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使大型UPS电源系统更高效的分析
作者:ups020    发布于:2013-04-12 15:50:41    文字:【】【】【

简介

指定和选择UPS电源系统的传统方式几乎将重点完全放在系统的可靠性上,该指标由制造商和咨询工程师提供的平均故障间隔时间(MTBF)表示。当前,两方面的问题正将效率指标推向与可靠性同等重要的地位:(1)对系统整个寿命期内总拥有成本(TCO)的关注以及(2)公共和私人推动的环保行动,例如由电力公司提供的"绿色楼宇"认证计划和需求端管理计划。

造成UPS低效率有两个主要因素:UPS模块本身的固有损耗,以及系统的实施方式(即正确选型、冗余)。在指定UPS系统时,所考虑的效率值经常只是制造商所公布的最佳状况值。这容易造成误导,将对其进行进一步解释。

假设的例子可能是证明这种惯例对企业电力开支实质性影响程度的最好方式。考虑两套来自不同制造商的1MWUPS系统。UPS系统1和UPS系统2具有相同的公布效率(满载时为93%),以2N式体系结构运行,电费成本为0.10美元/kWh,且支持一300kW负载。许多人会认为运行这两套系统的年度电力成本应该没有区别。除在紧急或维护情况下,这种说法都是站不住脚的。在2N式配置中UPS从不会以100%负载水平运行,因为"N"的每一侧均必须能够在另一侧故障时支持全部负载。因此,正常运行中每一UPS上的最大设计负载不能超过50%。实际上,在每一系统上2N式系统甚至很少达到50%的负载。一些实地调查显示,2N式数据中心仅以其2N容量的20-40%1运行。对于本例,假设为典型的30%的负载,每台UPS支持150kW。系统1中每台UPS每年的电力损耗成本为10,470美元,而系统2中每台UPS则为28,322美元。由于每套系统中均有两台UPS,电力损耗成本将分别加倍至每年20,940美元和56,644美元。这些由UPS损耗的能量表现为必须由制冷系统排出的热量。假设每kW热量需要400W的制冷系统功率来排出,则每年需要的额外成本分别为8,376美元和22,651美元。在本例中2,典型的数据中心寿命为10年,导致UPS系统损耗总成本分别为293,165美元和793,021美元,如表1所示。那么,这两套看似相同的UPS系统的电力损耗差距是如何达到几乎3倍的呢?

以 2N 式体系结构、相同负载运行的两套不同系统会发生不同的成本

答案在于两套UPS系统的效率曲线及其针对负载的选型方式。一台UPS的效率提高5个百分点可以形成18%到84%的电力成本缩减,具体取决于UPS上有多大的负载。这一点将在后文采用当前市场上的两种UPS设计加以说明。

为了满足当今的效率和环境需求,UPS制造商们可以通过三种因素来提高大型UPS的效率,即:技术、拓扑和模块化。这三个因素结合可以减少最终转化为热能形式(kW)的UPS电气损耗。本文将解释效率曲线,并对UPS效率评价中常见的错误进行讨论。它将展示技术、拓扑以及模块化将如何使制造商可以提高UPS效率。

UPS效率曲线

如果在UPS数据单中仅列出了一个UPS效率值,则几乎理所当然地会将该值按100%负载(额定负载)以及其他各种适宜的系统状态(如蓄电池充满电、额定UPS输入电压以及可选的输入变压器和滤波器断开或未安装)下的情况进行引用。实际情况是,多数UPS制造商会引用100%负载下的UPS效率,因为它代表了UPS可以达到的最佳效率。遗憾的是,很少有客户会享受到这种效率的收益,因为他们的负载从来不会达到100%。基于铭牌效率指定UPS就像是买汽车,汽车的最高燃料效率要在高速公路上方可达到,而使用时可能主要是在城市中行驶。指定UPS的一种较好的方法是使用30%左右负载下的效率值,该负载倾向于是多数中等到大规模数据中心的平均运行负载。为此,必须首先理解什么是UPS效率曲线以及它是如何绘制的。

