绿色UPS供电系统的三大要素

溯高美索克曼电气公司  张成

 

    在巨大的市场需求驱动下，数据中心的建设正以从所未有的速度蓬勃发展，而能源消耗的增加和能源价格的上升，则是目前所有数据中心运营必须面临的挑战。作为数据中心的基础能源设施，UPS供电系统的正确选择，对构建一个绿色数据中心起着至关重要的作用。

1 输入功率因数
    输入功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，是衡量电气设备利用率高低的一个指标。UPS的输入功率因数的表达式为：

                                         
    可以看到，UPS输入功率因数是畸变因子和相移因子的乘积。因此，输入功率因数的改善往往与输入谐波畸变的治理同时进行。

1.1 高输入功率因数意味着什么？
    UPS对于负载来说是电源设备，但从于电网侧来看，UPS则是电网的一个负载，其输入功率因数的高低会对上游变压器、柴油发电机、保护开关、输入电缆的选型造成直接影响。
    表1为输入功率因数分别为0.8和0.95，效率同为94%的两台400kVA UPS，为同样320kW负载供电时的输入电流计算对比：
    表1

    由表1对比结果可见：输入功率因数的提高，降低了供电线路中的电流，减小了供电系统中电气设备，如变压器、保护装置、导线等的容量，因此不但降低了系统的无功损耗，而且减少了设备的投资费用，节约了电力资源。

1.2 影响UPS输入功率因数的主要因素
    一台UPS的输入功率因数取决于其所采用的整流技术，不同的整流技术体现出不同的输入功率因数，而且其特性也不尽相同。
    目前UPS的整流技术大体上可以分为两种：一种是IGBT高频整流，另一种是可控硅工频整流。
    IGBT整流通过高频调制可以准确跟踪输入电压、电流的波形和相位，因而具有非常好的输入特性。通常输入功率因数为0.99，输入电流谐波畸变（THDi）<3%，而且输入特性在各种工况下变化很小。
    可控硅整流属于工频整流，如6脉冲整流和12脉冲整流，其输入特性随着工况的不同会有较大的改变。主要的影响表现在两个方面：
    (1) 负载率对输入功率因数的影响
    负载率越高输入功率因数越高。下面是一台6脉冲UPS和一台12脉冲整流UPS在不同负载率下的输入功率因数的比较，如表2、表3所示。
    表2、6脉冲整流

    表3、12脉冲整流

    (2) 电池回充对输入功率因数的影响
    可控硅整流时，输入功率因数的相移因子cosФ与整流后的直流电压与输入交流电压的比值成正比。表达式为：当直流母线电压较高时，UPS输入功率因数也比较高；当直流母线电压较低时，UPS输入功率因数就比较低。电池回充时，因放电后电池组端电压很低，UPS必须调低其直流母线的电压，以便将电池充电电流控制在允许的范围之内，其结果是致使UPS输入功率因数下降非常多。而电池回充时，UPS输入功率是负载功率和电池充电功率的总和，是UPS输入功率最大的时候。这将直接影响UPS上游配电设备的选型。

