摘要：現(xiàn)代先進的UPS都有經(jīng)濟運行方式,具有經(jīng)濟運行方式的UPS稱為“經(jīng)濟模式UPS”。經(jīng)濟模式UPS具有最高的效率和最高的可靠性。采用經(jīng)濟模式UPS是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要措施。文中評價經(jīng)濟模式UPS的性能,闡述經(jīng)濟模式UPS應(yīng)用考慮。

1 引言

UPS是用于關(guān)鍵負載的不間斷電源。在電信和數(shù)據(jù)中心,一般采用雙變換UPS,以滿足可靠性和功能性的要求,雙變換UPS將交流輸入電源進行整流/逆變兩次電力變換,輸出高質(zhì)量交流電,關(guān)鍵負載不會受到市電各種*的影響。但是,兩次電力變換的損耗較大,降低了UPS系統(tǒng)的效率。

隨著IT技術(shù)的發(fā)展和IT設(shè)備功率密度的增加,數(shù)據(jù)中心總功率和UPS的損耗不斷增加,高額的運行費用已成為運營企業(yè)的沉重負擔。為此,對UPS的效率提出了更高的要求。近年來,雖然雙變換UPS的系統(tǒng)滿載效率最高已達94%左右。但UPS系統(tǒng)的損耗仍然十分可觀。例如,在小容量數(shù)據(jù)中心中,假設(shè)負荷功率約為100kW,UPS的功率損耗為6kW,一年損耗的能量為52560kWh。許多現(xiàn)代大型的數(shù)據(jù)中心的負荷還要大得多,UPS的損耗將按比例增加。

此外,為了滿足可維性和故障容限的要求,數(shù)據(jù)中心常常采用并聯(lián)冗余UPS和雙母線UPS。因此,UPS單機的負載率很低。假設(shè)N=1,單機UPS最大負載率,理論上N+1并聯(lián)冗余UPS為50%,2N雙母線系統(tǒng)為50%,2(N+1)雙母線系統(tǒng)為25%。實際上,N+1并聯(lián)冗余UPS的單機UPS的負載率為30%～40%,2N雙母線系統(tǒng)為30%～40%,2(N+1)雙母線系統(tǒng)為15%～20%。在如此低的負載率下,UPS的系統(tǒng)效率將會從滿載時的90%的范圍下降到80%的范圍。

在這種情況下,采取適當措施進一步提高UPS系統(tǒng)的效率是非常必要的。例如,可以采用高效率UPS設(shè)備(無變壓器UPS或模塊化UPS)和高壓直流供電系統(tǒng)等。還可以通過改變UPS的運行策略,采用經(jīng)濟運行方式,節(jié)能效果更佳。具有經(jīng)濟運行方式的UPS稱為“經(jīng)濟模式UPS”。

所謂經(jīng)濟模式UPS,實際上是在市電質(zhì)量很好時,UPS采用市電直接為負載供電。從而獲得最高的供電系統(tǒng)效率,達到節(jié)能的目的。當市電故障或質(zhì)量下降時,UPS轉(zhuǎn)換為雙變換方式,以滿足負載對電能質(zhì)量的要求。經(jīng)濟模式UPS技術(shù)適用于單機UPS、并聯(lián)冗余UPS和雙母線UPS。采用經(jīng)濟模式UPS是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要措施。美國綠色網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(TGG)提出的數(shù)據(jù)中心成熟模型(DCMM)電源部分明確建議采用經(jīng)濟模式UPS。

UPS的經(jīng)濟運行方式還有其他名稱,例如節(jié)能方式、節(jié)能系統(tǒng)(ESS)、高效率方式,VFD方式等,本文采用傳統(tǒng)的術(shù)語“經(jīng)濟方式”(Ecomode)和“經(jīng)濟模式UPS”(Ecomode UPS)。本文闡述經(jīng)濟模式UPS的工作原理和性能,分析經(jīng)濟模式UPS高效率和高可靠性,討論經(jīng)濟模式UPS實施方法和應(yīng)用考慮。

2 UPS系統(tǒng)術(shù)語說明

IEC62040-3規(guī)定了三種UPS內(nèi)部技術(shù)(UPS拓撲),包括備用式UPS(passive stand by UPS)、在線互動式UPS(lineinteractive UPS)、雙變換式UPS(double conversion UPS)。這些UPS具有不同的電源質(zhì)量,可以獲得不同程度的電源保護。

