1   概 述
  随着经济的飞速发展以及企业对互联网认识的不断加深,数据中心建设和改造,近几年如火如荼。但随之而来的就是日益庞大的电费开销,如图1所示,数据中心在建设中的投资比例,其中电气、电源、制冷等系统设施占了一半以上的投资,仅电气方面投资就高达26%,高额的电能消耗使得整个数据中心运行成本居高不下,数据中心面临“建得起却用不起”的尴尬境地。

  降低数据中心的运营成本和节能降耗成了各企业CIO关注的问题,节约能源可以从以下几方面入手。首先是机房环境的节能,包括制冷环境、供电环境;其次是从IT硬件设备节能,减少IT设备的能耗;最后是IT设备内部各集成电路的节能,比如CPU的节能等。UPS处于交流供电环节的最重要一环，几乎机房所有的IT设备必须由UPS供电，大型数据中心的UPS装机总容量均已达到百万伏安级，提高运行时的能效势在必行。目前UPS的节能必须从方案、UPS、电池、配电等方面全方位进行。
2   按需扩容的柔性规划
  一般数据中心的建设都不是一步到位,会考虑今后未来几年的需求,但是UPS一般都是一步到位,一次就安装了几套大功率的UPS并机，结果初期负载只有规划容量的10%～20%，没等承载所规划的负载就进入了设备淘汰期，不仅造成投资的浪费，而且也无法使UPS运行在较高的效率点，造成电能的浪费。如何避免这种情况的发生，从UPS供电系统角度考虑,应该包括:
2.1   供电方案设计
  目前UPS供电方案主要有分散供电、集中供电两种。分散供电的特点是一台UPS为一台或多台负载设备供电。分散供电的好处是分散风险,不会因为一台UPS供电异常造成大面积停电;缺点是UPS分散布置,不便管理,而且布线不易规划。另一种是采用集中供电方案,由一套大功率的UPS供电系统直接对机房的所有负载供电。集中供电的好处是便于规划、管理方便、维护方便;缺点是如果UPS系统异常,容易引起大面积停电事故,此缺点可以通过采用各种并联构架来避免。因此,以上两种方案各有优缺点,目前的数据中心一般都采用集中供电方案,也集中了供电的风险。由于UPS并机数量有限制,而且当UPS系统并机数量超过4台时,其可靠性并不比单机供电系统高多少。当机房UPS装机总容量超过一定限度时,建议将机房按几期规划分成几个区域进行供电。规划时可以参考:单机容量不宜超过400kVA,并机数量不宜超过3台。
2.2   UPS在线并机扩容功能
  机房UPS容量的规划,可以根据不同时期的负载容量要求,采用逐步扩容的方案,使投资方案更经济,同时也能使UPS工作于较佳的效率点。目前中、大功率段的UPS均已经具备冗余并机功能,不仅提高了系统的可靠性,同时也为机房扩容提供了条件。只要规划时在UPS前后配电箱预留足量的空气开关,并在机房规划相应空间,即可实现UPS并机扩容功能。关键是并机的过程处理,多种品牌UPS并机时需要对UPS的设置进行修正,此时要求UPS必须工作在维修旁路状态,UPS由市电直接带载,如果此时市电波动较大甚至停电,将造成系统的大面积瘫痪。所以并机扩容必须具备在线并机功能,即UPS并机扩容时,只需将新增UPS软件修改至与原UPS系统一致后,在不关闭原有UPS系统的情况下,直接将新增UPS并入原有系统即可,扩容前后,UPS均工作于在线模式下,避免切换至旁路供电的高风险操作。
2.3   采用模块化UPS,实现逐步扩容
  目前,模块化UPS已经开始在国内应用,模块化UPS特点主要包括:可扩容、平均故障修复时间(MTTR)短、可经济实现“N+X”冗余并机。以台达C系列UPS为例,每个模块为20kVA,整个系统最大可扩容至160kVA,可以根据机房的实际容量需求,逐步扩容,只要在机房初期规划好配电容量即可。同时,实现“N+X”冗余也比较划算,以60kVA的容量要实现“N+1”冗余为例,传统方案必须扩容一台60kVA UPS,而采用模块化UPS,则只需扩容一个20kVA的模块即可,节省大笔资金的投入。
3   提高UPS自身能效,优化负载效率曲线
  目前UPS均为在线式双变换构架,在其工作时整流器、逆变器均存在功率损耗。以一个容量为400kVA的UPS为例,每度电按0.95元计算,UPS效率每提高1%,一年节省的电费为400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元。可见提高UPS的工作效率,可以为数据中心节省一大笔电费,可见提高UPS效率是降低整个机房能耗的最直接方法。因此采购UPS,尽量采购效率更高的UPS。

