1 UPS在數(shù)據(jù)中心中的作用及其能耗分析

數(shù)據(jù)中心的供電不能有一刻的間斷,即使只有幾秒鐘的中斷也可能造成重要數(shù)據(jù)丟失/設(shè)備損壞，甚至?xí)绊憯?shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。隨著信息技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，UPS供電系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)運(yùn)行的可靠保障。

隨著行業(yè)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,越來越多的數(shù)據(jù)中心需要UPS供電系統(tǒng)的保護(hù)。對(duì)于數(shù)據(jù)中心,UPS系統(tǒng)已不能只作為在停電后向負(fù)載繼續(xù)供電的整機(jī)產(chǎn)品,而是作為一個(gè)高可靠、高智能的供電平臺(tái),為整個(gè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行全面的保護(hù),不僅能夠提供后備時(shí)間,還能夠改善電網(wǎng)的質(zhì)量。因此,UPS作為計(jì)算機(jī)的重要外設(shè),在保障負(fù)載用電、改善電能質(zhì)量、防止電網(wǎng)對(duì)負(fù)載造成危害等方面起著十分重要的作用。

由于UPS是常年不間斷運(yùn)行的設(shè)備,提高UPS整機(jī)效率是降低數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵因素。效率每提高1%,每年的節(jié)電量就非?？捎^。并且,UPS以熱量形式散發(fā)的損耗也將降低,空調(diào)系統(tǒng)也會(huì)因此節(jié)能。在分析UPS系統(tǒng)能耗時(shí),應(yīng)充分考慮以下因素:

(1) UPS的效率和負(fù)載率有著直接的關(guān)系

通常,UPS技術(shù)參數(shù)中給出的效率值,是在額定負(fù)載以及其他各種適宜的系統(tǒng)狀態(tài)下得出的,代表著UPS可以達(dá)到的最佳效率。但是,很少有UPS運(yùn)行在100%負(fù)載下。當(dāng)負(fù)載率較低時(shí),UPS的效率將有較大的下降。

(2) UPS系統(tǒng)的效率不應(yīng)僅考慮UPS本機(jī)自身的效率

不同的UPS由于采用不同的拓?fù)浠蚣夹g(shù),在系統(tǒng)配置上有很大差別。例如采用IGBT整流的UPS,不需要增加濾波裝置就可以滿足系統(tǒng)要求。而采用6脈沖整流的UPS,為滿足系統(tǒng)要求必須配置濾波器;高頻機(jī)型UPS(本文簡(jiǎn)稱“高頻機(jī)”)不需要增加輸出變壓器就可以滿足供電電壓要求,而工頻機(jī)型UPS(本文簡(jiǎn)稱“工頻機(jī)”)必須增加輸出變壓器才能滿足電壓要求。因此,在分析UPS系統(tǒng)效率時(shí),應(yīng)考慮包括其輔助設(shè)備(如濾波器、隔離變壓器等)在內(nèi)的UPS整體系統(tǒng)效率。

2 UPS基本原理與結(jié)構(gòu)

UPS可以分為工頻機(jī)和高頻機(jī)。傳統(tǒng)的工頻機(jī)由SCR整流器、IGBT逆變器和輸出變壓器組成,如圖1所示。由于整流器采用的SCR整流技術(shù)屬于降壓整流,造成UPS的輸出電壓低于輸入電壓,必須在輸出端配備升壓變壓器才能滿足輸出電壓的要求。

工頻機(jī)的逆變器采用PWM調(diào)制技術(shù),為PWM逆變器。根據(jù)電路工作原理,直流母線電壓與UPS逆變器輸出線電壓的關(guān)系為

(1)

式中Uo為輸出線電壓的有效值;Ud為整流器輸出的直流母線電壓;M為逆變器調(diào)制比。

根據(jù)式(1),當(dāng)UPS要求輸出線電壓為380V時(shí),直流母線電壓Ud必須大于620V。工頻機(jī)采用三相橋式整流時(shí),直流母線電壓Ud與輸入交流電壓Ui的關(guān)系為

(2)

式中Ui為輸入線電壓的有效值。根據(jù)式(2),當(dāng)UPS輸入線電壓為380V時(shí),直流母線電壓不會(huì)超過513V,這樣UPS的輸出不能達(dá)到380V,必須通過變壓器升壓才能滿足要求。在中、大功率場(chǎng)合,高頻機(jī)的主電路由IGBT整流器、充電器和IGBT逆變器構(gòu)成,如圖2所示。整流器和逆變器的開關(guān)管均為IGBT,工作頻率在10kHz以上,因此這種結(jié)構(gòu)的UPS被稱為高頻機(jī)。由于高頻機(jī)整流器采用PWM整流技術(shù)屬于升壓整流,UPS輸出電壓可以滿足負(fù)載要求,因此輸出無需配備升壓變壓器。

