独立于交流的输入电压和输入频率的变化。
　　
　　数据中心的大功率UPS基本都是双变换在线式的产品,也就是符合VFI的分类代码。现在很多的双变换在线式UPS除了支持常见的双变换模式(VFI)之外,也支持VFD甚至VI模式,有的设计还可以根据情况自动进行相关工作模式的转换。在此简单介绍如下:
　　
　　1）VFI模式,也就是实际常用的双变换模式。这种模式下逆变器一直在工作,供电质量最高,保障性最好。但因为主路的整流器和逆变器一直在带负载电流工作,所以损耗相对较大。如第一节内容所述,这种模式下效率的再提升也比较困难。
　　
　　在线运行模式(双变换模式)是用于向数据中心提供安全连续电源的最常见的工作模式,通过将交流输入通过整流、逆变,采用PWM控制,模拟出纯净的正弦波,该模式输出的电能最纯净,谐波含量低,运行效率高达97%,适用于绝大部分需求不间断供电的场景,如数据中心、工商业、运营商等。
　　
　　2）VFD模式,也就是实际常见的ECO模式。这种模式下因为是旁路直接带负载工作,主路的整流器和逆变器处于备用状态,当旁路供电异常时会经短时间断切换到逆变器供电。此模式下供电效率最高,但输出供电质量取决于旁路的输入,供电质量的保障性较差。
　　
　　旁路运行模式下,输入的电能只经过静态旁路,与需要经过整流、逆变两级变换的在线运行模式相比,大幅降低了运行损耗,运行效率大于99%。但由于负载由市电直接进行供电,无法防止市电波动对负载造成的影响,供电质量相对较低,适用于有连续供电需求、但对电能质量要求不高的动力负载(如压缩机、风机等)。
　　
　　3）VI模式,现在很多UPS厂家也逐步完善和应用了这个功能,有的叫动态在线模式,有的叫超级旁路模式等。这种模式下是旁路直接带负载,主路的逆变器作为一个补偿器工作去补偿输出的谐波和无功电流,改善了输入电源质量(也改善了输出电源质量),并且旁路供电异常时可以连续的切换到逆变器供电。这种模式兼顾了供电的高效率，也提升了供电质量的保障性。
　　
　　动态在线模式在静态旁路的基础上增加了有源滤波器,该模式下逆变器作为有源滤波器实时动态在线,配合静态旁路上的电能调制单元,使系统能够满足相当大范围的电网和负载电能调节需求。当无功负载或非线性负载连接到UPS并且存在谐波或无功电流时,UPS中的逆变器能够起到有源滤波器的作用来进行补偿,并且仅消耗部分电能来补偿电路干扰,从而实现高达99%的运行效率。适用于有高能效要求的新建互联网、租赁型数据中心、运营商机房;以及低能效的老旧机房改造。
　　
　　现在主流的厂家也会考虑加上市电质量等因素的智能判断,实现UPS工作在各种模式的智能转换,整体上更好的去保障供电的可靠性和高效。
　　
　　五、总结
　　
　　认识UPS效率的演进过程和目前的产品主流指标,在选型时综合产品的各种核心需求去选择相对高效的产品。
　　
　　了解UPS的智能并机,ECO模式,VI模式,在实际应用中根据场地自身特点和需求去提升产品实际工作的效率。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]YD/T1095-2018通信用不间断电源（UPS）
　　
　　[2]IEC62040-3-2011（不间断电源UPS-Part3:规定性能的方法和试验要求）
　　
　　[3]维谛技术(Vertiv)两种突破传统ECO困局的创新模式白皮书
　　
　　作者简介
　　
　　罗维华,维谛技术有限公司技术支持部专家，超过二十年UPS开发和全生命周期服务经验。
　　
　　编辑：Harris