随着飞轮储能技术的发展与进步,目前市场上各种飞轮UPS供电系统已比传统的双变换UPS供电系统具有更高的电源效率,在满载的情况下,飞轮UPS的供电效率是98%,传统UPS供电效率为92%～93%,也就是说飞轮UPS的损耗只有2%,而传统UPS是在8%左右,飞轮UPS相比传统UPS可节能75%。有专家指出,这是飞轮UPS的先天优势。那么,究竟这先天优势到底从何而来呢?以下就揭开其基因图谱。

1   UPS效率的定义

首先要明确什么是UPS的效率?因为UPS会消耗一部分输入电能,国际电工委员会对UPS效率的定义为:在确定的运行条件下(有效)输出功率与(有效)输入功率的比率。

UPS消耗电能的量表示为能量损耗或效率,低效率的UPS其系统内浪费10%或更多的输入电能,所以数据中心运营者非常关心UPS的效率问题。即使是中型关键任务负载,低效率的UPS每年损耗掉的电能也会达到几十万千瓦时。美国环境保护机构(EPA)认为选择更高效率的UPS系统是减少数据中心电能消耗的关键因素。Intel公司的研究表明,UPS系统在整个数据中心能源消耗中占6%～7%。

2   影响UPS效率的因素

影响UPS系统效率的两个因素为:UPS系统自身的拓扑结构和决定UPS负载功率因数的数据中心电源及配电的设计。

UPS系统本身的设计结构会严重影响其有效性,所以在设计上,某些UPS本身就会比其他UPS的效率高。现今用于关键任务设施的拓扑结构主要有两种:互动式及双变换式。

互动式:互动式UPS系统中有逆变器和于交流市电信号并联的充电器电路或变压器。这种机型UPS设计可以补偿过压进电或欠压进电,而且还可使用适合的电子产品消除瞬变、电压浮动或其他电力干扰现象。当市电中断或市电参数值超过UPS系统可接受的极限时,互动式UPS进入储能模式。UPS将负载从市电处断开后再用静态开关将负载重新连接到备用电源上,备用电源通常是通过逆变器由电池或飞轮提供能量。

双变换式:双变换式UPS系统使负载完全隔离于未经处理的市电。在正常的运行条件下他们将未经处理的市电变换两次,所以他们才称之为“双变换”即从交流电变换成直流电,然后再将直流电变换成处理良好的交流电。正常运行状态下,即使市电没有电力干扰,双变换UPS系统也会一直给负载提供处理过的交流电源。

使用双变换式UPS，市电从交流整流到直流，再从直流逆变到交流，才能确保输出端完整的正弦波及频率保护功能，以及保护负载免受各种电力干扰的影响。这个方法既超出了IT设备的电源需求，又消耗了大量的能源。

与之相比,互动式UPS技术的设计更简单,部件更少,所以其效率更高。研究表明,在实验室测试及现实研究中证明，无论负载功率因数高低，飞轮UPS系统具有实实在在的更高能源效率。

3   UPS效率的重要性

从数据中心的角度来说,提高UPS系统效率可直接实现全天24小时的能源节省,其中既包括UPS内部本身的能源节省也包括降低热负载的间接能源节省,即使系统效率提升幅度很小,每年也可以节省大量的费用。以一个15000平方英尺的数据中心为例,按每平方英尺的IT设备运行功率为50W计算,每年需要消耗电能6.9MWh。如果UPS系统在效率上提高5%,每年可降低384,000kWh的电能消耗,大约节省3.8万美元的电费开支(按0.10美元/kWh计算),另外还可大量减少在冷却负载方面的节省。

UPS运行中产生的热量会引起温度的上升,当温度超过设计温度阈值时,会对设备造成短期或长期的潜在损坏。完善的电气机房设计应包括可将室内温度保持在一定范围内的空调系统或精确制冷系统。UPS效率越低,产生的热量越高,房间中的制冷需求越多,结果会增加基本建设成本及制冷系统持续运行费用。一般而言,对于高效率的集中冷却装置而言,冷却1kW的热量需要耗费0.33kW的电能,所以制冷费用进一步加重了低效率UPS的运行成本。

Active Power公司的飞轮UPS系统负载率为33%时,其效率为95%,而负载率超过50%的时候,其效率上升到98%。相比而言,双变换式UPS系统的效率要比飞轮系统的效率低,双变换式UPS负载率为33%的时候,其效率为80%到90%;负载率为50%时,其效率为85%到94%;双变换式UPS只有负载率超过75%的时候,其最高效率才能接近95%,但大多数双变换式UPS系统的效率只有85%到92%之间。

不仅如此,同双变换式UPS的蓄电池系统相比,飞轮系统使用的冷却能源或其他通风能源更少。Active Power公司的CleanSource UPS的运行温度范围更广(0～40℃),所以无需将其置于有温控的电池房间内。飞轮UPS系统降低了冷却能源的需求。

可以说飞轮UPS自身的拓扑结构,使之具备能效高的先天优势,而其较强的环境适应能力又加强这一优势,使之成为众多数据中心开始逐渐选用飞轮UPS的主因。■