構建數據中心綠色UPS系統的三大思路

近年來，隨著互聯網與移動互聯網的發展及信息化的推行，用于存儲、處理、傳輸信息的數據中心建設如火如荼，其耗電量已達到了全球用電量的1%-2%。數據中心巨額的電力損耗對環境及電網帶來了不可忽視的影響，因此帶來的能源成本及治理措施給企業增加了沉重的負擔。

UPS作為數據中心中最常用的供電保障設施、供配電系統中損耗最大的環節，是構建綠色數據中心必不可少的一部分，綠色化不可避免。UPS在保護負載的同時，帶來的負面影響，主要包括電能損耗和電網污染兩個方面，筆者將就這兩個方面的具體影響及如何達到綠色的目標分享一些自己的經驗。

1.高運行效率是綠色UPS的基本要求

我國電力供應中，火電占比在70%以上，其中絕大部分的火電是靠燃煤來實現的。因此，節約電能，就是減少煤的燃燒，進而減少二氧化碳和有毒有害氣體以及灰塵的排放，對改善我國環境污染和霧霾天氣意義重大。在UPS主要的應用場景數據中心中，大約10%電量為UPS所消耗，每年我國數據中心中UPS電力損耗即達80億kWh。因此綠色UPS需要具備較高的運行效率，以減少能源消耗。

UPS效率與其類型與原理緊密相關。傳統數據中心中使用較多的工頻UPS因內置輸出變壓器用于升壓、使用高損耗拓撲與器件、設計粗放等原因一般最高效率僅90%左右;高頻UPS取消了變壓器，一般效率可達到94%;模塊化UPS效率在高頻UPS的基礎上通過精細化設計一般均可達到96%。

但需要注意的是UPS最高效率非實際運行效率。UPS最高效率在60%以上的負載率段獲得，并隨著負載率的下降而下降。但在實際運行中，UPS系統一般采用N+X冗余或雙母線配置，而為了滿足未來3-5年的供電需求增長，UPS系統容量配置也會大于建設初期實際容量需求，因此UPS的負載率很難超過40%。也即，要使UPS實際運行在高效率，必須關注UPS在低負載率下的效率。

隨著業界對效率問題的重視，低載高效UPS在技術比較先進的廠商均已實現，如施耐德、華為等廠商的模塊化UPS系列在40%時即可達到96%的效率，比傳統UPS運行效率大幅提升。

2.改善電能質量，綠色UPS需減少對電網的污染

就像用水企業使用干凈的水之后可能排放污水一樣，電力負載在從電網取電的同時，也可能反饋污染給電網。其中非線性負載是電網比較常見的污染源，包括UPS在內的電力電子設備的前級整流裝置均屬于該類型。隨著數據中心的集中化和規模持續增大，10MW級別的數據中心已屢見不鮮，為確保電能質量，避免干擾其他用電設備的正常工作，必須減少UPS等電力電子設備對電網的污染問題。UPS對電網的污染主要體現在功率因數和輸入電流諧波畸變兩個方面。

用電設備功率因數的降低，將使無功功率增加和設備總需用電流變大，從而加大線路的損耗，且使相應的線纜、空開、變壓器等變配電設備選型及成本升高。以500kVA UPS為例，工頻UPS的各類配電器件選型均大于高頻UPS。

而電流諧波畸變率THDi則導致電壓畸變，干擾其他設備正常工作;大量的3 次諧波流過中性線時，導致損耗增加。電網高次諧波還會導致繼電保護和自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計量不準確。

傳統工頻UPS使用相控整流，其整流器有6脈沖和12脈沖兩種，分別由6個晶閘管和12個晶閘管組成。因為其一個市電周期內只能開關一次，電流波形難以有效控制，故該整流器輸入電流諧波大，功率因數低。而高頻UPS采用高頻開關整流器，通過快速開通與關斷調整工作回路使電流為與電壓同相同頻的正弦波形，從而減小輸入電流諧波，提升功率因數。不同類型UPS諧波值與功率因數如下：

由諧波與功率因數指標來看，工頻UPS不是綠色UPS系統。事實上，工頻機為了改善諧波與功因指標，以達到電能質量的標準要求，常采用諧波濾波器來進行治理�？蛻舨粌H需要額外投資，還需要承受因濾波器帶來了電能成本增加和機房空間損失。

3.構建綠色UPS系統

如上所述，綠色UPS系統應具備高效率、高功率因數、低諧波污染等特點。如何構建綠色UPS系統，筆者認為可以從以下三個方面改進。

1)在UPS選型時優先選用原理上更綠色的機型。工頻UPS在市場上具有較長的應用歷史，也因此贏得了不少偏愛，但工頻UPS是一種不折不扣的高損耗，高污染機型;隨著技術的進步，高頻UPS以及可用性更高的模塊化UPS無論是從綠色的角度還是從可靠性、易用性等角度都完全可以取代工頻機

2)UPS系統建設盡量避免一步到位，而根據業務需求按需部署。超前規劃與部署是UPS負載率低、效率低的關鍵原因，導致初期投資大而浪費嚴重的問題。對此問題一種比較好的解決方案是采用模塊化UPS。模塊化UPS可在線擴容，避免傳統UPS在線擴容風險高的缺點。而容量可根據負載的增長而擴展，二者始終處于最佳匹配之中，使每一分投資都得到了合理利用，且提高了運行效率，節約了運營成本。另外，提升UPS設備利用率也可以有效降低諧波值，提升功率因數。

3)在實際運行中，可加強電網、負載監測及各環節能耗測量，獲取實際運行數據。在系統允許的情況下，使用更節能的智能休眠工作模式或ECO模式。對于損耗過大的供配電環節，可從TCO角度綜合考慮，適時進行改造。