摘要：介紹了目前UPS節(jié)能的意義，及目前常見的UPS綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)用。主要包括UPS、電池等方面的節(jié)能技術(shù)，包括UPS供電方案規(guī)劃、UPS節(jié)能技術(shù)、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(guān)鍵詞：UPS；節(jié)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(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和企業(yè)對互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)識的不斷加深，數(shù)據(jù)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(fèi)開銷。如下圖所示，一個數(shù)據(jù)中心在建設(shè)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(dá)26%，高額的電能消耗使得整個數(shù)據(jù)中心運(yùn)行成本居高不下，數(shù)據(jù)中心面臨 “建得起卻用不起”的尷尬境地。根據(jù)近期IDC以及Gartner的預(yù)測報告中都提到：到2010年，企業(yè)平均每年在用電成本上的花費(fèi)將大于它當(dāng)年在硬件設(shè)備上的投資額。目前，國際能源供應(yīng)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(shù)據(jù)中心的電費(fèi)支出。
 
    如何降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本成了各企業(yè)CIO關(guān)注的問題，電都消耗到哪里去了？顯而易見是機(jī)房內(nèi)林林總總的IT設(shè)備--服務(wù)器、終端、網(wǎng)路設(shè)備及制冷系統(tǒng)所消耗，節(jié)能至上而下可以從主要幾方面入手。首先是機(jī)房環(huán)境的節(jié)能，包括制冷環(huán)境、供電環(huán)境；其次是從IT硬件設(shè)備節(jié)能，減少IT設(shè)備的能耗；最后是IT設(shè)備內(nèi)部各集成電路的節(jié)能，比如CPU的節(jié)能等。UPS處于交流供電環(huán)節(jié)的最重要一環(huán)，幾乎機(jī)房所有的IT設(shè)備均必需由UPS供電，大型數(shù)據(jù)中心的UPS裝機(jī)總?cè)萘烤�已�?jīng)達(dá)到百萬伏安級。提高運(yùn)行時的能效勢在必行。目前UPS的節(jié)能必需從方案、UPS、電池、配電等方面全方位進(jìn)行。

二、 柔性規(guī)劃

    按需擴(kuò)容一般數(shù)據(jù)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(jī)，結(jié)果初期負(fù)載只有10~20%，沒等帶到規(guī)劃的負(fù)載就進(jìn)入了設(shè)備淘汰期，不僅造成投資的浪費(fèi)，而且也無法使UPS運(yùn)行在較高的效率點，造成電能的浪費(fèi)。如何避免這種情況的發(fā)生，從UPS系統(tǒng)角度考慮，應(yīng)該包括：

a) 供電方案設(shè)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(shè)備供電，整個機(jī)房由很多套這樣系統(tǒng)構(gòu)成。分散供電的好處是分散風(fēng)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(guī)劃。另一種是采用集中供電方案，由一套大功率的UPS系統(tǒng)，直接對機(jī)房的所有負(fù)載供電。集中供電的好處是便于規(guī)劃、管理方便，維護(hù)方便。缺點是如果UPS系統(tǒng)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(lián)構(gòu)架來避免。所以上面兩種方案各有優(yōu)缺點，目前的數(shù)據(jù)中心一般采用集中供電方案，也集中的供電的風(fēng)險。由于UPS并機(jī)數(shù)量有限制，而且當(dāng)UPS系統(tǒng)并機(jī)數(shù)量超過4臺時，其可靠性并不比單機(jī)系統(tǒng)高多少。當(dāng)機(jī)房UPS裝機(jī)總?cè)萘砍�過一定限度時 ，建議將機(jī)房按幾期規(guī)劃成幾個區(qū)域進(jìn)行供電。規(guī)劃時可以參考：單機(jī)容量不宜超過400KVA，并機(jī)數(shù)量不宜超過3臺。 

b) UPS在線并機(jī)擴(kuò)容功能
機(jī)房UPS容量規(guī)劃，也可以根據(jù)不同時期的負(fù)載容量要求，采用逐步擴(kuò)容的方案，使投資方案更經(jīng)濟(jì)，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(jīng)具備冗余并機(jī)功能，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，同時也對機(jī)房擴(kuò)容提供了條件。只要規(guī)劃時在UPS前后配電箱預(yù)留足額空開，并在機(jī)房規(guī)劃相應(yīng)空間，即可實現(xiàn)UPS并機(jī)擴(kuò)容功能。關(guān)鍵是并機(jī)的過程處理，多數(shù)品牌并機(jī)時需要對UPS電路或者進(jìn)行修正，此時必然要求UPS必需工作在維修旁路狀態(tài)，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(tǒng)的大面積癱瘓。所以并機(jī)擴(kuò)容必須具備在線并機(jī)功能，即UPS并機(jī)擴(kuò)容時，只需將新增UPS軟件修改至與原UPS系統(tǒng)一致后，在不關(guān)閉原有UPS系統(tǒng)的情況下，直接將新增UPS并入原有系統(tǒng)即可，擴(kuò)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(fēng)險動作。

c) 采用模塊化UPS，實現(xiàn)逐步擴(kuò)容
目前，模塊化UPS已經(jīng)開始在國內(nèi)應(yīng)用，模塊化UPS特點主要包括：可擴(kuò)容、平均故障修復(fù)時間（MTTR）短、可經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)N+X冗余。以臺達(dá)C系列UPS為例，每個模塊為20KVA整個系統(tǒng)最大可擴(kuò)容至160KVA ，可以根據(jù)機(jī)房的實際容量需求，逐步擴(kuò)容，只要在機(jī)房初期規(guī)劃好配電容量即可。同時實現(xiàn)N+X冗余的也比較劃算，以60KVA要實現(xiàn)N+1冗余為例，傳統(tǒng)方案必需擴(kuò)容一臺60KVA UPS，而采用模塊化UPS，則只需擴(kuò)容一個20KVA的模塊即可，節(jié)省大筆資金的投入。

