型UPS输进谐波电流抑制共有4种方案


  绿色数据中心(Green Data Center)是指数据机房中的IT系统、机械、照明和电气等能取得最大化的能源效率和最小化的环境影响。绿色数据中心是数据中心发展的必然。总的来说,我们可以从建筑节能、运营管理、能源效率等方面来衡量一个数据中心是否为"绿色".绿色数据中心的"绿色"具体体现在整体的设计规划以及机房空调、UPS、服务器等IT设备、管理软件应用上,要具备节能环保、高可靠可用性和合理性。在布线行业待了长时间的朋友们可能知道,不仅建筑需要节能,数据中心也是如此,严重的电力不足,使得机房出现能耗危机,绿色数据中心主题突然间从"无人所知"升至"家喻户晓".当管理成本、资源整合、业务响应速度、信息安全以及能源管理各方面都凸显危机时,绿色数据中心便顺势而生。密集的线路,环境的控制,机柜的保护,良好散热的数据中心,都必须要求其具备高密度、高性能、高可靠、高灵活的功能。绿色数据中心在此基础上,确保对线路布置进行合理管理以实现有效空气活动最大化,帮助实现更高的冷却与供电效率的解决方案。

  如果把"高能耗"、"高成本"和"碳排放"比作绿色数据中心的三大"僵尸",那么能打败这些恐怖"僵尸"的"植物"是什么呢?答案很明显,当然是数据中心的那些绿色节能的手段。绿色数据中心(Green Data Center)的内涵是十分丰富的,它是指数据机房中的IT系统、机械、照明和电气等能取得最大化的能源效率和最小化的环境影响。

  本文介绍了UPS(Uninterrupted Power Supply,不间断电源)相关的绿色节能技术和手段。目的是帮助企业用户取得最大化的能源效率和最小化的环境影响,战败数据中心的三大"僵尸",打造一个绿色节能的数据中心。

  优化UPS负载效率曲线 降低能源损耗

  UPS( Uninterruptible Power System ),即不间断电源,是一种含有储能装置,以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时,UPS 将市电稳压后供应给负载使用,此时的 UPS就是一台交流市电稳压器,同时它还向机内电池充电;当市电中断( 事故停电 )时, UPS 立即将机内电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电,使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS作为保护性的电源设备,它的性能参数具有重要意义,应是我们选购时的考虑重点。市电电压输入范围宽,则表明对市电的利用能力强(减少电池放电)。输出电压、频率范围小,则表明对市电调整能力强,输出稳定。波形畸变率用以衡量输出电压波形的稳定性,而电压稳定度则说明当UPS突然由零负载加到满负载时,输出电压的稳定性。

  一般我们使用的电力都是交流电,要将交流电转换至直流电供给服务器内部各零组件使用。目前UPS均为在线式双变换构架,其在工作时整流器、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(400KVA×0.8)×0.01×24×365×0.95=26630.4元。所以如何提高UPS的工作能效,可以为一个数据中心节省一大笔电费。同时,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应尽量采购效率更高的UPS.当然,UPS的高效率不仅仅是满载效率高,而是需要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必需采用具体措施优化效率曲线,使UPS效率在较低负载时就能达到较高的效率。

  从严格的意义来讲,谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲,由于交流电网有效分量为工频单一频率,因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波,这时"谐波"这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念,才有了"分数谐波"、"间谐波"、"次谐波"等等说法。产生的原因:由于正弦电压加压于非线性负载,基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。谐波的危害:降低系统容量如变压器、断路器、电缆等;加速设备老化,缩短设备使用寿命,甚至损坏设备;危害生产安全与稳定;浪费电能等;谐波的治理。

  目前大型UPS输进谐波电流抑制共有4种方案:

  方案1:采用6脉冲UPS+有源谐波滤波器,输进电流谐波<5%(额定负载),输进功率因数0.95.这种配置,固然输进指标非常好,但是技术仍不成熟,存在误补偿、过补偿等题目,导致主输进开关误跳闸或损坏等现象。

  方案2:采用6脉冲UPS+5次谐波滤波器,假如UPS整流装置为三相全控桥6脉整流器,由整流装置产生的谐波占所有谐波的近25-33%加5次谐波滤波器后减小到10%以下,输进功率因数0.9,可局部减小谐波电流对电网的危害。这种配置,输进电流谐波仍然偏大,对发电机容量配比要求为1:2以上,并存在导致发电机输出异常升高的隐患。

  方案3:采用移相变压器+6脉冲整流器的假12脉冲方案,其组成由2台6脉冲整流器ups拼凑成:一台标准的6脉冲整流器和一台移相30度变压器+6脉冲整流器。所构成的假12脉冲整流器UPS.表面看起来满载输进电流谐波为10%,这种配置存在严重单点故障,当一台UPS故障时,系统输进谐波电流急剧增大,严重危害供电系统的安全。

  方案4:采用12脉冲UPS+11次谐波滤波器,假如UPS整流装置为三相全控桥12脉冲整流器,加11次谐波滤波器后减小到4.5%以下,可基本完全消除谐波电流含量对电网的危害,价格相对有源滤波器要便宜得多。采用12脉冲UPS+11次谐波滤波器,输进电流谐波为4.5%(额定负载),输进功率因数0.95.这种配置,为UPS行业最成熟最可靠的解决方案,对发电机容量要求为1:1.4.