IGBT整流器具有升壓功能,可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸出直流母線電壓的大小,從而滿足UPS輸出交流電壓的要求。IGBT整流器輸出的直流母線電壓與輸入線電壓的關(guān)系

式為(3)

式中Ui為輸入線電壓的有效值;Ud為整流器輸出的直流母線電壓。

根據(jù)式(3)可知,當(dāng)市電輸入的線電壓Ui為380V時(shí),Ud的大小可以通過改變調(diào)制比M來調(diào)節(jié),滿足Ud大于620V。這樣,逆變器的輸出電壓就可以滿足380V的要求,無需設(shè)置升壓變壓器。

3  UPS能耗分析

(1)變壓器損耗

根據(jù)上述分析可知,工頻機(jī)輸出電壓較低,需要額外增加輸出變壓器,而高頻機(jī)可以直接輸出符合要求的電壓,不需要設(shè)置輸出變壓器。變壓器造成的損耗占UPS總損耗很大比例。變壓器損耗分為鐵耗、銅耗和雜散損耗,其中雜散損耗占比很小,本文不予討論。

交流電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生交變磁場(chǎng),在此交變磁場(chǎng)作用下,所產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗,統(tǒng)稱為“鐵耗”,一般認(rèn)為鐵耗不隨負(fù)載而變化,并以額定電壓下變壓器的空載損耗為鐵耗。UPS的空載損耗占UPS總損耗的40%左右,變壓器的空載損耗為UPS空載損耗的主要組成部分。磁滯損耗ph為鐵心中建立交變磁通、克服磁疇回轉(zhuǎn)所需的功率,與鐵磁材料、磁場(chǎng)交變頻率有關(guān),工程上可表述為

（4）

式中,Kh為不同材料的計(jì)算系數(shù),f為磁場(chǎng)交變頻率,Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值,α為由實(shí)驗(yàn)確定的正指數(shù),V為鐵心的體積。變壓器硅鋼片鐵心中的渦流損耗為

(5)

式中,K為電勢(shì)比例常數(shù),d為硅鋼片厚度,ρ為硅鋼片電阻率。變壓器繞組由銅線繞制,電流流經(jīng)繞組時(shí)將產(chǎn)生損耗,一般稱為銅損(pCu),其大小與負(fù)載電流的平方成正比

(6)

式中,IL為負(fù)載電流,IN為額定電流,Pk為短路試驗(yàn)測(cè)定的變壓器短路損耗。高頻機(jī)與工頻機(jī)相比少了輸出變壓器,大大減少了UPS的損耗,提高了效率。

(2)濾波電感損耗

工頻機(jī)的整流器通常為二極管不控整流或SCR組成的半控整流,工作頻率為50Hz,諧波頻率較低。而高頻機(jī)的整流器和逆變器均工作在10kHz以上,UPS產(chǎn)生的諧波主要為高頻諧波,可以使用較小的濾波電感就可以達(dá)到很好的濾波效果。與工頻機(jī)相比,高頻機(jī)使用的濾波電感體積較小,重量較輕,阻抗值也比較小。

電感的損耗也可以分為鐵損和銅損,電感的鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗,其計(jì)算方法與變壓器類似。由式(4)、(5)可見,磁滯損耗與開關(guān)工作頻率成正比,與鐵心體積成正比;渦流損耗與開關(guān)工作頻率的平方成正比,與鐵心體積成正比。與工頻機(jī)相比,高頻機(jī)開關(guān)頻率較高,所用的濾波電感較小,鐵心體積較小;此外,高頻機(jī)使用的濾波電感繞組電阻較小,所以銅損較低。

總的來說,工頻機(jī)與高頻機(jī)在濾波電感上的損耗相差不大,且占UPS總損耗的比例不高。

(3)開關(guān)損耗

不同的PWM調(diào)制方式導(dǎo)致的開關(guān)損耗不同,以下僅以單極性PWM調(diào)制為例簡(jiǎn)要作介紹。每個(gè)IGBT模塊由一個(gè)IGBT與一個(gè)反并聯(lián)二極管組成,其中IGBT的通態(tài)損耗為

　  　(7)

式中,M為調(diào)制比,φ為電壓電流相位差,UCE0為門檻電壓,rCE為IGBT等效通態(tài)電阻,ICP為IGBT電流。

IGBT的開關(guān)損耗用下式可滿足工程計(jì)算的要求

(8)

