三 UPS供电系统“UPS级”休眠技术设计

从IT负载的输入电源看，当前IT负载的输入电源都采用开关电源模块将220V交流电转换成12V或其它电压直流电来供电，这一开关电源对输入电源的电压、频率及其它市电问题的适应性非常强，通常它所允许的电压范围为单相180~260V（即20%的波动范围）,频率范围为47~53HZ。有些IT负载的输入电压甚至可以低至50%，频率可在50~60KHZ范围内自由工作；此外，当前IT负载的开关电源模块都配置了滤波电路及PFC校正电路，使输入功率因数达到0.9以上。所有这一些都表明，IT负载要求UPS输出供电必须严格稳压稳频的时代早已过去，这为机房IT负载可通过市电直供技术设计创造了前提条件。

其次，从数据中心机房的输入供电系统看，通常都是10KV高压经大容量变压器降压到380V，然后经补偿电容柜、防雷防浪涌抑制器等输入到UPS，其输入市电的品质也得到了较好的保证。笔者曾对某企业数据中心的输入市电进行了长达三个月的电能质量检测，测量结果看出市电的电能质量是非常优质的，其电压纯净度、稳定度，频率稳定度及其它谐波干扰、瞬时电压畸变等的数据甚至优于UPS供电输出。

所以，在这样的市电及负载背景下，为了进一步提高节能水平及运行可靠性，完全有必要对数据中心机房UPS供电系统依据输入市电的品质设置自动分级运行模式：

第一级――“UPS级”绿色休眠节能模式。在输入市电品质很好的情况下，将市电通过UPS旁路直接供电给数据中心的IT负载，从而使整个UPS系统的供电效率高达惊人的99%，实现了“UPS基本不耗能”的节能降耗总目标。如图3所示，当UPS检测到市电的电压与频率落在最里边的圆内时（圆的大小即第一级模式时的电压U1与频率F1可依据负载的性质　及输入市电的状况改变与设置），UPS自动进入高效节能模式运行。在这一模式下，UPS内部的整流器、充电器处于深度休眠，逆变器处于浅度休眠状态（如图3所示），不仅基本不损耗电能，更使主功率器件处于电休眠状态，提高了这些UPS内部核心部件工作的可靠性并延长其工作寿命。

图3　随市电品质自动工作的UPS分级运行方式

第二级――双变换工作模式。当市电的电压与频率跌出最内部的圆形界线，并落在图3中间的圆环型带区时，UPS立刻转换到整流、逆变的双变换模式，此时的UPS满载工作效率通常在93%左右。为了保证负载工作的安全性，当前的“UPS级”绿色休眠节能技术实现了在这一转换时的UPS输出三相电压动态偏离远小于UPS 标准CLASS 1及计算机安全标准ITIC曲线的输入电源安全要求，如下图所示；同时确保转换时间不超过2ms（如图5），这一时间不仅远小于机房IT负载所要求的转换间隙，也大大小于双路转换开关STS 达到的4～5ms转换时间，从而确保了机房负载在转换过程中的供电安全性。

第三级――电池放电工作模式。当市电的电压与频率越出中间的圆时，也就是超出了UPS整流输入所允许的电压与频率范围时，UPS将关断整流器，进入电池放电工作模式，此模式下UPS的满载工作效率约94%。

图4　输出电压动态偏离曲线　　　　　　　　　　

图5  切换瞬间示波图

通过上述的三级运行模式，结合当前数据中心机房输入市电的品质，可使UPS在90%以上的运行时间都工作在安全、节能的第一模式，保证了90％的时间内UPS的效率达到99%。有必要提到的是，这一“UPS级”绿色休眠节能模式在节能的效果与转换安全性上完全不同于一些厂商在90年代中期推出的所谓“效率优化”或“旁路优先”等原始技术。长期以来，“效率优化”或“旁路优先”一直无法解决“效率不够优化”导致的UPS可靠性不高和转换时间太长导致的机房负载供电中断风险之间的矛盾，如一些厂家采用“旁路优先”的在线互动工作模式，效率通常小于97%，而另一些厂家则采用“后备式”工作模式，转换时间太长通常约需10ms。而现代“UPS级”绿色休眠节能模式，通过现代最先进的“云”计算技术理念的应用并结合当代电力电子控制技术的最新进展，实现了系统效率、转换时间及转换安全性三者的有机统一，大幅度提高了UPS在休眠状态及“休眠”到“唤醒”工作转换过程中的节能效率与工作可靠性。

（御风）