从UPS入手 四招战败数据中心三大僵尸

  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。

  那么对于用户来说，到底哪些技术和产品可以实现绿色数据中心的构建?建设绿色数据中心时面临的主要障碍是什么?用户又会为哪些绿色节能的技术和产品买单呢?IT168隆重推出绿色数据中心大型专题，将为您梳理各个领域绿色节能技术的发展现状，并为您推荐实现绿色节能的产品和技术。

  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

  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。

 负载效率曲线

 降低输入电流谐波、提高功率因数

  所谓谐波就是由于是由于电力线路呈一定阻抗，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。在UPS行业，我们称高输入功率因数和低输入电流谐波的机型为绿色电源。

  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;无功功率因素加大,，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，特别是油机发电时更严重;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的负载，其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%。

  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：

  降低UPS工作谐波对比表

  妙用工作模式 轻松节能降耗

  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。

  随着具备自老化模式UPS的投产，改变了传统的电源老化方式，使老化工艺以高效节能的方式进入电源生产行业，以显著的经济效益改变了电源老化纯粹是“烧电”的概念，使电源老化工艺成为清洁、环保，低耗的新型工艺。该项目具备显著的节能效果，最大的特点就是节约了大量的电能，和传统的电源老化方式相比可以节约90%的电能，非常符合国家节约能源的基本国策，也有助于缓解地区用电紧张，具有很好的应用推广价值。

  2、使用ECO经济运行模式

  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。

  ECO模式转正常供电模式波形

  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。