图1示出了UPS效率曲线的基本形态。曲线上的最高点对应于最高效率(Y轴)和最高负载水平(X轴)。在此曲线中,最高的UPS效率为93%。为了以实际负载水平指定UPS,客户必须找到或测试常见负载水平(如30%)下的UPS效率(在此曲线上为89%)。在数据中心使用冗余UPS(2N)的情况下,效率会下降更多,原因是负载会在两台UPS之间分配,使效率降低至82%。这种冗余的影响将在后文中讨论。

UPS电源效率曲线如何绘制UPS电源效率曲线图

显示功率最终去向的 UPS 总输入功率明细

在图中,绿色条表示送至IT负载的所有功率,而红色条表示确定图1中效率曲线的UPS内部损耗。如果UPS具有理想的效率,则供给UPS的所有功率将被送至数据中心负载,使得在所有负载水平下均完全为绿色条(无损耗)。在此情况下,效率"曲线"将呈现为水平线(在所有负载下均为100%)。然而如红色条所示,有些输入功率是被UPS直接使用的。有三种类型的UPS损耗:"空载"损耗、"比例"损耗和"平方律"损耗。

空载损耗

在0%负载下,所有输入功率均被UPS使用,因此定名为"空载"损耗。也可以采用其他名称,如"自有"(tare)、"恒定"、"固定"、"分流"(shunt)及"并联"损耗。这些损耗与负载无关,是由向变压器、电容器、逻辑电路板以及通信卡等设备供电所致。空载损耗可占到所有UPS损耗的40%以上,其提高UPS效率的潜力远高于其他类型的损耗。这一点将在附录中进行更为详细的讨论。

比例损耗

随着UPS所承担负载的增加,更大量的功率必须在其功率路径上被各种组件进行"处理"。例如,晶体管的开关损耗以及电容器和电感器的电阻损耗都会增加比例损耗。

平方律损耗

随着UPS所承担负载的增加,流经其组件的电流也将增大。这将导致UPS中的损耗随电流的平方而变化,这种损耗有时被称为"I2R"损耗。以热量形式耗散的功率损耗与电流的平方成正比。平方律损耗在较高的UPS负载下将变得明显(1-4%)。

两台或更多UPS间效率比较的特定性质意味着只有其损耗(图2中的红色条)会被评价。效率曲线本身就可以表达关于UPS的大量信息,包括对其比例、空载和平方律损耗在所有负载水平上的量化。绘出这三类损耗相对UPS负载百分比的关系将得出类似图3的功率损耗图。应注意空载损耗如何在整个负载谱内保持恒定,同时比例损耗会随着UPS所承载IT设备的增加而沿斜坡增加。

功率损耗图

指定UPS系统时常见的错误

指定UPS系统的人很容易会不考虑一种UPS相比其他产品的效率改进。表2列出了各种理由以及它们的问题所在。

不考虑 UPS 效率的理由

企业将按照电表测量的用电量支付电费。这是指定任何设备的最终基准。这就是制造商的效率曲线数据应以实际客户设施为依据的原因。此外,数据中心电源系统的设计应考虑到对整个动力系而非单纯对UPS的效率影响。一个例证就是去除输入滤波器以提高测得的UPS效率。按其本身的性质,UPS会产生谐波或有害电流,使上游导线和变压器的热损耗增加,因此会降低效率。UPS输入滤波器通过削弱交流电的谐波分量,可以是这些负面影响最小化。通过去除输入滤波器以提高测得的UPS效率,制造商实质上是将热损耗及其相关电气损耗推到了更上游的地方。最后,最终用户将不知不觉地支付一笔额外的效率成本,在满载下其值将超过0.5到1个百分点。这是因为UPS通常加载约为30%,滤波器的固定损耗在其中占有很大比重。例如,在电价为0.10美元/kWh条件下,假设负载为30%的1MWUPS的最佳可能效率为89%。如果在这一负载水平上增加一个滤波器,并将效率降低三个百分点,年度电费成本将由32,481美元升至42,781美元,升幅接近32%。