    综上所述，考核一台UPS输入功率因数的优劣，应该关注两个方面：

    1. 常用负载率下的功率因数。如60%~80%负载率时的功率因数，比100%负载率时的功率因数更具有参考价值。

    2. 如果UPS采用可控硅整流，电池回充时的功率因数是上游变送电及保护设备的重要选型参数。

2 输入电流谐波畸变
    谐波产生的根本原因是非线性负荷从电网吸收非正弦电流，结果使其波形产生畸变。谐波是电力系统的噪声污染，除造成系统干扰外，也对 系统的节能降耗造成很大影响。如：谐波电流不仅被线缆阻抗吸收造成电能损失，而且高频率的谐波加重线缆的集肤效应，进而使铜损增加；严重时会使温度升高，造成导线绝缘损坏。在有谐波的电网中，高次谐波电流直接返馈给发电机，在发电机的绕组中引起感应电流，使之发热产生损耗，导致输出功率降低。同时谐波电流造成设备自身和电网的附加无功电能，影响设备运行及寿命。
    目前采用的UPS输入谐波抑制技术有：无源滤波，有源滤波，12脉冲整流，IGBT整流技术等。每种滤波技术各有其特点：
    (1) 无源滤波：是采用电感和电容组成谐振滤波器吸收某些特定的谐波电流。常用的有5、7次谐振滤波器，5、7、11、13次谐振滤波器等。其优点是简单、控制方式较易实现，成本低，技术成熟。缺点是只能抑制固定频率的谐波，其滤波特性受系统阻抗和负载率影响；易与系统发生并联谐振导致谐波放大而使LC滤波器因过载而烧毁。

    (2) 有源滤波：有源滤波是应用电流反馈技术使输入端电流波形跟踪交流输入电压波形，由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使抑制电网中的谐波电流含量。它的主要优点是：可动态跟踪负载并滤除系统中的谐波；不会给系统带来谐振；可补偿各次谐波，滤波范围大。其缺点是自身会消耗3~5%的系统能量。

    (3) 12脉冲整流：是采用移相变压器组成6脉冲倍数的整流器，减少谐波电流总量。其优点是：无需滤波电容，对备用发电机的调节无影响。最新技术的12脉冲整流技术可以将谐波电流抑制至4.5%。缺点是：输入功率因数比有源滤波技术稍低，只能达到0.93左右。
    (4) 12脉冲+11次滤波，也是目前较为流行的一种配置方法，可以将功率因数提高至0.95左右。但同时也增加了滤波电容这一故障易发点。

    (5)IGBT整流：IGBT数字化整流将整流与功率因数校正功能相结合，利用IGBT的优良特性，通过DSP控制技术，达到输入电压、电流完全同相位正弦化，从而达到消除谐波的目的。其优点是：体积、重量小；输入功率因数接近1；总谐波含量小于3%，整机效率高。缺点是：器件要求较高；控制技术复杂。
    表4是目前UPS通过各种治理方式可达到的治理效果：
    表4

    谐波治理中应该关注的两个问题是：
    (1) 系统谐波治理与系统效率的平衡问题。滤波装置的加入不可避免地带来效率的损失，如一台UPS增加了无源滤波器后，其效率下降约0.5-1%左右，增加有源滤波器后效率下降约3-5%。因此，有必要考虑增加滤波器后，谐波抑制带来的益处是否可以补偿UPS效率下降的后果。对低谐波畸变的过度片面追求可能最终造成资源的浪费。

  （2） THDi指标的正确使用。通常UPS厂家给出的THDi指标是在满载时得到的，UPS的输入电流谐波畸变会随负载率的减少而增加。表5是一台UPS输入电流谐波畸变的实测数据：
    表5

    基于表5的检测结果，我们可能会问：一个要求输入谐波电流畸变小于5%的UPS系统，当负载率为30%时，是否能够正常工作？谐波电流畸变是否超出了限制？
    对这个问题的正确回答，必须要理解的一个概念是：对于一个电源系统来说，UPS谐波电流是否满足系统的要求，取决于其最大谐波电流的绝对值，而不是相对值。
    以表5为例： 满载时，谐波电流总量为4.5% x 100% x In = 4.5%In；30%负载时，谐波电流总量为9.8% x 30% x In =2.94%In 。
    可见，30%负载时，虽然THDi为9.8%，大于满载时的4.5%，但其绝对谐波电流值为2.94%In，远远小于满载时的4.5%In的绝对谐波电流值。显然，一个在4.5%In谐波电流下可以正常工作的供电系统，完全可以在2.94In谐波电流的情况下正常运行。
    因此，在关注不同负载率下的THDi的百分比的同时，也应该关注不同负载率下谐波电流的绝对值。如上述UPS系统，要求满载时THDi<5%是合理的；但如果同时要求在30%负载时，THDi也小于5%，则是不科学、不合理的。