式中,fSW為IGBT開關(guān)頻率,ESW(on)P、ESW(off)P分別為額定電流ICN與額定電壓UCEN時(shí)開通、關(guān)斷一次損失的能量,Ud為直流母線電壓。反并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗為

(9)

式中,UF0為二極管門檻電壓,rF為二極管通態(tài)等效電阻。

反并聯(lián)二極管的開通損耗可忽略不計(jì),其關(guān)斷損耗為

(10)

式中,EDiode(off)P為額定電流ICN與額定電壓UCEN下二極管關(guān)斷一次損失的能量。

高頻機(jī)逆變器所用IGBT額定電壓要比工頻機(jī)高一倍,但兩者的IGBT與二極管的門檻電壓、等效通態(tài)電阻相差不大;此外由于工頻機(jī)直流母線Ud較低,需要用輸出變壓器將逆變器輸出電壓升壓至380V,而高頻機(jī)的逆變器直連輸出,因此工頻機(jī)逆變器輸出電流要比高頻機(jī)大。由式(7)和式(9)可見,工頻機(jī)逆變器的通態(tài)損耗比高頻機(jī)要高,據(jù)測(cè)算要增加90%～150%。

由于工頻機(jī)整流器采用不控器件二極管或半控器件晶閘管進(jìn)行整流,直流母線電壓范圍較寬,逆變器難以一直工作在最優(yōu)點(diǎn);而高頻機(jī)采用全控器件IGBT整流,直流母線電壓基本保持不變,逆變器工作在其設(shè)計(jì)的最優(yōu)點(diǎn)，從而提高了逆變器的效率。

UPS是數(shù)據(jù)中心的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,其能耗的降低對(duì)數(shù)據(jù)中心整個(gè)生命期內(nèi)總擁有成本TCO有重要作用。通過前面的分析可知,高頻機(jī)造成的能耗要比工頻機(jī)小,最主要的因素是變壓器損耗,由于變壓器有較大的空載損耗，造成工頻機(jī)的空載損耗較大，即在較低的負(fù)載率時(shí)效率不高,能耗較大。

舉例來說,兩套320kW的UPS,系統(tǒng)架構(gòu)均為2+1,分別為工頻機(jī)和高頻機(jī)。雖然兩者公布的效率滿載時(shí)都在90%以上,但N+1架構(gòu)的UPS不會(huì)運(yùn)行在100%負(fù)載情況下。根據(jù)GB50174-2008《電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》,UPS單機(jī)負(fù)載率不能超過83.3%,在2+1配置下,UPS負(fù)載率不會(huì)超過55.53%。UPS的損耗可以根據(jù)下式來計(jì)算

(11)

式中,Ploss為有功功率損耗;PN為UPS額定有功功率;S為負(fù)載率;η為UPS效率。

對(duì)于本例,假設(shè)負(fù)載率為30%時(shí),工頻機(jī)的效率約為80%,而高頻機(jī)可以達(dá)到90%。根據(jù)式(11),兩者的損耗分別為

這些由UPS損耗造成的熱量必須由制冷系統(tǒng)排出,假設(shè)空調(diào)能耗比為3:1,即每3kW的熱量需要由1kW的制冷功率來排出。則兩套UPS的電力損耗分別增至32kW和14.23kW。假設(shè)電費(fèi)成本為1元/kWh,每年兩套UPS的電力損耗成本分別為280320元和124654.8元,即高頻機(jī)比工頻機(jī)每年節(jié)省電費(fèi)155665.2元。

綜上所述,同等容量的高頻機(jī)要比工頻機(jī)更節(jié)能,在負(fù)載率低的情況下節(jié)能效果更加顯著。

4 結(jié)束語

UPS系統(tǒng)的能耗降低可以提高供電系統(tǒng)的效率,降低整個(gè)數(shù)據(jù)中心的電力使用效率PUE,有助于建設(shè)更加綠色高效的數(shù)據(jù)中心。

　　作者簡(jiǎn)介

孫建俠(1989-),女,中國民航信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司電氣工程師。主要負(fù)責(zé)UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)維、供電架構(gòu)分析和設(shè)備配置工作。

丘曉明(1987-),男,中國民航信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司電氣工程師。主要負(fù)責(zé)UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)維、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵設(shè)備選型工作。

李瑞強(qiáng)(1970-),男,中國民航信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司資深電氣工程師。長期從事數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)管理、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)分析工作。

編輯：Harris

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