按效率指定UPS的最有效方法可能就是要求制造商提供可以完全描述其UPS相比其他产品的节能优势的效率曲线。注意该曲线应配有输入和输出功率数据,以便可以采用简单的数据表在0%至100%负载之间的每个点上计算出节能量。重要的是该制造商曲线要基于与被指定方式类似的配置。本文的附录将通过对各种情境的研究,提供对UPS效率比较的深度讨论。下节将介绍制造商提高UPS效率的各种设计手段。

提高大型UPS效率

为提高UPS效率,制造商可以降低三种显著的损耗,即:空载损耗、比例损耗以及平方律损耗。为此,制造商有三个可以自行决定的要点:技术、拓扑和模块化。理解了这些因素如何影响效率后,负责选定设备的工程师们可以更好地辨识出将显著降低其电气运行成本的UPS系统。

技术

"技术"一词往往与拓扑和模块化有所重叠,但在本文中,其意义仅限于描述包含硬件和软件的UPS构成组块。

开关技术:IGBT取代SCR(可控硅)
大型固态("静态")UPS系统的工作是进行交流电(AC)与直流电(DC)之间的相互转换。这种电力转换过程的一个内容就是快速的开关切换,由于开关固有的电阻,这将导致开关上产生热量形式的功率损耗。实际上,即使在开关开路时,也总会有因漏电流造成的少量热损耗。这就与绳子(电流)经过人的手(开关)快速拉动时的发热情况可以类比。绳子张紧(开关闭合)时发热,而当绳子放松(开关断开)时,产生的热量就非常少。

最初,开关过程由具备大功率/高电压开关能力的可控硅整流器(SCR)来实现。可控硅(SCR)在1990年代中期之前是标准的UPS组件,至今仍在某些较老的设计中使用。其价格相对低廉,而且易于设计,但却有严重的缺点,其中最糟糕的就是往往会以"短路"失效,即在UPS的最关键点直流母线上造成短路。必须加装保护电路和装置以防止直流母线进入这种故障模式,继而导致更多组件故障。SCR导通容易(对栅施加1-2V信号即可)但截止较难(必须有一个反向偏置电压尖峰)。晶体管没有此问题,其导通和截止所需功率较小。基本上当存在选通信号时,它们为"通",当没有选通信号时即为"断"。但直到1990年代中期,它们的电流处理能力一直有限。这一问题在绝缘栅双极晶体管(IGBT)被引入后得到了解决。能够实现更高速度并处理更大功率的IGBT使功率转换过程得以采用"高频脉宽调制(PWM)"模式工作。高频PWM可以减小所需滤波组件的规格,从而可进一步实现效率提升。

控制:DSP(数字信号处理)取代模拟方式
当今许多制造商正在由模拟控制转向数字信号处理(DSP)控制。这种转变类同于从采用齿轮和指针的传统手表到采用电池和液晶显示屏(LCD)的数字手表的转变。DSP控制的智能性要高得多,可以在高得多的速率下运行,由此可以做出有助于提高效率的多得多的决策。DSP控制也可以使组件数量比模拟电路要少。

更高级的DSP控制可以通过智能自适应开关来提高效率,在这种方式中,高频主功率开关可以在可能造成损耗的开关转变更少的条件下保持输出电压精度。对于较轻的负载,采用DSP使开关转变减少的量最高可达50%,由此可实现显著的效率改进。此外,DSP控制比其前代控制方式需要的功率少得多,由此可实现空载损耗的实质性减少。

IGBT和DSP技术是重大的技术进步,它们已经使最近几代的UPS产品的效率得到了提高。

拓扑

UPS拓扑对其功率组件内部连接的方式进行了基本的规定。制造商们可以采用拓扑作为在特定应用或规格范围内降低损耗的工具。在大型UPS系统主要采用两种拓扑:双转换在线式和Delta转换在线式。对于大功率UPS系统(超过200kVA):美国电力研究学会最近有一份出版物表明,当前采用Delta转换在线式UPS拓扑可以实现最高的效率3(图4)。拓扑对UPS效率的影响在以下各段中进行介绍。