3 效率
    UPS是常年不间断运行设备，因此，UPS的整机效率是最直接的节能因素。效率每提高一个百分点，每年运行下来的节能效果就非常客观。
    以一台400kVA UPS运行一年为例：
    若UPS系统效率为0.94，每年耗电量：400kVA x 0.9（负载功率因数）x 24（小时） x 365（天）/ 0.94 = 3504000kWh 。
    若UPS系统效率为0.93，每年耗电量：400kVA x 0.9（负载功率因数）x 24（小时） x 365（天）/ 0.93 = 3541677kWh 。
    效率每提高1%，UPS每年节电：3541677 – 350400 = 37677kWh。
    同时，若以3：1的能效比来考虑，空调系统会因此节电37677/3=12559kWh

    UPS效率应关注的几方面因素：
    (1)UPS效率是负载率的函数

    由图1可见，UPS的效率与UPS的负载率紧密相关。负载率在50%~75%时，可获得最高的系统效率；在负载率低于40%时，UPS的效率有较大的下降。因此，根据实际负载的大小，合理选择UPS的容量是UPS电源系统节能的首要工作。

    (2)关注系统效率
    UPS电源系统效率，不仅仅指UPS主机本身的效率，还应该包括其辅助设备，例如为抑制谐波而增加的输入滤波装置，为形成独立的供电系统而增加的隔离变压器等。而这些辅助设备均有能耗，应计入系统效率。

    市面上的各种UPS，由于拓扑结构不同或采用的技术不同，在配置上有很大的差别。如采用IGBT整流的UPS，无需增加任何滤波装置，即可满足系统对功率因数和谐波电流畸变的要求。而6脉冲整流的UPS必须增加有源或无源滤波器，才能满足系统的要求。因此，不能片面地比较这两台UPS本机的效率，而应该将滤波器对效率的影响计入后进行比较。同理，在系统需要隔离时，应该将高频机（无输出变压器）的效率减去变压器的能耗后，再与工频机（有输出变压器）的效率比较。

    (3)UPS系统节能管理功能
    除了UPS电源本身的效率外，另外一个影响UPS系统运行效率的因素是：UPS是否具有节能管理功能。
    增加系统的冗余度，可提高系统可靠性；而冗余度的加大使系统的负载率下降，从而导致ＵＰＳ系统效率的下降。表6是不同可靠性等级下，UPS系统的运行效率：
    表6

    可见，目前大型数据系统普遍采用的Tier 4 双总线3+1或4+1系统效率下降严重，是亟待解决的问题。
    最为行之有效的解决方案是采用UPS休眠功能，类似的功能已经在通讯电源中成功应用多年。具有休眠功能的UPS系统，可以根据负载的大小，自动调节系统中UPS运行的数量，在保证可靠性的前提下，让多余的UPS进入休眠状态，从而提高系统的负载率，达到提升系统运行效率的目的。
    例如：一套按照TIER 4 标准设计，采用（4+1）500kVA UPS并联的双总线系统。
    整个系统合理负载量为（60%~80%）X 2000kVA, 按较大负载量80%计算，系统负载量为1600kVA。则正常运行时，每个单系统的负载量为800kVA。
    此时，每个单系统实际运行在2+3冗余模式下。
    单系统负载率为：800kVA/5x500kVA = 32%；
    此时UPS效率约为90%；
    系统总损耗为：1600kVA * 0.9（负载功率因数）* （1-90%）= 144kW。

    启动休眠功能：每个单系统中两台UPS进入休眠，单系统成为2+1。可靠性符合设计要求。
    此时，单系统负载率为：800kVA/3x500kVA = 53%；
    此时UPS效率为93.5%；
    总损耗为：1600kVA * 0.9（负载功率因数）* （1-93.5%）= 93.6 kW。

    同比节能31%。
4 结束语：
    绿色UPS意味着：节能，环境污染小，占地面积小，投资节省，运行费用低。其中UPS的输入功率因数、输入电流谐波畸变、运行效率，做为关键的“绿色”指标，更应在UPS及其系统选择时予以正确理解和慎重选择。