UPS系統(tǒng)ECO旁路模式在數(shù)據(jù)中心的研究及應(yīng)用

程 博，羅振杰，杜翰林，周澤楠，陳奕濤

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 廣州市分公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心運(yùn)行穩(wěn)定性在很大程度上會(huì)受到供配電系統(tǒng)的影響，在保證供配電科學(xué)合理的前提下，使供配電系統(tǒng)擁有更高能效是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要舉措。在數(shù)據(jù)中心中，不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)可以選擇多種工作模式，其中應(yīng)用最為廣泛的是在線式UPS工作模式，其負(fù)載長(zhǎng)期由逆變器負(fù)責(zé)。此種模式存在供電穩(wěn)定性高和掉電實(shí)時(shí)切換的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是擁有85%～90%的滿載效率，節(jié)能效果較差。還有一種是ECO模式，平時(shí)供電由市電負(fù)責(zé)，逆變器作為后備，當(dāng)市電出現(xiàn)異?；蛘吖收蠒r(shí)才由逆變器供電，最終能夠達(dá)到超過(guò)95%的滿載效率。下面將探討數(shù)據(jù)中心應(yīng)用UPS系統(tǒng)ECO路旁模式的問(wèn)題[1]。

1 UPS系統(tǒng)工作模式

1.1 在線雙變換供電模式

當(dāng)UPS在正常運(yùn)行狀態(tài)下，經(jīng)整流器輸入的交流將100%變換為直流，一方面能夠補(bǔ)充蓄電池的電能，另一方面能夠?qū)㈦娔芄?yīng)到逆變器中。逆變器始終維持工作狀態(tài)，借助直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）轉(zhuǎn)換將直流電向交流電的逆變電能持續(xù)供應(yīng)到負(fù)載[2]。當(dāng)逆變電路存在負(fù)載受沖擊、故障過(guò)載或其他故障時(shí)，終止逆變器輸出，同時(shí)使主路靜態(tài)開關(guān)關(guān)閉，接通旁路靜態(tài)開關(guān)，負(fù)載的電能將會(huì)直接由市電提供。

1.2 電池供電模式

當(dāng)交流輸入供電出現(xiàn)過(guò)大的UPS允差或中斷交流輸入時(shí)，UPS運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)樾铍姵毓╇姺绞絒3]。在逆變器、蓄電池組合處于蓄能供電的過(guò)程中，或者是在恢復(fù)UPS允差值的交流輸入電源前，借助逆變器蓄電池持續(xù)向負(fù)載供電。

1.3 維修旁路供電模式

當(dāng)UPS內(nèi)部急需維修且負(fù)載供電無(wú)法終止時(shí)，可以合理利用維修旁路開關(guān)，有效滿足相關(guān)需求，詳細(xì)情況如圖1所示。

圖1 維修旁路供電示意

1.4 ECO供電模式

ECO模式也就是經(jīng)濟(jì)性較高的運(yùn)行模式，屬于基本的UPS產(chǎn)品功能，擁有較為成熟的基礎(chǔ)。在ECO模式下，當(dāng)市電品質(zhì)達(dá)到較高要求時(shí)，UPS系統(tǒng)向負(fù)載供電將利用電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）濾波或者旁路完成，逆變?yōu)楹髠錉顟B(tài)；當(dāng)旁路頻率、電壓在負(fù)載承受范圍及UPS設(shè)定范圍以上時(shí)，則切換為UPS逆變供電，這個(gè)過(guò)程中使用的是雙變換工作模式，在使用ECO模式開展工作后，能夠達(dá)到95%～97%的整機(jī)工作效率，8～16 ms的典型切換時(shí)間。當(dāng)UPS使用ECO模式運(yùn)行時(shí)，直接由旁路將電能供給到負(fù)載；當(dāng)與此模式下設(shè)計(jì)控制范圍相比擁有更高的旁路電源質(zhì)量時(shí)，UPS才會(huì)完成逆變供電模式的自動(dòng)切換[4]。

需要注意的是，在這個(gè)過(guò)程中各種電網(wǎng)異常輸入波動(dòng)都可能影響IT設(shè)備，使負(fù)載側(cè)受到危害，所以在開展相關(guān)設(shè)計(jì)工作時(shí)，大多會(huì)將線路EMC濾波設(shè)置在旁路電路中，能夠降低電路干擾市電的程度。