EPRI UPS 报告摘录

两种“在线式”UPS功率转换技术

对于Delta转换在线式系统,效率的提升主要通过降低空载损耗实现,此外也有平方律损耗降低的因素。通过以串联布置使用输入变压器,UPS输入电流和UPS输出电压可以完全被调节和控制,而无需像双转换在线式系统一样将所有输入功率转变为直流后再转回交流,如图5所示。应注意,Delta转换在线式UPS的输出电压完全由输出逆变器再生得到,并与市电隔离,就像在双转换在线式UPS一样。拓扑降低空载损耗的方式的另一例子是通过取消与双转换拓扑相关的输入滤波器。传统的双转换式UPS会产生较大的输入谐波电流(占总谐波失真的9%至30%)和较低的功率因数(0.9至0.8)。鉴于此原因,在双转换式设计中加装了一个输入滤波器,它可以提高功率因数,并使造成上游导线和变压器中热损耗增加的谐波或有害电流最小化。然而应注意,加装这一输入滤波器会干扰发电机组的电压调节。通过吸入正弦电流,Delta转换式拓扑在整功率因数下产生的输入谐波电流可以忽略(小于3%),由此可完全不需要输入滤波器。

Delta转换可以很好地说明制造商可以如何使用拓扑来提高UPS效率并提高节能量,同时不对电气性能造成影响。以下比较有助于说明这种节省。

对拓扑的影响加以量化
1N拓扑比较–Delta转换式与双转换式
配置"A"是一台1MWDelta转换在线式UPS。配置"B"是一台1MW双转换在线式UPS。图6所示为每一台UPS的效率曲线,以负载百分比为自变量。在两种情况下,均假设负载为300kW。配置"A"在30%负载下的效率为94.9%,而配置"B"为88.7%,即两者效率相差6.2个百分点,在UPS的整个生命周期内这是相当大的成本节约。

Delta 转换式 UPS“A”与双转换式UPS“B”的效率线

Delta 转换式与双转换式

当相同的UPS作为2N冗余的体系结构进行分析时,表3所给出的成本会接近翻倍(双系统)。以下比较将对此加以说明。

2N拓扑比较–Delta转换式与双转换式配置"A"由冗余(2N)1MWDelta转换在线式UPS系统组成。配置"B"由冗余(2N)1MW双转换在线式UPS系统组成。负载同样假设为300kW。这意味着此时每台UPS均仅加载至15%,因为在正常运行中每种配置内的两台UPS各自承担一半负载。表4给出了这种2N情况的成本明细。应注意,对于任何一种UPS,尽管平方律损耗在2N式体系结构下会减半,但却不能抵消空载损耗的加倍,因为这些功率损耗与负载无关。

Delta 转换式与双转换式(2N 冗余)

模块化

模块化是制造商可用来降低能源浪费的第三个途径。如图5的效率曲线所示,UPS越接近其满载容量运行,其效率就越高。模块化使用户可以使UPS系统的选型尽可能接近其实际负载(换言之,它使UPS可以尽可能在曲线上靠右的点上运行)。通过人们非常熟悉的数据中心内的设备单元—刀片式服务器,可以很容易地说明一种使容量与负载匹配的高度有效的方式(图7)。

一种模块化、可扩展的刀片式服务器

刀片式服务器的体系结构显示了可有利于UPS系统的两个关键的设计属性:模块化和可扩展性。

刀片式服务器的模块化在于,客户购买刀片式服务器的构架后,再在其中安装标准的"刀片",以实现应用所需的处理量。随着构架中更多的刀片被插入构架,它就会成为功能更强的计算设备。这样就形成了可以根据计算需求进行选型的"可扩展"系统。