其中雙變換式UPS的輸入/輸出技術(shù)指標都很高,輸出電壓和頻率穩(wěn)定,不受輸入電源電壓和頻率變化的影響。但是負載功率經(jīng)整流-逆變兩次變換,損耗較大,系統(tǒng)效率不高。備用式UPS和在線互動式UPS都屬于單變換UPS,正常時利用市電直接為負載供電,備用式UPS輸出電壓和頻率與輸入電源電壓和頻率相同;在線互動式UPS可以與輸入市電電源互動,穩(wěn)定其輸出電壓,而輸出頻率與輸入電源頻率相同。單變換UPS的突出的優(yōu)點是系統(tǒng)效率很高,特別是備用式UPS,系統(tǒng)效率最高。

按照UPS輸出電壓和頻率對于輸入電源電壓和頻率的依賴性,IEC62040-3還規(guī)定了UPS性能分類代碼,包括電源質(zhì)量、輸出波形和輸出瞬態(tài)特性的分類代碼。其中UPS電源質(zhì)量分為三類,分別用三個字符或兩個字符表示,即VFD,VI和VFI。

VFD表示UPS的輸出電壓和頻率取決于輸入電源(市電)的電壓和頻率變化。

VI表示UPS的輸出電壓與輸入電源(市電)無關(guān),輸出頻率取決于輸入電源(市電)的頻率變化。

VFI表示UPS的輸出電壓和頻率與輸入電源(市電)的電壓和頻率無關(guān)。

這些電源質(zhì)量代碼與UPS內(nèi)部技術(shù)具有對應(yīng)關(guān)系,備用式UPS的電源質(zhì)量是VFD,在線互動式UPS的電源質(zhì)量是VI,雙變換式UPS的電源質(zhì)量是VFI。

表1是UPS電源質(zhì)量的分類詳細說明。

3 雙變換式UPS的結(jié)構(gòu)和工作方式

雙變換式UPS系統(tǒng)的電源質(zhì)量最高,對負載提供了最好的保護。是電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最多的UPS。本文以下部分僅討論雙變換式UPS。

雙變換式UPS系統(tǒng)由整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)和蓄電池(含電池變換器)4個主要部件組成(如圖1所示)。

　　圖1示出了雙變換式UPS的三種工作方式:

①雙變換方式:市電供給整流器交流電,整流器供給逆變器直流電。逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣?供給負載。UPS在大多數(shù)時間內(nèi)都工作于這個方式,也稱為正常方式。

②蓄電池方式:如果市電電源故障或質(zhì)量下降,不能滿足整流器的要求時,整流器不能再為逆變器供電,逆變器由蓄電池供電,繼續(xù)供給負載交流電。此時,輸出電壓和頻率是獨立的。

③旁路方式:當UPS故障或需要進行維護時,靜態(tài)開關(guān)閉合(導(dǎo)通),負載直接由市電電源(旁路電源)供電。

4 經(jīng)濟模式UPS的結(jié)構(gòu)和工作方式

(1)結(jié)構(gòu)

雙變換式UPS的唯一缺點是效率較低。為了適應(yīng)節(jié)能的需要,雙變換式UPS可以設(shè)計和配置為包括IEC62040-3的性能分類多方式雙變換式UPS,其中一個運行方式是利用VFD高效率的經(jīng)濟運行方式,即利用市電直接為負載供電。這種UPS稱為經(jīng)濟模式雙變換UPS,簡稱經(jīng)濟模式UPS。

經(jīng)濟模式UPS的硬件結(jié)構(gòu)與常規(guī)雙變換UPS相同,也由整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)和蓄電池4個功能部件組成。沒有增加任何新的元件,所以沒有增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。原有功能元件被用于新的方式中,獲得了新性能,增加了新的工作方式。

(2)工作方式

經(jīng)濟模式UPS與常規(guī)雙變換UPS工作方式的區(qū)別是,除了前述三個工作方式外,增加了第四個工作方式,即經(jīng)濟方式(或節(jié)能方式)。在經(jīng)濟方式中,靜態(tài)旁路開關(guān)開通,UPS負載由市電直接供電,正如備用UPS(VFD),損耗最小(典型值為1%左右),效率最高。

