【技术分析】论数据中心采用高效UPS系统的重要性

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导语:随着网络应用越来越广泛,数据中心越建越大,用户也越来越关注数据中心的运行费用,要降低运行费用,采用高效率的UPS系统成了用户的首选。

 

早期UPS的效率非常低下,其主回路结构如下图:

整流器主回路由可控硅组成,对电网污染很大。由于早期晶体管还不能承受高电压大电流,所以逆变器主回路也采用可控硅,在直流逆变中,可控硅导通后不能受控关断,需要1.5倍反向电流才能关断,这大大影响了可控硅的开关速度,使得早期的逆变器工作频率只有300Hz,双变压器的应用也使得UPS整机效率只有84%。

 

到了八十年代,功率晶体管已经能够承受高电压大电流了,这时候逆变器主回路采用如下图的功率晶体管取代可控硅

上图晶体管的控制极基极b和发射极e有电流流过时,集电极c和发射极e导通,当晶体管的控制极基极b和发射极e没有电流流过时,集电极c和发射极e断开,由于b和e极间有电流流过,电子的消散需要时间,所以晶体管的工作频率也受到限制,工作频率一般为1500Hz左右,由于逆变器工作频率提高5倍,变压器及滤波器的体积大大缩小,UPS整机效率比可控硅组成的逆变器提高5%以上。

 

随着IGBT技术应用越来越成熟,UPS厂商普遍采用IGBT作为功率器件,如下图,

 

 

整流器主回路采用IGBT器件,实现输入功率因素为1,输入谐波小于3%,对电网无污染。逆变器主回路也采用IGBT器件,由于IGBT器件的控制属于电压型控制,即控制极基极b有电压,c和e极导通,控制极基极b没有电压,c和e极断开,b和e极间没有电流流过,这就大大提高了逆变器的工作频率,逆变器工作频率达7500Hz以上,频率提高可以使逆变器的滤波器体积进一步缩小,采用无变压器技术使得逆变器的铜耗和铁耗大大降低,所以UPS整机效率最高可以达到96%。

 

虽然采用IGBT技术的UPS效率很高,但对于大型数据中心来说4%的能耗还是偏大。所以有很多用户希望采用ECO运行模式以进一步降低运行费用,因为ECO运行模式效率高达99%

 

传统ECO模式

 

市电通过旁路静态开关直接向IT负载供电。效率高达99%。市电上的干扰和负载产生谐波会互相影响。逆变器处于待机状态没有参与工作,相当于一台大的后备式UPS。这种传统的ECO模式大型数据中心是不会采用的.

随着UPS电源技术不断发展,UPS厂商已经在ECO运行模式研发上投入巨资,下面我们来阐述一下主流UPS厂商开发的ECO工作模式

 

目前在市场上出现过的ECO模式,一共有如下 四个功能:

 

市电输入功率因素始终为1

如上图,逆变器处于不带有功负载工作状态,逆变器会负责对蓄电池的浮充。IT负载的有功功率(KW)100%由市电提供,而IT负载的无功功率由逆变器提供。在这种运行状态下,无论负载的功率因数为多少,ECO模式能确保静态旁路市电输入端的功率因素维持在1。整流器处于待机状态。(注意,IT负载100%的有功功率由市电提供)

 

2

 

双向消除并隔离市电和IT负载产生的谐波

 

如上图,逆变器作为100%的有源滤波器并联在输入市电回路上,这是一个先进的有源谐波调节器,它可以吸收市电谐波及浪涌,使IT负载不受市电谐波及浪涌干扰而安全运行,也能消除IT负载产生的谐波,不让这些谐波去影响市电上的其它负载。这个100%的滤波器能够实时检测电网中由非线性负载产生的电流波形,分离出谐波部分,将其反相,再通过IGBT逆变器的发出将反相电流注入到电网中,实现滤除谐波的功能。另外,这个100%的有源谐波调节器还可以提供超前或滞后的无功电流,用于改善电网的功率因数和实现动态无功补偿,而在通常情况下,一般有源滤波器的容量只有总功率的30%。注意,在这种ECO模式下,IT负载的有功功率(KW)100%由市电提供

 

3

 

对于100%不平衡的三相IT负载,逆变器的有效参与能使三相市电输入基本平衡。

 

如上图,IT的A相负载为90KW,IT的B相负载为90KW,而IT的C相负载为零。由于逆变器并联在市电供电回路中,实际市电输入功率为:A相60KW,B相60KW,C相也输入60KW,只是C相的60KW的功率被逆变器整流(AC/DC,交流变直流)输入至蓄电池直流母线上,而这60KW的直流能量由逆变器再逆变(DC/AC,直流变交流)至逆变器A相输出30KW,逆变器B相输出30KW,逆变器A相输出的30KW功率和市电A相输入的60KW功率相叠加刚好满足A相IT负载90KW要求,逆变器B相输出的30KW功率和市电B相输入的60KW功率相叠加刚好满足B相IT负载90KW要求,而C相IT负载依然为零,但是市电输入的三相功率是基本平衡的。

 

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逆变器有限参与输出电压(IT负载电压)的调节

 

实际上IT负载对供电电压范围还是比较宽的,IT负载不需要220伏,1%的精度,207伏至233伏,6%的电压精度,IT负载完全接受,当市电超出6%这个电压范围时,逆变器参与调节,不是100%调节,而是仅对市电超限部分进行电压调整。

 

第一种情况:市电输入电压在207V与233V之间,如下图。

 

 

逆变器不参与调节,逆变器仅提供负载所需要的无功功率并作为有源滤波器滤除市电和负载的谐波。

 

第二种情况:市电输入电压低于207V,假如为200V,如下图。

 

 

白天,市电为200伏,逆变器输出8伏电压和市电叠加,使IT负载得到208伏,从而保证IT负载安全运行,逆变器承担部分有功功率。深夜,市电为240伏,逆变器也输出8伏电压和市电叠减,使IT负载得到232伏,从而保证IT负载安全运行。

 

ECO的这种调节模式,非常巧妙,它不认为电源是100%的不满足IT负载要求,市电只存在小部分不满足,所以这种ECO模式只针对不满足IT负载要求的部分进行调节,而不是100%地对总功率进行整流再逆变的转换,因为这种满功率的双变换一定是低效的。

 

如果大型UPS的ECO模式具有这四个功能,大型数据中心就能采用ECO运行模式,从而使数据中心效率大大提高。对3000个机柜的数据中心,每机柜6KW,总IT负载达18000KW,3%的节能,电费每度一元,每年可以节省约470多万运行费用。

 

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2020年4月13日
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