现在可以设想以同样方式使用模块式功率组件的UPS系统。例如,假设一台UPS机柜能够输出1MW的功率,随着UPS系统负载的增加,可以向系统加装标准化的功率模块,以便于所需的输出容量相匹配。该UPS可以根据附加功率容量的需求,从200kW以一定的增量步长扩展至最高1MW。其结果是可以避免资产开支过度(您只需购买所需要的功率组件),且UPS以更高的功率水平工作,因为系统的容量与实际负载更为紧密地配合,这就使电气效率更高。以下比较将对与前例相同的300kW负载显示出正确选型的效率优势。

对模块化的影响加以量化
1N式模块化比较–正确选型的UPS与超选型的UPS配置"A"是一种1MW可扩展Delta转换在线式UPS,采用(2)个200kW模块(400kW)加以正确选型。配置"B"是完全相同的UPS,只是用(5)个200kW模块超选型至1MW。此比较的效率曲线示于图8中。

1MW Delta 转换式 UPS 的效率曲线

图中示出了进行比较的曲线上的两个点(对配置A和B分别为75%负载和30%负载)。这两个点分别对应于96.9%和94.9%的效率。表5示出了对每种情况的效率成本分析的明细。尽管比例损耗相当,但超选型UPS的空载损耗是正确选型UPS的2.5倍。然而,正确选型的平方律损耗是超选型UPS的2.5倍,这就使得其效率提升量稍有减少。其原因是,平方律损耗在高负载下更为明显。

可扩展 Delta 转换式 UPS 正确选型与超选型(1N)

以下比较将说明当设计为冗余型时这些节省量将如何进一步增加。

2N模块化比较–正确选型的UPS与超选型的UPS配置"A"为2N式(系统加系统)
1MW可扩展式Delta转换在线式UPS系统,其每台UPS采用(2)个200kW模块(400kW)进行正确选型。配置"B"与配置"A"基本相同,只是每台UPS以(5)个200kW模块超选型至1MW。表7示出了对每种情况的效率成本分析的明细。有趣的是,两套UPS间的比例和空载损耗比与1N模块化比较完全相同,而10年的成本节约额则跳升至53%。这种净减少的原因仍然是平方律损耗,因为其在较低负载下载总损耗中所占百分比较小。

可扩展 Delta 转换式 UPS 正确选型与超选型(2N)

对拓扑和模块化的影响加以量化
根据前文的系列比较,拓扑和模块化对效率的影响应该是很明显的。但将模块化和拓扑结合在一起将使效率提高多少呢?以下一组比较将对这种改进加以量化。

1N拓扑和模块化比较–Delta转换式正确选型UPS与双转换式超选型UPS
配置"A"为可扩展的1MWDelta转换在线式UPS,其采用(2)个200kW模块(400kW)进行正确选型。配置"B"为不可扩展的1MW双转换在线式UPS,因此采用超选型。对于两种配置,均假设负载为300kW。配置"A"在30%负载下的效率为96.9%,配置"B"则为88.7%,两者相差8.2个百分点。

表7显示,采用可扩展的正确选型Delta转换式UPS取代不可扩展的超选型双转换式UPS可以节约75%的低效成本。在这种1N式体系结构中,配置"A"的总能源成本几乎是配置"B"的4倍。而且配置"A"的空载损耗现在被降到了所有损耗的39%,几乎是配置"B"的60%的一半。图9示出了1N式体系结构中由于各种损耗造成的电气成本的明细。

 Delta 转换式正确选型与双转换式不可扩展,无冗余(1N)

1N 架构中 10 年损耗成本明细

当配置"A"和"B"作为冗余2N式体系结构(系统加系统)进行分析时,表7中所给出的成本将接近翻倍。在2N式体系结构中,配置"B"的总能源成本几乎是配置"A"的5倍,如表8中所示。查看图9和图10,显然空载损耗对成本的影响要超过其他所有方面。应注意,对于任何特定的UPS,尽管平方律损耗在2N式体系结构中会减半,它也无法抵消空载损耗的加倍,因为空载损耗在几乎所有负载水平下都是最大的损耗。

