UPS电源系统 如何构建数据中心绿色UPS电源系统

UPS电源作为数据中心中最常用的供电保障设施、供配电系统中损耗最大的环节，是构建绿色数据中心必不可少的一部分，绿色化不可避免。UPS电源在保护负载的同时，带来的负面影响，主要包括电能损耗和电网污染两个方面，笔者将就这两个方面的具体影响及如何达到绿色的目标分享一些自己的经验。

1、高运行效率是绿色UPS电源的基本要求

我国电力供应中，火电占比在70%以上，其中绝大部分的火电是靠燃煤来实现的。因此，节约电能，就是减少煤的燃烧，进而减少二氧化碳和有毒有害气体以及灰尘的排放，对改善我国环境污染和雾霾天气意义重大。在UPS电源主要的应用场景数据中心中，大约10%电量为UPS电源所消耗，每年我国数据中心中UPS电源电力损耗即达80亿kWh。因此绿色UPS电源需要具备较高的运行效率，以减少能源消耗。

UPS电源效率与其类型与原理紧密相关。传统数据中心中使用较多的工频UPS电源因内置输出变压器用于升压、使用高损耗拓扑与器件、设计粗放等原因一般最高效率仅90%左右;高频UPS电源取消了变压器，一般效率可达到94%;模块化UPS效率在高频UPS电源的基础上通过精细化设计一般均可达到96%。

但需要注意的是UPS电源最高效率非实际运行效率。UPS电源最高效率在60%以上的负载率段获得，并随着负载率的下降而下降。但在实际运行中，UPS电源系统一般采用N+X冗余或双母线配置，而为了满足未来3-5年的供电需求增长，UPS电源系统容量配置也会大于建设初期实际容量需求，因此UPS电源的负载率很难超过40%。也即，要使UPS电源实际运行在高效率，必须关注UPS电源在低负载率下的效率。

随着业界对效率问题的重视，低载高效UPS电源在技术比较先进的厂商均已实现，如施耐德、华为等厂商的模块化UPS电源系列在40%时即可达到96%的效率，比传统UPS电源运行效率大幅提升。

2、改善电能质量，绿色UPS电源需减少对电网的污染

就像用水企业使用干净的水之后可能排放污水一样，电力负载在从电网取电的同时，也可能反馈污染给电网。其中非线性负载是电网比较常见的污染源，包括UPS电源在内的电力电子设备的前级整流装置均属于该类型。随着数据中心的集中化和规模持续增大，10MW级别的数据中心已屡见不鲜，为确保电能质量，避免干扰其他用电设备的正常工作，必须减少UPS电源等电力电子设备对电网的污染问题。UPS电源对电网的污染主要体现在功率因数和输入电流谐波畸变两个方面。

用电设备功率因数的降低，将使无功功率增加和设备总需用电流变大，从而加大线路的损耗，且使相应的线缆、空开、变压器等变配电设备选型及成本升高。以500kVA UPS电源为例，工频UPS电源的各类配电器件选型均大于高频UPS电源。

而电流谐波畸变率THDi则导致电压畸变，干扰其他设备正常工作;大量的3 次谐波流过中性线时，导致损耗增加。电网高次谐波还会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确。

传统工频UPS电源使用相控整流，其整流器有6脉冲和12脉冲两种，分别由6个晶闸管和12个晶闸管组成。因为其一个市电周期内只能开关一次，电流波形难以有效控制，故该整流器输入电流谐波大，功率因数低。而高频UPS电源采用高频开关整流器，通过快速开通与关断调整工作回路使电流为与电压同相同频的正弦波形，从而减小输入电流谐波，提升功率因数。不同类型UPS电源谐波值与功率因数如下：

由谐波与功率因数指标来看，工频UPS电源不是绿色UPS电源系统。事实上，工频机为了改善谐波与功因指标，以达到电能质量的标准要求，常采用谐波滤波器来进行治理。客户不仅需要额外投资，还需要承受因滤波器带来了电能成本增加和机房空间损失。

3、构建绿色UPS电源系统

如上所述，绿色UPS电源系统应具备高效率、高功率因数、低谐波污染等特点。如何构建绿色UPS电源系统，可以从以下三个方面改进。

1)在UPS电源选型时优先选用原理上更绿色的机型。工频UPS电源在市场上具有较长的应用历史，也因此赢得了不少偏爱，但工频UPS电源是一种不折不扣的高损耗，高污染机型;随着技术的进步，高频UPS电源以及可用性更高的模块化UPS电源无论是从绿色的角度还是从可靠性、易用性等角度都完全可以取代工频机

2)UPS电源系统建设尽量避免一步到位，而根据业务需求按需部署。超前规划与部署是UPS电源负载率低、效率低的关键原因，导致初期投资大而浪费严重的问题。对此问题一种比较好的解决方案是采用模块化UPS电源。模块化UPS可在线扩容，避免传统UPS电源在线扩容风险高的缺点。而容量可根据负载的增长而扩展，二者始终处于最佳匹配之中，使每一分投资都得到了合理利用，且提高了运行效率，节约了运营成本。另外，提升UPS电源设备利用率也可以有效降低谐波值，提升功率因数。

3)在实际运行中，可加强电网、负载监测及各环节能耗测量，获取实际运行数据。在系统允许的情况下，使用更节能的智能休眠工作模式或ECO模式。对于损耗过大的供配电环节，可从TCO角度综合考虑，适时进行改造。

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