經(jīng)濟模式UPS組合了雙變換UPS(VFI)和單變換UPS(VFD)的優(yōu)點,獲得了很好的效果。每當輸入電源(市電)的情況發(fā)生變化時,UPS系統(tǒng)就自動進行工作方式的轉(zhuǎn)換。既滿足關(guān)鍵負載對電源質(zhì)量的要求,又達到節(jié)能的目的。

如圖2所示,當市電的指標在可接受的極限內(nèi)時,UPS運行于經(jīng)濟方式,采用市電直接為負載供電。因此可獲得最高的系統(tǒng)效率。效率的典型值在98%～99%,而雙變換式UPS的效率最高為94%左右。這表明采用經(jīng)濟方式,效率可提高4%～5%。

當市電的指標超出預(yù)定的指標,但整流器尚能正常運行時,系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到雙變換方式,通過整流器/逆變器為負載供電,使負載與市電的各種*完全隔離。

當市電電源中斷或持續(xù)異常,超出整流器所能接受的范圍時,UPS就運行于蓄電池方式,利用蓄電池提供的能源,經(jīng)逆變器繼續(xù)為負載供電。

當UPS設(shè)備本身故障或需要進行維護時,UPS運行于旁路方式,負載經(jīng)靜態(tài)開關(guān)由市電直接供電。

其中雙變換方式和蓄電池方式之間的轉(zhuǎn)換以及雙變換方式和旁路方式之間的轉(zhuǎn)換,與常規(guī)雙變換式UPS完全相同。經(jīng)濟方式和雙變換方式之間的轉(zhuǎn)換是經(jīng)濟模式UPS所特有的,這個轉(zhuǎn)換的控制是采用冗余控制裝置實現(xiàn)的。例如,在由多個UPS模塊組成的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)中,每個UPS模塊都有其獨立的數(shù)字信號處理器(DSP),當運行在經(jīng)濟方式時,所有DSP都連續(xù)監(jiān)視市電輸入電壓和頻率、負載電壓和頻率。如果任何一個DSP檢測出欠壓或頻率變化,即發(fā)出向雙變換方式轉(zhuǎn)換的命令。這種固有冗余控制電路非常可靠安全。經(jīng)濟方式和雙變換方式的轉(zhuǎn)換和返回條件可根據(jù)市電情況適當調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同站點的具體情況。如果市電情況較差,在規(guī)定的時間內(nèi)出現(xiàn)多次反復(fù)轉(zhuǎn)換,UPS將在一段時間內(nèi)(例如1h)保持在雙變換方式。

(3)經(jīng)濟方式與旁路方式的區(qū)別

經(jīng)濟方式與旁路方式之間有很大的區(qū)別,如圖2所示,在經(jīng)濟方式中,整流器和逆變器保持在特殊的“準備好”狀態(tài),整流器開機并可為蓄電池充電。逆變器的控制電路正常運行,繼續(xù)保持與市電電源同步,但是逆變器的功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動信號沒有接入,因此被關(guān)斷。因為半導(dǎo)體器件沒有進行開關(guān)運行,沒有流過電流,故不產(chǎn)生損耗。應(yīng)該指出,在經(jīng)濟方式下,UPS模塊的控制電路仍然正常運行也會消耗功率,但功率損耗很小,對系統(tǒng)效率的影響可以忽略。

因為在經(jīng)濟方式中控制電路保持正常運行,當市電質(zhì)量降低,需要轉(zhuǎn)換到雙變換運行方式時,所需要的功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動信號可以立即加上。所以,經(jīng)濟模式UPS從經(jīng)濟方式向雙變換方式轉(zhuǎn)換(或相反轉(zhuǎn)換)的轉(zhuǎn)換時間非常短。轉(zhuǎn)換過程中對關(guān)鍵負載沒有影響。

經(jīng)濟方式是UPS的正常工作方式,而旁路方式是UPS故障時采取的應(yīng)急供電方式。雖然兩者同樣是將負載轉(zhuǎn)換到由市電直接供電,逆變器不帶負載,不產(chǎn)生損耗,節(jié)能效果相同。但是,在旁路方式中整流器和逆變器的主電路和控制電路全部斷開。當需要轉(zhuǎn)換回雙變換方式時,必須首先加上逆變器的控制電路,待逆變器與旁路電源同步后才能轉(zhuǎn)換,故轉(zhuǎn)換時間較長。