三角形转换式正确选型与双转换式不可扩展,采用2N式冗余

2N 式体系结构中 10 年损耗成本明细

从这些比较中可以清楚地看到,UPS效率的提高可通过两种方式实现:选择一种效率较高的UPS拓扑,以及对UPS系统进行正确选型。在这些例子中,选择效率较高的拓扑会明确无误地导致最大的效率提升。然而,这种提升需要采购新的UPS,这只有在现有UPS已超出其使用寿命的情况下才是现实的方案。如果选择另一种方案,即以UPS系统的正确选型作为提高效率的方式,也可能需要采购新的UPS,但并不总是这样。如果已有多个UPS系统,将负载移至一个或多个UPS系统,使得无负载系统可以被关闭,这样可以实现正确选型。这种正确选型方法也适用于超选型数据中心内的空调机组。

图11所示为可以200kW增量扩展的模块式1MWUPS的示例。最终结果是总拥有成本(TCO)下降,因为预先投资和系统日常运行成本都得以节省。

一个模块式、可伸缩的 UPS 系统

除了通过UPS容量伸缩、匹配负载以实现更高的电气效率之外,模块式UPS设计还具备其他可显著改善可用性、灵活性以及总拥有成本的性质。

额外的经济优势

除直接降低功率消耗之外,效率的提高还有另外的好处。例如在美国,2005年能源政策法案提供了针对提高商业楼宇能效的税务刺激措施。类似地,在强化资金补贴(ECA)方案之下,英国的公司可以无需承担第一个税务年度内在节能增效设备鉴定方面投入的100%的资金。在一些地区(包括美国的许多地区),电力公司通过旨在降低总体用电需求的需求方管理(DSM)计划,提供对采用高效率设计的刺激措施。在此类计划中,电力公司将对高效率的用户给予降低电价的优惠,或者对采用高效率技术的投资成本予以补贴。这些优势可以为明了电力问题的数据中心业主进一步降低总拥有成本。

为了安心地指定高能效的UPS,所有UPS效率测量必须由不同厂商在类似的条件下进行,并由第三方试验机构进行管理和审核。最近,劳伦斯·伯克利国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory,LBNL)公布了一份关于UPS的报告,作为其"高性能高技术楼宇"项目的组成部分,该项目着力于提高数据中心以及洁净室和实验室的能源效率。在该报告中针对各种类型的UPS系统提出了一份能源效率和电源品质标识方案,以此作为鼓励使用高效率UPS的方式。

此外还有针对高效率设计的"绿色楼宇"认证,它将挑选出高效率的数据中心作为一项正在市场中赢得高度信赖的活动的成员。各企业正在认识到,"绿色"认证将是其营销信息传达中的企业超值奖励,这可以通过其降低运行成本而增加的效益来获得。企业、他们的客户(通过产品成本降低)和环境等各个方面都可以成为赢家。随着能源日益稀缺和昂贵,绿色认证将获得更多的市场认知和重要性评价。

结论

数据中心会消耗大量的电力,这一事实在很大程度上被市场和企业所忽视。随着总拥有成本成为关键决策因素,系统的效率将成为重要的区分因素。UPS电源技术在不断向更高的电气效率发展。需要记住的重要之处在于,成功的真正标准(假设可靠性标准得以保持)是所实现的实际效率,而非为了该目标所采用的内部技术的细节。可能会发明新的技术,改进旧的技术,但从用户的角度看,只有效率曲线才能说明问题,再结合设备的成本,方可提供可操作的信息。如果所有系统均同样可靠(多数情况确实如此),则理想的决定是采用可能的效率最高的系统。通过模块式设计帮助树立"绿色"企业的形象、提高灵活性并简化服务要求,这是进一步强化该决策正确性的额外收益。

脚注信息
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