摘要：介紹了目前UPS節能的意義，及目前常見的UPS綠色節能技術應用。主要包括UPS、電池等方面的節能技術，包括UPS供電方案規劃、UPS節能技術、諧波治理方案、共用電池組方案、智能電池管理、智能配電等。
關鍵詞：UPS；節能；高效率；低諧波；共用電池組；智能電池管理方案
一、 概述
隨著經濟的飛速發展和企業對互聯網認識的不斷加深，數據中心在近幾年迅速紅火起來。但隨之而來的就是日益龐大的電費開銷。如下圖所示，一個數據中心在建設中的投資比例，其中電氣、電源、制冷總和占了一半以上的投資，其中光電氣方面投資就高達26%，高額的電能消耗使得整個數據中心運行成本居高不下，數據中心面臨 “建得起卻用不起”的尷尬境地。根據近期IDC以及Gartner的預測報告中都提到：到2010年，企業平均每年在用電成本上的花費將大于它當年在硬件設備上的投資額。目前，國際能源供應日趨緊張，不僅各種原材料價格上漲，電力價格也在逐步上漲，這將加劇數據中心的電費支出。
如何降低數據中心的運營成本成了各企業CIO關注的問題，電都消耗到哪里去了？顯而易見是機房內林林總總的IT設備--服務器、終端、網路設備及制冷系統所消耗，節能至上而下可以從主要幾方面入手。首先是機房環境的節能，包括制冷環境、供電環境；其次是從IT硬件設備節能，減少IT設備的能耗；最后是IT設備內部各集成電路的節能，比如CPU的節能等。UPS處于交流供電環節的最重要一環，幾乎機房所有的IT設備均必需由UPS供電，大型數據中心的UPS裝機總容量均已經達到百萬伏安級。提高運行時的能效勢在必行。目前UPS的節能必需從方案、UPS、電池、配電等方面全方位進行。
二、 柔性規劃
按需擴容一般數據中心都不是一步到位，都會考慮今后未來幾年的需求，但是UPS一般都是一步到位，一次上了幾套大功率的UPS并機，結果初期負載只有10~20%，沒等帶到規劃的負載就進入了設備淘汰期，不僅造成投資的浪費，而且也無法使UPS運行在較高的效率點，造成電能的浪費。如何避免這種情況的發生，從UPS系統角度考慮，應該包括：
a) 供電方案設計
目前UPS供電方案主要有分散供電、集中供電兩種。分散供電的特點是一臺UPS為一臺或多臺設備供電，整個機房由很多套這樣系統構成。分散供電的好處是分散風險，不會因為一臺UPS供電異常造成大面積停電。缺點是UPS分散，不便管理，而且布線不易規劃。另一種是采用集中供電方案，由一套大功率的UPS系統，直接對機房的所有負載供電。集中供電的好處是便于規劃、管理方便，維護方便。缺點是如果UPS系統異常，容易引起大面積停電事故，此缺點可以通過采用各種并聯構架來避免。所以上面兩種方案各有優缺點，目前的數據中心一般采用集中供電方案，也集中的供電的風險。由于UPS并機數量有限制，而且當UPS系統并機數量超過4臺時，其可靠性并不比單機系統高多少。當機房UPS裝機總容量超過一定限度時 ，建議將機房按幾期規劃成幾個區域進行供電。規劃時可以參考：單機容量不宜超過400KVA，并機數量不宜超過3臺。
b) UPS在線并機擴容功能
機房UPS容量規劃，也可以根據不同時期的負載容量要求，采用逐步擴容的方案，使投資方案更經濟，同時也能使UPS工作于較佳的功率點。目前的中、大功率段的UPS均已經具備冗余并機功能，不僅提高了系統的可靠性，同時也對機房擴容提供了條件。只要規劃時在UPS前后配電箱預留足額空開，并在機房規劃相應空間，即可實現UPS并機擴容功能。關鍵是并機的過程處理，多數品牌并機時需要對UPS電路或者進行修正，此時必然要求UPS必需工作在維修旁路狀態，UPS由市電直接帶載，如果此時市電波動較大甚至停電，將造成系統的大面積癱瘓。所以并機擴容必須具備在線并機功能，即UPS并機擴容時，只需將新增UPS軟件修改至與原UPS系統一致后，在不關閉原有UPS系統的情況下，直接將新增UPS并入原有系統即可，擴容前后UPS均工作于在線模式下，避免因為切換至旁路供電的高分風險動作。
c) 采用模塊化UPS，實現逐步擴容
