经济模式UPS在数据中心的应用（上）

摘要：现代先进的UPS都有经济运行方式,具有经济运行方式的UPS称为“经济模式UPS”。经济模式UPS具有最高的效率和最高的可靠性。采用经济模式UPS是数据中心节能的重要措施。文中评价经济模式UPS的性能,阐述经济模式UPS应用考虑。

1 引言

UPS是用于关键负载的不间断电源。在电信和数据中心,一般采用双变换UPS,以满足可靠性和功能性的要求,双变换UPS将交流输入电源进行整流/逆变两次电力变换,输出高质量交流电,关键负载不会受到市电各种*的影响。但是,两次电力变换的损耗较大,降低了UPS系统的效率。

随着IT技术的发展和IT设备功率密度的增加,数据中心总功率和UPS的损耗不断增加,高额的运行费用已成为运营企业的沉重负担。为此,对UPS的效率提出了更高的要求。近年来,虽然双变换UPS的系统满载效率最高已达94%左右。但UPS系统的损耗仍然十分可观。例如,在小容量数据中心中,假设负荷功率约为100kW,UPS的功率损耗为6kW,一年损耗的能量为52560kWh。许多现代大型的数据中心的负荷还要大得多,UPS的损耗将按比例增加。

此外,为了满足可维性和故障容限的要求,数据中心常常采用并联冗余UPS和双母线UPS。因此,UPS单机的负载率很低。假设N=1,单机UPS最大负载率,理论上N+1并联冗余UPS为50%,2N双母线系统为50%,2(N+1)双母线系统为25%。实际上,N+1并联冗余UPS的单机UPS的负载率为30%～40%,2N双母线系统为30%～40%,2(N+1)双母线系统为15%～20%。在如此低的负载率下,UPS的系统效率将会从满载时的90%的范围下降到80%的范围。

在这种情况下,采取适当措施进一步提高UPS系统的效率是非常必要的。例如,可以采用高效率UPS设备(无变压器UPS或模块化UPS)和高压直流供电系统等。还可以通过改变UPS的运行策略,采用经济运行方式,节能效果更佳。具有经济运行方式的UPS称为“经济模式UPS”。

所谓经济模式UPS,实际上是在市电质量很好时,UPS采用市电直接为负载供电。从而获得最高的供电系统效率,达到节能的目的。当市电故障或质量下降时,UPS转换为双变换方式,以满足负载对电能质量的要求。经济模式UPS技术适用于单机UPS、并联冗余UPS和双母线UPS。采用经济模式UPS是数据中心节能的重要措施。美国绿色网络联盟(TGG)提出的数据中心成熟模型(DCMM)电源部分明确建议采用经济模式UPS。

UPS的经济运行方式还有其他名称,例如节能方式、节能系统(ESS)、高效率方式,VFD方式等,本文采用传统的术语“经济方式”(Ecomode)和“经济模式UPS”(Ecomode UPS)。本文阐述经济模式UPS的工作原理和性能,分析经济模式UPS高效率和高可靠性,讨论经济模式UPS实施方法和应用考虑。

2 UPS系统术语说明

IEC62040-3规定了三种UPS内部技术(UPS拓扑),包括备用式UPS(passive stand by UPS)、在线互动式UPS(lineinteractive UPS)、双变换式UPS(double conversion UPS)。这些UPS具有不同的电源质量,可以获得不同程度的电源保护。

其中双变换式UPS的输入/输出技术指标都很高,输出电压和频率稳定,不受输入电源电压和频率变化的影响。但是负载功率经整流-逆变两次变换,损耗较大,系统效率不高。备用式UPS和在线互动式UPS都属于单变换UPS,正常时利用市电直接为负载供电,备用式UPS输出电压和频率与输入电源电压和频率相同;在线互动式UPS可以与输入市电电源互动,稳定其输出电压,而输出频率与输入电源频率相同。单变换UPS的突出的优点是系统效率很高,特别是备用式UPS,系统效率最高。

按照UPS输出电压和频率对于输入电源电压和频率的依赖性,IEC62040-3还规定了UPS性能分类代码,包括电源质量、输出波形和输出瞬态特性的分类代码。其中UPS电源质量分为三类,分别用三个字符或两个字符表示,即VFD,VI和VFI。

VFD表示UPS的输出电压和频率取决于输入电源(市电)的电压和频率变化。

VI表示UPS的输出电压与输入电源(市电)无关,输出频率取决于输入电源(市电)的频率变化。

VFI表示UPS的输出电压和频率与输入电源(市电)的电压和频率无关。

这些电源质量代码与UPS内部技术具有对应关系,备用式UPS的电源质量是VFD,在线互动式UPS的电源质量是VI,双变换式UPS的电源质量是VFI。

表1是UPS电源质量的分类详细说明。

3 双变换式UPS的结构和工作方式

双变换式UPS系统的电源质量最高,对负载提供了最好的保护。是电信和数据中心应用最多的UPS。本文以下部分仅讨论双变换式UPS。

双变换式UPS系统由整流器、逆变器、静态开关和蓄电池(含电池变换器)4个主要部件组成(如图1所示)。

　　图1示出了双变换式UPS的三种工作方式:

①双变换方式:市电供给整流器交流电,整流器供给逆变器直流电。逆变器将直流电逆变为交流,供给负载。UPS在大多数时间内都工作于这个方式,也称为正常方式。

②蓄电池方式:如果市电电源故障或质量下降,不能满足整流器的要求时,整流器不能再为逆变器供电,逆变器由蓄电池供电,继续供给负载交流电。此时,输出电压和频率是独立的。

③旁路方式:当UPS故障或需要进行维护时,静态开关闭合(导通),负载直接由市电电源(旁路电源)供电。

4 经济模式UPS的结构和工作方式

(1)结构

双变换式UPS的唯一缺点是效率较低。为了适应节能的需要,双变换式UPS可以设计和配置为包括IEC62040-3的性能分类多方式双变换式UPS,其中一个运行方式是利用VFD高效率的经济运行方式,即利用市电直接为负载供电。这种UPS称为经济模式双变换UPS,简称经济模式UPS。

经济模式UPS的硬件结构与常规双变换UPS相同,也由整流器、逆变器、静态开关和蓄电池4个功能部件组成。没有增加任何新的元件,所以没有增加系统的复杂性。原有功能元件被用于新的方式中,获得了新性能,增加了新的工作方式。

(2)工作方式

经济模式UPS与常规双变换UPS工作方式的区别是,除了前述三个工作方式外,增加了第四个工作方式,即经济方式(或节能方式)。在经济方式中,静态旁路开关开通,UPS负载由市电直接供电,正如备用UPS(VFD),损耗最小(典型值为1%左右),效率最高。

经济模式UPS组合了双变换UPS(VFI)和单变换UPS(VFD)的优点,获得了很好的效果。每当输入电源(市电)的情况发生变化时,UPS系统就自动进行工作方式的转换。既满足关键负载对电源质量的要求,又达到节能的目的。

如图2所示,当市电的指标在可接受的极限内时,UPS运行于经济方式,采用市电直接为负载供电。因此可获得最高的系统效率。效率的典型值在98%～99%,而双变换式UPS的效率最高为94%左右。这表明采用经济方式,效率可提高4%～5%。

当市电的指标超出预定的指标,但整流器尚能正常运行时,系统转换到双变换方式,通过整流器/逆变器为负载供电,使负载与市电的各种*完全隔离。

当市电电源中断或持续异常,超出整流器所能接受的范围时,UPS就运行于蓄电池方式,利用蓄电池提供的能源,经逆变器继续为负载供电。

当UPS设备本身故障或需要进行维护时,UPS运行于旁路方式,负载经静态开关由市电直接供电。

其中双变换方式和蓄电池方式之间的转换以及双变换方式和旁路方式之间的转换,与常规双变换式UPS完全相同。经济方式和双变换方式之间的转换是经济模式UPS所特有的,这个转换的控制是采用冗余控制装置实现的。例如,在由多个UPS模块组成的并联冗余UPS系统中,每个UPS模块都有其独立的数字信号处理器(DSP),当运行在经济方式时,所有DSP都连续监视市电输入电压和频率、负载电压和频率。如果任何一个DSP检测出欠压或频率变化,即发出向双变换方式转换的命令。这种固有冗余控制电路非常可靠安全。经济方式和双变换方式的转换和返回条件可根据市电情况适当调节,以适应不同站点的具体情况。如果市电情况较差,在规定的时间内出现多次反复转换,UPS将在一段时间内(例如1h)保持在双变换方式。

(3)经济方式与旁路方式的区别

经济方式与旁路方式之间有很大的区别,如图2所示,在经济方式中,整流器和逆变器保持在特殊的“准备好”状态,整流器开机并可为蓄电池充电。逆变器的控制电路正常运行,继续保持与市电电源同步,但是逆变器的功率半导体器件的驱动信号没有接入,因此被关断。因为半导体器件没有进行开关运行,没有流过电流,故不产生损耗。应该指出,在经济方式下,UPS模块的控制电路仍然正常运行也会消耗功率,但功率损耗很小,对系统效率的影响可以忽略。

因为在经济方式中控制电路保持正常运行,当市电质量降低,需要转换到双变换运行方式时,所需要的功率半导体器件的驱动信号可以立即加上。所以,经济模式UPS从经济方式向双变换方式转换(或相反转换)的转换时间非常短。转换过程中对关键负载没有影响。

经济方式是UPS的正常工作方式,而旁路方式是UPS故障时采取的应急供电方式。虽然两者同样是将负载转换到由市电直接供电,逆变器不带负载,不产生损耗,节能效果相同。但是,在旁路方式中整流器和逆变器的主电路和控制电路全部断开。当需要转换回双变换方式时,必须首先加上逆变器的控制电路,待逆变器与旁路电源同步后才能转换,故转换时间较长。

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