從UPS入手四招戰(zhàn)敗三大僵尸

如果把“高能耗”、“高成本”和“碳排放”比作綠色數(shù)據(jù)中心的三大“僵尸”，那么能打敗這些恐怖“僵尸”的“植物”是什么呢？答案很明顯，當然是數(shù)據(jù)中心的那些綠色節(jié)能的手段。綠色數(shù)據(jù)中心（Green Data Center）的內涵是十分豐富的，它是指數(shù)據(jù)機房中的IT系統(tǒng)、機械、照明和電氣等能取得最大化的能源效率和最小化的環(huán)境影響。

那么對于用戶來說，到底哪些技術和產(chǎn)品可以實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的構建？建設綠色數(shù)據(jù)中心時面臨的主要障礙是什么？用戶又會為哪些綠色節(jié)能的技術和產(chǎn)品買單呢？將為您梳理各個領域綠色節(jié)能技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并為您推薦實現(xiàn)綠色節(jié)能的產(chǎn)品和技術。

本文介紹了UPS（Uninterrupted Power Supply，不間斷電源）相關的綠色節(jié)能技術和手段。目的是幫助企業(yè)用戶取得最大化的能源效率和最小化的環(huán)境影響，戰(zhàn)敗數(shù)據(jù)中心的三大“僵尸”，打造一個綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。

優(yōu)化UPS負載效率曲線 降低能源損耗

一般我們使用的電力都是交流電，要將交流電轉換至直流電供給服務器內部各零組件使用。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(jié)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(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費。同時，提高UPS效率是降低整個機房能耗的最直接方法。

因此，采購UPS應盡量采購效率更高的UPS.當然，UPS的高效率不僅僅是滿載效率高，而是需要一個較高的效率曲線，特別是在1+1并機系統(tǒng)時，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)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必需采用具體措施優(yōu)化效率曲線，使UPS效率在較低負載時就能達到較高的效率。?

所謂諧波就是由于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(wǎng)絡， 由于非線性負載產(chǎn)生的非正弦電流，造成電路中電流和電壓畸變。在UPS行業(yè)，我們稱高輸入功率因數(shù)和低輸入電流諧波的機型為綠色電源

諧波的危害包括：引起電氣組件附加損耗和發(fā)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(xiàn)諧振，特別是油機發(fā)電時更嚴重；空開跳閘、熔絲熔斷、設備無故損壞。UPS對于電網(wǎng)而言是一個非線性的負載，其在工作的時候會產(chǎn)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(shù)一般為0.75左右，諧波大于30%.

目前大型UPS輸進諧波電流抑制共有4種方案：

方案1：采用6脈沖UPS+有源諧波濾波器，輸進電流諧波5%（額定負載），輸進功率因數(shù)0.95.這種配置，固然輸進指標非常好，但是技術仍不成熟，存在誤補償、過補償?shù)阮}目，導致主輸進開關誤跳閘或損壞等現(xiàn)象。

方案2：采用6脈沖UPS+5次諧波濾波器，假如UPS整流裝置為三相全控橋6脈整流器，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近25-33%加5次諧波濾波器后減小到10%以下，輸進功率因數(shù)0.9，可局部減小諧波電流對電網(wǎng)的危害。這種配置，輸進電流諧波仍然偏大，對發(fā)電機容量配比要求為1：2以上，并存在導致發(fā)電機輸出異常升高的隱患。

方案3：采用移相變壓器+6脈沖整流器的假12脈沖方案，其組成由2臺6脈沖整流器ups拼湊成：一臺標準的6脈沖整流器和一臺移相30度變壓器+6脈沖整流器。所構成的假12脈沖整流器UPS.表面看起來滿載輸進電流諧波為10%，這種配置存在嚴重單點故障，當一臺UPS故障時，系統(tǒng)輸進諧波電流急劇增大，嚴重危害供電系統(tǒng)的安全。

方案4：采用12脈沖UPS+11次諧波濾波器，假如UPS整流裝置為三相全控橋12脈沖整流器，加11次諧波濾波器后減小到4.5%以下，可基本完全消除諧波電流含量對電網(wǎng)的危害，價格相對有源濾波器要便宜得多。采用12脈沖UPS+11次諧波濾波器，輸進電流諧波為4.5%（額定負載），輸進功率因數(shù)0.95.這種配置，為UPS行業(yè)最成熟最可靠的解決方案，對發(fā)電機容量要求為1：1.4.

上述幾種技術，性能及投資對比如表1所示，可以根據(jù)實際需求選擇合適的方案：?