目前，模塊化UPS已經開始在國內應用，模塊化UPS特點主要包括：可擴容、平均故障修復時間（MTTR）短、可經濟實現N+X冗余。以臺達C系列UPS為例，每個模塊為20KVA整個系統最大可擴容至160KVA ，可以根據機房的實際容量需求，逐步擴容，只要在機房初期規劃好配電容量即可。同時實現N+X冗余的也比較劃算，以60KVA要實現N+1冗余為例，傳統方案必需擴容一臺60KVA UPS，而采用模塊化UPS，則只需擴容一個20KVA的模塊即可，節省大筆資金的投入。
三、 提高UPS自身能效，優化負載效率曲線
目前UPS均為在線式雙變換構架，其在工作時整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個容量為400KVA的UPS為例，每度電按0.95元計算，UPS效率每提高1%，一年節省的電費為（400KVA×0.8）×0.01×24×365×0.95=26630.4元。所以如何提高UPS的工作能效，可以為一個數據中心節省一大筆電費。所以提高UPS效率是降低整個機房能耗的最直接方法。所以采購UPS，盡量采購效率更高的UPS。當然UPS效率高不僅僅要是滿載效率高，同時也必需具備一個較高的效率曲線，特別是在1+1并機系統時，根據系統規劃，每臺UPS容量不得大于50%，如果此次效率僅為90%以下，就算滿載效率達到95%以上，也是沒有意義的，所以要求UPS必需采用一下措施優化效率虛線，使UPS效率在較低負載時能達到較高的效率。以臺達C系列20KVA UPS為例，其滿載功率為2OKVA/18KW，從下圖我們可以看到，其負載在2KW以下時已經高于90%,從6KW到18KW就已經能夠滿足95%的高整機效率。
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經濟運行模式。其原理是在較好的市電環境時，激活此功能，使UPS由靜態旁路直接供電，此時逆變器處于待機狀態，正常工作，但不輸出能量，一旦市電異常，UPS立即切換到逆變器供電狀態，切換時間一般在1ms以內，具體參考下圖，藍色為輸入電流波形，黃色為輸出電壓波形。由于此時的逆變器處于待機狀態，所以自身損耗很小，此時UPS的整機效率可以達到97%以上，比正常模式節省3%以上的功率。
使用ECO模式必需具備以下條件：
a) 靜態旁路必需采用兩組高可靠SCR晶體管，不得采用接觸器加SCR晶體管的組合，因為接觸器吸合時，接觸點會打火，一般工作數百次之后就不能正常工作了。而SCR晶體管則不存在此問題，同時可以縮短切換時間。
b) 建議使用在較好的電力環境下，比如一級供電單位等。
四、 降低輸入電流諧波、提高功率因數
諧波產生的根本原因是由于電力線路呈一定阻抗, 等效為電阻、電感和電容構成的無源網絡, 由于非線性負載產生的非正弦電流, 造成電路中電流和電壓畸變, 稱為諧波。諧波的危害包括：引起電氣組件附加損耗和發熱(如電容、變壓器、電機等)；電氣組件溫升高、效率低、加速絕緣老化、降低使用壽命；干擾設備正常工作；無功功率因素加大, 電力設備有功容量降低(如變壓器、電纜、配電設備)；供電效率低；出現諧振, 特別是油機發電時更嚴重；空開跳閘、熔絲熔斷、設備無故損壞。UPS對于電網而言是一個非線性的負載，其在工作的時候會產生大量的諧波。以配置6脈沖整流器的UPS為例，其輸入功率因數一般為0.75左右，諧波大于30%。降低UPS工作諧波的主要方法有：
a) 采用12脈沖整流器。其原理是在原有6脈沖整流器基礎上，在輸入增加一個移相變壓器和6脈沖整流器。采用該技術方案后，可以將諧波降低至10%左右。優點是較為簡單，諧波改善明顯，缺點是對功率因數改善有限，價格略高。
b) 采用無源濾波器。采用LC濾波電路原理，對UPS產生的諧波進行濾除，并對功率因數進行補償。優點是技術簡單，成本較低，缺點是只能補償特點階次的諧波，同時受負載阻抗影響較大，無法全功率段適用。
c) 采用有源濾波器。原理是利用可控的功率半導體器件向電網注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。優點是可以補償多個階次的諧波，且不受負載阻抗大小影響。缺點是購置成本較高。
