隨著網絡應用越來越廣泛,數據中心越建越大,用戶也越來越關注數據中心的運行費用,要降低運行費用,采用率的UPS系統成了用戶的。
早期UPS的效率非常低下,其主回路結構如圖1所示。
整流器主回路由可控硅組成,對電網污染很大。由于早期晶體管還不能承受高電壓大電流,所以逆變器主回路也采用可控硅,在直流逆變中,可控硅導通后不能受控關斷,需要1.5倍反向電流才能關斷,這大大影響了可控硅的開關速度,使得早期的逆變器工作頻率只有300Hz,雙變壓器的應用也使得UPS整機效率只有84%。
到了上世紀八十年代,功率晶體管已經能夠承受高電壓大電流了,這時候逆變器主回路采用功率晶體管取代可控硅。晶體管的工作頻率受到限制,工作頻率一般為1500Hz左右,由于逆變器工作頻率提高5倍,變壓器及濾波器的體積大大縮小,UPS整機效率比可控硅組成的逆變器提高5%以上。
隨著IGBT技術應用越來越成熟,UPS廠商普遍采用IGBT作為功率器件,如圖2所示。
整流器主回路采用IGBT器件,實現輸入功率因數為1,輸入諧波小于3%,對電網無污染。逆變器主回路也采用IGBT器件,由于IGBT器件的控制屬于電壓型控制,大大提高了逆變器的工作頻率,逆變器工作頻率達7500Hz以上,頻率提高可以使逆變器的濾波器體積進一步縮小,采用無變壓器技術使得逆變器的銅耗和鐵耗大大降低,所以UPS整機效率*高可以達到96%。
雖然采用IGBT技術的UPS效率很高,但對于大型數據中心來說4%的能耗還是偏大。所以有很多用戶希望采用ECO運行模式以進一步降低運行費用,因為ECO運行模式達99%。傳統ECO模式如圖3所示。
市電通過旁路靜態開關直接向IT負載供電。達99%。市電上的干擾和負載產生諧波會互相影響。逆變器處于待機狀態沒有參與工作,相當于一臺大的后備式UPS。這種傳統的ECO模式大型數據中心是不會采用的。
隨著UPS電源技術不斷發展,UPS廠商已經在ECO運行模式研發上投入巨資,下面我們來闡述一下主流UPS廠商開發的ECO工作模式。
目前市場上ECO模式共有如下四個功能
(1)市電輸入功率因數始終為1
如圖4,逆變器處于不帶有功負載工作狀態,逆變器會負責對蓄電池的浮充。IT負載的有功功率(kW)*由市電提供,而IT負載的無功功率由逆變器提供。在這種運行狀態下,無論負載的功率因數為多少,ECO模式能確保靜態旁路市電輸入端的功率因數維持在1。整流器處于待機狀態(注意,IT負載*的有功功率由市電提供)。
(2)雙向消除并隔離市電和IT負載產生的諧波
如圖4,逆變器作為*的有源濾波器并聯在輸入市電回路上,這是一個的有源諧波調節器,它可以吸收市電諧波及浪涌,使IT負載不受市電諧波及浪涌干擾而安全運行,也能消除IT負載產生的諧波,不讓這些諧波去影響市電上的其它負載。這個*的濾波器能夠實時檢測電網中由非線性負載產生的電流波形,分離出諧波部分,將其反相,再通過IGBT逆變器的發出將反相電流注入到電網中,實現濾除諧波的功能。另外,這個*的有源諧波調節器還可以提供超前或滯后的無功電流,用于改善電網的功率因數和實現動態無功補償,而在通常情況下,一般有源濾波器的容量只有總功率的30%。注意,在這種ECO模式下,IT負載的有功功率(kW)*由市電提供。
(3)對于*不平衡的三相IT負載,逆變器的有效參與能使三相市電輸入基本平衡
如圖5所示,IT的A相負載為90kW,IT的B相負載為90kW,而IT的C相負載為零。由于逆變器并聯在市電供電回路中,實際市電輸入功率為:A相60kW,B相60kW,C相也輸入60kW,只是C相的60kW的功率被逆變器整流(AC/DC,交流變直流)輸入至蓄電池直流母線上,而這60kW的直流能量由逆變器再逆變(DC/AC,直流變交流)至逆變器A相輸出30kW，逆變器B相輸出30kW，逆變器A相輸出的30kW功率和市電A相輸入的60kW功率相疊加剛好滿足A相IT負載90kW要求，逆變器B相輸出的30kW功率和市電B相輸入的60kW功率相疊加剛好滿足B相IT負載90kW要求，而C相IT負載依然為零，但是市電輸入的三相功率是基本平衡的。
(4)逆變器有限參與輸出電壓(IT負載電壓)的調節
實際上IT負載對供電電壓范圍還是比較寬的,IT負載不需要220V,1%的精度,207V至233V,6%的電壓精度,IT負載接受,當市電超出6%這個電壓范圍時,逆變器參與調節,不是*調節,而是僅對市電超限部分進行電壓調整。
①一種情況:市電輸入電壓在207V與233V之間,如圖6。
逆變器不參與調節,逆變器僅提供負載所需要的無功功率并作為有源濾波器濾除市電和負載的諧波。
②二種情況:市電輸入電壓低于207V,假如為200V,見圖7。
如白天,市電為200V,逆變器輸出8V電壓和市電疊加,使IT負載得到208V,從而保證IT負載安全運行,逆變器承擔部分有功功率。深夜,市電為240V,逆變器也輸出8V電壓和市電疊減,使IT負載得到232V,從而保證IT負載安全運行。
ECO的這種調節模式,非常巧妙,它不認為電源是*的不滿足IT負載要求,市電只存在小部分不滿足,所以這種ECO模式只針對不滿足IT負載要求的部分進行調節,而不是*地對總功率進行整流再逆變的轉換,因為這種滿功率的雙變換一定是低效的。
如果大型UPS的ECO模式具有這四個功能，大型數據中心就能采用ECO運行模式，從而使數據中心效率大大提高。對3000個機柜的數據中心，每機柜6kW，總IT負載達18000kW，3%的節能，電費每度一元，每年可以節省約470多萬運行費用。