图2 UPS效率与输出功率关系曲线

图3 ECO模式转正常供电模式波形图

当然UPS效率高不仅仅是满载时效率高,同时也必须具备一个较高的效率曲线,特别是在“1+1”并机系统时,根据系统规划,每台UPS容量不得大于50%,如果此次效率仅为90%以下,就算满载效率达到95%以上,也是没有意义的,所以要求UPS必须采取措施优化效率曲线,使UPS效率在较低负载时也能达到较高的效率。以台达C系列20kVA UPS为例,其满载功率为20kVA/18kW,如图2所示,其负载在2kW以下时已经高于90%,从6kW到16kW就已经能够满足95%的高效率。
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经济运行模式,其原理是在较好的市电环境时,激活此功能,使UPS由静态旁路直接供电,此时逆变器处于待机状态,正常工作,但不输出能量,一旦市电异常,UPS立即切换到逆变器供电状态,切换时间一般在1ms以内,具体可参考图3,由于此时的逆变器处于待机状态,所以自身损耗很小,此时UPS的整机效率可以达到97%以上,比正常模式减少3%以上的损耗。
使用ECO模式必须具备以下条件:
(1)静态旁路必须采用两组高可靠晶闸管,不得采用接触器加晶闸管的组合,因为接触器吸合时,接触点会打火,一般工作数百次之后就不能正常工作了。而晶闸管则不存在此问题,同时可以缩短切换时间。
(2)建议使用在较好的电力环境下,比如一级供电单位等。
4   降低输入电流谐波，提高功率因数
  谐波产生的根本原因是由于电力线路呈现一定阻抗, 等效为电阻、电感和电容构成的无源网络, 由于非线性负载产生的非正弦电流,造成电路中电流和电压畸变,称为谐波。谐波的危害包括:引起电气组件附加损耗和发热(如电容、变压器、电机等);电气组件温升高、效率低、加速绝缘老化、降低使用寿命;干扰设备正常工作;无功功率增加,电力设备有功容量降低(如变压器、电缆、配电设备);供电效率低;出现谐振, 特别是柴油发电机发电时更严重;空开跳闸、熔丝熔断、设备无故损坏。UPS对于电网而言是一个非线性负载,在工作的时候会产生大量的谐波。以配置6脉冲整流器的UPS为例,其输入功率因数一般为0.75左右,谐波大于30%。降低UPS工作谐波的主要方法有:
  (1)采用12脉冲整流器。其原理是在原有6脉冲整流器基础上,在输入侧增加一个移相变压器和6脉冲整流器。采用该技术方案后,可以将谐波降低至10%左右。优点是较为简单,谐波改善明显;缺点是对功率因数改善有限,价格略高。
  (2)采用无源滤波器。依据LC滤波电路原理,对UPS产生的谐波进行滤除,并对功率因数进行补偿。优点是技术简单,成本较低;缺点是只能补偿特点阶次的谐波,同时受负载阻抗影响较大,无法适用于全功率段。
  (3)采用有源滤波器。原理是利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。优点是可以补偿多个阶次的谐波,且不受负载阻抗大小的影响;缺点是购置成本较高。
  (4)采用高频IGBT整流及PFC功率因数校正电路设计整流器。原理是采用高频率PWM控制IGBT导通,对输入电压波形进行分割,使输入电流波形尽量接近正弦波,并对输入电压和电流相位差进行补偿。优点是体积轻,价格便宜,效果好;缺点是技术结构复杂,不易维护,受功率器件影响,目前容量大小受到限制。
  以上几种技术,性能及投资对比如表1所示,可以根据实际需求选择合适的方案。
5   电池管理及配电管理技术
  UPS都配备了电池,用户在电池组上的投资往往占整个UPS供电系统投资的很大比例,甚至超过UPS本身的投资,而电池的使用年限明显低于UPS主机。由于电池主要材料是重金属铅、硫酸和不易分解的塑料,都会对环境造成严重的污染。因此减少电池使用数量,延长电池循环使用寿命,不仅节省直接和间接的电池投资,而且还减少整个机房设备对环境的污染。所以UPS可以通过以下几个技术实现电池的节能。
  (1)并机共用电池组功能。共用电池组原理是通过特殊的整流器控制及故障隔离技术,使并机系统中的两台或多台UPS的整流同步、母线均流,使系统中的各台UPS母线直接并联,然后将满足系统后备时间要求的电池并联后接入并联母线系统中,实现电池的共享,减少电池投资。以“1+1”为例,传统的UPS方案,系统后备一小时,考虑其中一台UPS故障时,UPS2的电池不能为UPS1使用,所以UPS1和UPS2必须各配置一套一小时的电池组,才能保障系统在断电后还能备用一小时。采用共用电池组方案后,因为UPS1故障后,系统中的电池仍能为UPS2提供能量,所以整个系统仅需配置1套1小时电池即可。不仅节省了电池直接投资,同时也节约机房在空间、承重及空调等方面的投资,也降低了对环境的污染。
  (2)智能电池管理技术。影响电池寿命的因素有很多,主要包括温度、充电、放电、循环次数等。如果能够对上述几个因素进行综合处理,可以大大延长电池的使用寿命,延长电池更换周期,节约电池投资。UPS的智能电池管理技术主要包括:电池均浮充管理(均浮充控制)、充电温度补偿、智能放电终止电压控制，除此之外还应具备电池定期自动检测和电池漏液检测功能。另外还可以选择输入电压范围较宽的UPS，减少电池放电次数。通过上述几种技术,可大幅度延长电池寿命2～3年。

  (3)智能UPS配电管理技术。原理是通过侦测UPS
  电池电压或者管理设备供电时间,实现对机房中不同等级负载的多次下电保护功能,减少电池投资、提高电池使用率。智能UPS配电管理技术主要有两种方案:包括软件实现方式及硬件实现方式。以台达UPS为例,其软件方式是在UPS监控网络中,在负载服务器安装Delta Shutdown Agent关机代理程序，当市电异常并满足电池电压或者定时条件时，关机代理会自动保存系统程序，然后关闭服务器。
  硬件方式是UPS输出配置一个智能配电屏,通过PLC侦测UPS电池电压或定时要求,当满足上述条件时,智能配电屏根据设定分时关断某路输出。目前此方案已经在国内多条地铁的UPS供电系统中应用。
6   结束语
  数据中心节能必须从上至下,或者从基础设施到核心设备全方位抓起,UPS是整个交流供电环节的核心所在,做好UPS的节能不仅可以节约大笔的设备投资和维护费用,同时也大幅度降低了后期的运行成本。当然,UPS节能需要用户和厂家共同推进,目前UPS厂家已经纷纷推出了各自的产品或方案,客户只需量身规划即可。■