d) 采用高頻IGBT整流及PFC功率因數校正電路設計整流器。原理是采用高頻率PWM控制IGBT導通，對輸入電壓波形進行分割，使輸入電流波形盡量接近正弦波，并對輸入電壓和電流相位差進行補償。優點是體積輕，價格便宜，效果好。缺點是技術結構復雜，不易維護，受功率器件影響，目前容量大小受到限制。
上述幾種技術，性能及投資對比如下，可以根據實際需求選擇合適的方案
| 方案 | 輸入電流諧波 THD I | 功率因數 PF | 投資 |
| 6脈沖整流器 | 30% | 0.75 | 低 |
| 12脈沖整流器 | 10% | 0.8 | 高 |
| 6脈沖整流器+無源濾波器 | 10% | 0.9 | |
| 12脈沖整流器+無源濾波器 | 5% | 0.95 | 高 |
| 6脈沖整流器+有源濾波器 | 5% | 0.95 | 高 |
| IGBT整流器 | 5% | 0.95 | 低 |
五、 電池管及配電管理技術
UPS都配備了電池，往往用戶在電池組上的投資往往占整個UPS系統投資很大比例，甚至超過UPS本身的投資，而電池的使用年限明顯低于UPS主機的年限。由于電池主要材料是重金屬鉛、硫酸和不易分解的塑料，都會對環境造成嚴重的污染。因此減少電池使用數量，延長電池循環使用壽命，不僅是節省直接和間接的電池投資，而且減少整個機房對社會環境的污染。所以UPS可以通過以下幾個技術實現電池的節能。
a) 并機共用電池組功能。共用電池組原理是通過特殊的整流器控制及故障隔離技術，使并機系統中的兩臺或多臺UPS的整流同步、母線均流，使系統中的各臺UPS母線可直接并聯，然后將滿足系統后備時間要求的電池并聯后接入并聯母線系統中，實現電池的共享，減少電池投資。以1+1為例，傳統的UPS方案，系統后備1小時，考慮其中一臺UPS故障時，UPS2的電池不能為UPS1使用，所以UPS1和UPS2必需各配置1套1小時的電池組，才能保障系統在斷電后還能備用1小時。采用共用電池組方案后，因為UPS1故障后，系統中的電池仍能為UPS2提供能量，所以整個系統僅需配置1套1小時電池即可。不僅節省了電池直接投資，同時也節約機房在空間、承重及空調等方面的投資，也降低了對環境的污染。
b) 智能電池管理技術。影響電池壽命的因素有很多，主要包括溫度、充電、放電、循環次數等。如果能夠對上述幾個因素進行合適的處理，可以大大延時電池是使用壽命，延長電池更換周期，節約電池投資。UPS的智能電池管理技術主要包括，電池均浮充管理（均浮充控制）、充電溫度補償、智能放電截止電壓控制，除此之外還應具備電池定期自動檢測和電池漏液檢測功能。另外還可以選擇輸入電壓范圍較寬的UPS，減少電池放電次數。通過上述幾種技術，可大幅度延長電池壽命2~3年。
c) 智能UPS配電管理技術。原理是通過偵測UPS電池電壓或者設備供電時間，實現對機房中不同等級負載的多次下電保護功能，減少電池投資、提高電池使用率。智能UPS配管理技術主要有兩種方案，包括軟件實現方式及硬件實現方式。以臺達UPS為例，其軟件方式是在UPS監控網絡中，在負載服務器安裝Delta Shutdown Agent關機代理程序，當市電異常并滿足電池電壓或者定時條件時，關機代理會自動保存系統程序，然后關閉服務器。
硬件方式UPS輸出配置一個智能配電屏，通過PLC偵測UPS電池電壓或定時要求，當滿足上述條件時，智能配電屏根據設定分時關斷某路輸出。目前此方案已經在國內多條地鐵的UPS供電系統中實現應用。
六、 結束語
數據中心節能必需從上至下，或者從基礎設施到核心設備全方位抓起，UPS是整個交流供電環節的核心所在，做好UPS的節能不僅可以節約大筆的設備投資和維護費用，同時也大幅降低了后期的運行成本。當然，UPS節能需要用戶和廠家共同推進，目前UPS廠家已經紛紛推出了各自的產品或方案，客戶只需量身規劃即可。
來源：作者：中達電通股份有限公司 鄭龍藝
http:www.mangadaku.com/news/2008-11/2008111084631.html
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