因?yàn)閁PS系統(tǒng)ECO運(yùn)行模式中逆變器為后備狀態(tài)，UPS只存在較少的自身?yè)p耗，所以ECO模式主要存在以下方面的特點(diǎn)：（1）逆變單元待機(jī)；（2）市電直供；（3）整流單元可有效管理電池；（4）經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

2 ECO模式的可行性

數(shù)據(jù)中心在大多情況下都是使用在線雙變換模式運(yùn)行UPS系統(tǒng)，能夠使以下兩個(gè)方面的問(wèn)題得到有效解決，分別為電網(wǎng)質(zhì)量問(wèn)題和電力中斷問(wèn)題。解決電力中斷問(wèn)題時(shí)，若在UPS在線雙變換模式下斷開輸入電流，則后備電池可以滿足持續(xù)向負(fù)載供電的需求[5]。另外，UPS在線雙變換模式可以有效處理電網(wǎng)質(zhì)量問(wèn)題，如尖峰脈沖、諧波污染、頻率突變等，在UPS逆變器的幫助下可輸出無(wú)干擾且純凈的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。雖然ECO模式下的UPS系統(tǒng)擁有很多優(yōu)勢(shì)，但是也存在不得不面臨的問(wèn)題，相關(guān)人員需要對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行充分考慮[6]。

2.1 部分供電系統(tǒng)的切換時(shí)間

部分UPS系統(tǒng)可以在規(guī)定的穿越時(shí)間范圍內(nèi)正常工作，但是這并不是UPS系統(tǒng)的常備功能。當(dāng)需要切換運(yùn)行模式時(shí)，必然需要一定時(shí)間完成操作，而這時(shí)可能造成短暫的供電中斷。當(dāng)UPS系統(tǒng)和電源供應(yīng)器不同時(shí)，其對(duì)穿越時(shí)間的要求也存在差異，所以在執(zhí)行ECO運(yùn)行模式前，需要保證電源供應(yīng)器的穿越時(shí)間可覆蓋UPS系統(tǒng)的切換時(shí)間。例如，當(dāng)UPS系統(tǒng)在ECO模式切換中需要10 ms的切換時(shí)間，而后端電源供應(yīng)器的穿越時(shí)間低于10 ms，那么此種情況下的ECO模式并不適用于UPS系統(tǒng)。

在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，可以使用雙向晶閘管組成靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，采用這種方式的過(guò)載能力超強(qiáng)，可滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行旁路的要求[7]。軟件方面應(yīng)該對(duì)先進(jìn)的鎖相技術(shù)進(jìn)行合理利用，在可跟蹤范圍內(nèi)將切換時(shí)間壓縮到0 ms，當(dāng)旁路斷電時(shí)也能夠控制5 ms以內(nèi)的切換時(shí)間。

2.2 電源供應(yīng)器穿越時(shí)間

想要保證UPS系統(tǒng)ECO模式順利實(shí)施，必須以合理設(shè)計(jì)IT設(shè)備的電源供應(yīng)器為前提，從而保證其與ECO模式匹配。正常情況下，電源供應(yīng)器都擁有儲(chǔ)存能量的功能，所以規(guī)定范圍內(nèi)的穿越時(shí)間是被允許的，大多以毫秒為單位，即使在這一時(shí)間內(nèi)IT設(shè)備完全斷電也仍然能夠持續(xù)運(yùn)行[8]。所以相關(guān)人員應(yīng)該充分重視分析與對(duì)比IT設(shè)備電源供應(yīng)器的輸入特性和UPS輸出特性，以電源供應(yīng)器可支持的最大電源輸入中斷時(shí)間為基礎(chǔ)，UPS輸出電源必須擁有更短的中斷時(shí)間，否則UPS系統(tǒng)ECO模式的實(shí)施條件將無(wú)法得到滿足。

在滿載的情況下，電源供應(yīng)器的穿越時(shí)間會(huì)受到單電源供電的影響，由于電源供應(yīng)器不同，在穿越時(shí)間方面也會(huì)存在差異，正常情況下為10～50 ms。當(dāng)電源供應(yīng)器由雙電源供應(yīng)時(shí)，因?yàn)镮T負(fù)載被雙電源均分供電，雙電源供應(yīng)器只需在半載情況下運(yùn)行，相較于滿載的單電源供電，其穿越時(shí)間會(huì)高出0.5～2倍，并且不需要對(duì)雙路電源同步進(jìn)行保持。