在選購UPS時，我們還需要關注UPS的工作模式。巧妙利用一些工作模式，能幫助我們輕松實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

1、具備自老化模式的三相大功率UPS節(jié)能技術

傳統(tǒng)的UPS老化工藝：UPS的輸入端接市電，輸出端接阻性負載，使UPS的負載率在95%-100%之間，持續(xù)通電24小時后斷開市電。該老化工藝造成的結果是大量的電能被轉變?yōu)闊o法回收的熱能。

具備自老化模式的UPS工作模式：老化時不需要負載，將UPS的輸出直接接在電網(wǎng)上，控制UPS的逆變器進入電流源模式，其輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，打開旁路，控制逆變器的負載率在90%左右，從而使用了大約10%左右的能耗，直接節(jié)約電能90%左右，達到了節(jié)能降耗的目的。

一般的老化實驗是將UPS直接與阻性負載連接進行老化，這樣存在很大的耗能問題。另一種方法是將UPS接到電子負載上，電子負載模擬實際負載吸收電能再將此電能回饋到電網(wǎng)上，此方法大大減輕了電能的損耗，但本質上還是存在兩個損耗點，一是UPS本身的損耗，另一個是電子負載的損耗，而自老化不需要接到電子負載上，不存在電子負載的損耗，相比之下更能節(jié)電。

自老化模式既不需要接阻性負載，也不需要接電子負載，UPS上電后只要通過監(jiān)控設置即可讓其自行老化。自老化運行的原理是：傳統(tǒng)的UPS運行時，市電通過整流PFC將交流電能轉換成直流電，再將直流電通過逆變電壓源轉換成電壓頻率均穩(wěn)定的交流電能進行供電，而系統(tǒng)設置成自老化后，整流PFC模塊部分仍然執(zhí)行交流向直流母線的供電，而逆變部分則不同，逆變由通用模式下的電壓源工作變?yōu)殡娏髟垂ぷ?，按一定的電流大小通過旁路回饋到電網(wǎng)上去，電能通過主路整流再經(jīng)逆變電流源回饋到電網(wǎng)完成了整流和逆變的老化。

新式的老化系統(tǒng)將90%的電能送回電網(wǎng)，假設每年生產(chǎn)的UPS的功率是57600KW，則節(jié)約的電57600*90%=51840Kw/年，按照 UPS平均老化8小時，則節(jié)約的電能是：51840*8=414720Kwh.節(jié)約的電能折合標準煤約為414720Kwh/年*334克 /Kwh=1242噸/年。

隨著具備自老化模式UPS的投產(chǎn)，改變了傳統(tǒng)的電源老化方式，使老化工藝以高效節(jié)能的方式進入電源生產(chǎn)行業(yè)，以顯著的經(jīng)濟效益改變了電源老化純粹是 “燒電”的概念，使電源老化工藝成為清潔、環(huán)保，低耗的新型工藝。該項目具備顯著的節(jié)能效果，最大的特點就是節(jié)約了大量的電能，和傳統(tǒng)的電源老化方式相比可以節(jié)約90%的電能，非常符合國家節(jié)約能源的基本國策，也有助于緩解地區(qū)用電緊張，具有很好的應用推廣價值。

2、使用ECO經(jīng)濟運行模式

ECO經(jīng)濟運行模式的原理是在較好的市電環(huán)境時，激活此功能，使UPS由靜態(tài)旁路直接供電，此時逆變器處于待機狀態(tài)，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(tài)，切換時間一般在1ms以內，具體見圖3所示，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(tài)，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(jié)省3%以上的功率。?

使用ECO模式必需具備以下條件：

a） 靜態(tài)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(shù)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(huán)境下，比如一級供電單位等。

無變壓器的UPS設備

功率電子設備的技術進步與功率器件的性能進步、新器件的不斷出現(xiàn)有著密切的關系。50年來，隨著功率半導體器件的進步，UPS設備經(jīng)歷了由多輸出工頻變壓器到單個輸出工頻變壓器的演變過程，而性能更好的大功率IGBT器件和更先進的控制技術的出現(xiàn)，為UPS設備從根本往掉輸出隔離變壓器創(chuàng)造了物質條件，使其在高頻化、小型化、節(jié)能化和綠色環(huán)?；矫嫒〉昧碎L足的進展，這就是人們所說的“高頻機”。這種機型集中體現(xiàn)了UPS電路技術的進步，代表著 UPS技術的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的帶輸出變壓器的UPS相比，它在進一步縮小體積、減輕重量、改善性能、進步效率、降低本錢等方面，都取得了明顯的改善和進步。

應該說，采用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大于利。以一個400瓦的電源供應器為例，如果該供應器宣稱轉換效率達70%，也就是說，如果有400瓦的交流電輸入到電源供應器中，只有280瓦的電會轉成直流電供服務器應用，足足浪費了120瓦的電力。

傳統(tǒng)的UPS的整機效率只有75～85%，但采用無變壓器的機型，可以提升至88%以上。也因此，選用無變壓器的UPS更可以有效的運用電源，讓每一度電都花費在系統(tǒng)運作上，進而降低電力的成本。

目前有越來越多的廠商推出無變壓器的UPS設備，可以讓整機的效率提升至90%.

結語：要最大限度實現(xiàn)UPS綠色節(jié)能，構建綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心，除了要注意本文中所談到的一些UPS本身的節(jié)能技術之外，還需要加強數(shù)據(jù)中心生命周期的管理，在整個數(shù)據(jù)中心的生命周期過程中進行合理地規(guī)劃、配置，并對電源進行有效地管理。只有這樣，才能最終實現(xiàn)節(jié)省直接和間接的電池投資，同時減少整個機房對社會環(huán)境的污染。