  上述几种技术,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:?

  在选购UPS时,我们还需要关注UPS的工作模式。巧妙利用一些工作模式,能帮助我们轻松实现节能降耗的目的。

  1、具备自老化模式的三相大功率UPS节能技术

  传统的UPS老化工艺:UPS的输入端接市电,输出端接阻性负载,使UPS的负载率在95%-100%之间,持续通电24小时后断开市电。该老化工艺造成的结果是大量的电能被转变为无法回收的热能。

  具备自老化模式的UPS工作模式:老化时不需要负载,将UPS的输出直接接在电网上,控制UPS的逆变器进入电流源模式,其输出电流跟踪电网电压,打开旁路,控制逆变器的负载率在90%左右,从而使用了大约10%左右的能耗,直接节约电能90%左右,达到了节能降耗的目的。

  一般的老化实验是将UPS直接与阻性负载连接进行老化,这样存在很大的耗能问题。另一种方法是将UPS接到电子负载上,电子负载模拟实际负载吸收电能再将此电能回馈到电网上,此方法大大减轻了电能的损耗,但本质上还是存在两个损耗点,一是UPS本身的损耗,另一个是电子负载的损耗,而自老化不需要接到电子负载上,不存在电子负载的损耗,相比之下更能节电。

  自老化模式既不需要接阻性负载,也不需要接电子负载,UPS上电后只要通过监控设置即可让其自行老化。自老化运行的原理是:传统的UPS运行时,市电通过整流PFC将交流电能转换成直流电,再将直流电通过逆变电压源转换成电压频率均稳定的交流电能进行供电,而系统设置成自老化后,整流PFC模块部分仍然执行交流向直流母线的供电,而逆变部分则不同,逆变由通用模式下的电压源工作变为电流源工作,按一定的电流大小通过旁路回馈到电网上去,电能通过主路整流再经逆变电流源回馈到电网完成了整流和逆变的老化。

  新式的老化系统将90%的电能送回电网,假设每年生产的UPS的功率是57600KW,则节约的电57600*90%=51840Kw/年,按照 UPS平均老化8小时,则节约的电能是:51840*8=414720Kwh.节约的电能折合标准煤约为414720Kwh/年*334克 /Kwh=1242吨/年。

  2、使用ECO经济运行模式

  caPACite d'organISAtion P.A.Weiss提出的实验胚胎学分支领域的一个概念。即在对发生能力的概念进行区分时,把与一定造形作用相对应的可进行分化的能力称为分化能力,与此不同把直接起造形作用的能力则称为组织能力。例如组织者虽具有明显的组织能力,但在预定外胚层中并不认为有此能力。对于企业来说,组织能力是指公司在与竞争对手投入相同的情况下,具有以更高的生产效率或更高质量,将其各种要素投入转化为产品或服务的能力。组织能力包括企业所拥有的一组反映效率和效果的能力,这些能力可以体现在公司从产品开发到营销再到生产的任何活动中。精心培养的组织能力可以成为竞争优势的一个来源。

  ECO经济运行模式的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,具体见图3所示,蓝色为输入电流波形,黄色为输出电压波形。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,比正常模式节省3%以上的功率。

  使用ECO模式必需具备以下条件:

  a) 静态旁路必需采用两组高可靠SCR晶体管,不得采用接触器加SCR晶体管的组合,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SCR晶体管则不存在此问题,同时可以缩短切换时间。

  b) 建议使用在较好的电力环境下,比如一级供电单位等。

  无变压器的UPS设备

  功率电子设备的技术进步与功率器件的性能进步、新器件的不断出现有着密切的关系。50年来,随着功率半导体器件的进步,UPS设备经历了由多输出工频变压器到单个输出工频变压器的演变过程,而性能更好的大功率IGBT器件和更先进的控制技术的出现,为UPS设备从根本往掉输出隔离变压器创造了物质条件,使其在高频化、小型化、节能化和绿色环保化方面取得了长足的进展,这就是人们所说的"高频机".这种机型集中体现了UPS电路技术的进步,代表着 UPS技术的发展方向。与传统的带输出变压器的UPS相比,它在进一步缩小体积、减轻重量、改善性能、进步效率、降低本钱等方面,都取得了明显的改善和进步。

  应该说,采用输出变压器是UPS逆变器输出电路形式所决定的,而变压器的存在却是弊大于利。以一个400瓦的电源供应器为例,如果该供应器宣称转换效率达70%,也就是说,如果有400瓦的交流电输入到电源供应器中,只有280瓦的电会转成直流电供服务器应用,足足浪费了120瓦的电力。

  传统的UPS的整机效率只有75~85%,但采用无变压器的机型,可以提升至88%以上。也因此,选用无变压器的UPS更可以有效的运用电源,让每一度电都花费在系统运作上,进而降低电力的成本。

  目前有越来越多的厂商推出无变压器的UPS设备,可以让整机的效率提升至90%.

  结语:要最大限度实现UPS绿色节能,构建绿色节能的数据中心,除了要注意本文中所谈到的一些UPS本身的节能技术之外,还需要加强数据中心生命周期的管理,在整个数据中心的生命周期过程中进行合理地规划、配置,并对电源进行有效地管理。只有这样,才能最终实现节省直接和间接的电池投资,同时减少整个机房对社会环境的污染。

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