在電源供應(yīng)器穿越時(shí)間的影響因素中最重要的就是輸出功率。當(dāng)電源供應(yīng)器擁有越大的輸出功率時(shí)，其就擁有越短的穿越時(shí)間。由于電容器只擁有有限的儲(chǔ)存電能，所以當(dāng)擁有較大的輸出功率時(shí)自然就會(huì)擁有較短的穿越時(shí)間[9]。

需要注意的是，雖然電源供應(yīng)器的功率大小能夠影響其穿越時(shí)間，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中使用的是在最壞工況和最差相角下的穿越時(shí)間參數(shù)。同時(shí)，在一個(gè)或兩個(gè)周波內(nèi)電源供應(yīng)器還能夠?qū)㈦娔茌斔椭岭娙萜?，使其能量損失得到彌補(bǔ)。

2.3 市電質(zhì)量

在UPS系統(tǒng)使用ECO模式運(yùn)行時(shí)對(duì)市電質(zhì)量擁有較高的要求，從而保證電力質(zhì)量能夠?yàn)殡娮有畔⒃O(shè)備構(gòu)建良好的運(yùn)行環(huán)境。本次研究中將以UPS系統(tǒng)ECO模式和UPS雙變換模式應(yīng)對(duì)常見電網(wǎng)質(zhì)量問(wèn)題的情況作為對(duì)比對(duì)象，通過(guò)最終分析結(jié)果可知，在UPS系統(tǒng)以ECO模式運(yùn)行時(shí)需保證市電質(zhì)量符合要求，進(jìn)而保證電子信息設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。使用UPS系統(tǒng)ECO模式能夠使電力中斷的問(wèn)題得到有效解決，但是對(duì)于噪聲、尖峰脈沖以及諧波等問(wèn)題需要與實(shí)際情況相結(jié)合，采取有針對(duì)性的措施[10]。

3 ECO模式測(cè)試

為了使UPS系統(tǒng)ECO模式運(yùn)行的可靠性和節(jié)能性變得更加明確，本次研究中的測(cè)試對(duì)象為某品牌400 kVA容量的12脈沖高頻機(jī)，主要測(cè)試不同場(chǎng)景下ECO模式的切換情況，對(duì)比在線雙變換模式與ECO模式消耗能源的情況。

3.1 ECO切換測(cè)試

主要測(cè)試在各種負(fù)載率下UPS單機(jī)EOC模式的切換情況、在負(fù)載不同情況下UPS并機(jī)ECO模式的切換情況、在頻偏時(shí)ECO模式的切換情況、在欠/過(guò)壓時(shí)ECO模式的切換情況，以多通道示波器作為測(cè)試工具展示輸出電壓波形，最終取得了如表1所示的測(cè)試結(jié)果。

表1 ECO模式切換測(cè)試結(jié)果

3.2 節(jié)能測(cè)試

在不同負(fù)載率下對(duì)ECO供電模式和雙變換模式的效率分別開展測(cè)試，最終結(jié)果為當(dāng)存在100%、70%、50%、30%、10%的阻性負(fù)載率時(shí)，使雙變換供電模式的效率分別為92.2%、92.5%、92.6%、91.3%、83.8%；ECO模式的效率分別為97.7%、97.0%、96.1%、93.6%、83.8%。

通過(guò)這一測(cè)試結(jié)果可知，ECO模式在輕載時(shí)并不存在明顯的節(jié)能效果，但是在不斷提升負(fù)載率的過(guò)程中，其會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越明顯的節(jié)能效果。ECO模式在滿載的情況下與雙變換供電模式相比能夠提升約6%的效率。

4 結(jié) 論

隨著各種供電技術(shù)越來(lái)越成熟，電網(wǎng)質(zhì)量已經(jīng)能夠滿足數(shù)據(jù)中心電子信息設(shè)備電源供應(yīng)器的供電需求，為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用UPS系統(tǒng)ECO工作模式打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。將這一工作模式有效應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)不但能夠更加安全的運(yùn)行供配電系統(tǒng)，還可以減少系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能源消耗。