三、 提高UPS自身能效，優(yōu)化負(fù)載效率曲線
    目前UPS均為在線式雙變換構(gòu)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(fèi)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(fèi)。所以提高UPS效率是降低整個機(jī)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(dāng)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(jī)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(dá)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(yōu)化效率虛線，使UPS效率在較低負(fù)載時能達(dá)到較高的效率。以臺達(dá)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(fù)載在2KW以下時已經(jīng)高于90%,從6KW到18KW就已經(jīng)能夠滿足95%的高整機(jī)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。其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(jī)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(nèi)，具體參考下圖，藍(lán)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(jī)狀態(tài)，所以自身損耗很小，此時UPS的整機(jī)效率可以達(dá)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。

四、 降低輸入電流諧波、提高功率因數(shù)
    諧波產(chǎn)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(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò), 由于非線性負(fù)載產(chǎn)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(fā)熱(如電容、變壓器、電機(jī)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(shè)備正常工作；無功功率因素加大, 電力設(shè)備有功容量降低(如變壓器、電纜、配電設(shè)備)；供電效率低；出現(xiàn)諧振, 特別是油機(jī)發(fā)電時更嚴(yán)重；空開跳閘、熔絲熔斷、設(shè)備無故損壞。UPS對于電網(wǎng)而言是一個非線性的負(fù)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%。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(chǔ)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(shù)方案后，可以將諧波降低至10%左右。優(yōu)點是較為簡單，諧波改善明顯，缺點是對功率因數(shù)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(chǎn)生的諧波進(jìn)行濾除，并對功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。優(yōu)點是技術(shù)簡單，成本較低，缺點是只能補(bǔ)償特點階次的諧波，同時受負(fù)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(dǎo)體器件向電網(wǎng)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(dá)到實時補(bǔ)償諧波電流的目的。優(yōu)點是可以補(bǔ)償多個階次的諧波，且不受負(fù)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(shù)校正電路設(shè)計整流器。原理是采用高頻率PWM控制IGBT導(dǎo)通，對輸入電壓波形進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)償。優(yōu)點是體積輕，價格便宜，效果好。缺點是技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護(hù)，受功率器件影響，目前容量大小受到限制。
上述幾種技術(shù)，性能及投資對比如下，可以根據(jù)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(shù) 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(shù)
    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(tǒng)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(jī)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(huán)境造成嚴(yán)重的污染。因此減少電池使用數(shù)量，延長電池循環(huán)使用壽命，不僅是節(jié)省直接和間接的電池投資，而且減少整個機(jī)房對社會環(huán)境的污染。所以UPS可以通過以下幾個技術(shù)實現(xiàn)電池的節(jié)能。

a) 并機(jī)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(shù)，使并機(jī)系統(tǒng)中的兩臺或多臺UPS的整流同步、母線均流，使系統(tǒng)中的各臺UPS母線可直接并聯(lián)，然后將滿足系統(tǒng)后備時間要求的電池并聯(lián)后接入并聯(lián)母線系統(tǒng)中，實現(xiàn)電池的共享，減少電池投資。以1+1為例，傳統(tǒng)的UPS方案，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中的電池仍能為UPS2提供能量，所以整個系統(tǒng)僅需配置1套1小時電池即可。不僅節(jié)省了電池直接投資，同時也節(jié)約機(jī)房在空間、承重及空調(diào)等方面的投資，也降低了對環(huán)境的污染。

b) 智能電池管理技術(shù)。影響電池壽命的因素有很多，主要包括溫度、充電、放電、循環(huán)次數(shù)等。如果能夠?qū)ι鲜鰩讉�因素進(jìn)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(jié)約電池投資。UPS的智能電池管理技術(shù)主要包括，電池均浮充管理（均浮充控制）、充電溫度補(bǔ)償、智能放電截止電壓控制，除此之外還應(yīng)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(shù)。通過上述幾種技術(shù)，可大幅度延長電池壽命2~3年。

c) 智能UPS配電管理技術(shù)。原理是通過偵測UPS電池電壓或者設(shè)備供電時間，實現(xiàn)對機(jī)房中不同等級負(fù)載的多次下電保護(hù)功能，減少電池投資、提高電池使用率。智能UPS配管理技術(shù)主要有兩種方案，包括軟件實現(xiàn)方式及硬件實現(xiàn)方式。以臺達(dá)UPS為例，其軟件方式是在UPS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，在負(fù)載服務(wù)器安裝Delta Shutdown Agent關(guān)機(jī)代理程序，當(dāng)市電異常并滿足電池電壓或者定時條件時，關(guān)機(jī)代理會自動保存系統(tǒng)程序，然后關(guān)閉服務(wù)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(dāng)滿足上述條件時，智能配電屏根據(jù)設(shè)定分時關(guān)斷某路輸出。目前此方案已經(jīng)在國內(nèi)多條地鐵的UPS供電系統(tǒng)中實現(xiàn)應(yīng)用。

六、 結(jié)束語
    數(shù)據(jù)中心節(jié)能必需從上至下，或者從基礎(chǔ)設(shè)施到核心設(shè)備全方位抓起，UPS是整個交流供電環(huán)節(jié)的核心所在，做好UPS的節(jié)能不僅可以節(jié)約大筆的設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用，同時也大幅降低了后期的運(yùn)行成本。當(dāng)然，UPS節(jié)能需要用戶和廠家共同推進(jìn)，目前UPS廠家已經(jīng)紛紛推出了各自的產(chǎn)品或方案，客戶只需量身規(guī)劃即可。