摘要：現(xiàn)代先進(jìn)的UPS都有經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式,具有經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的UPS稱為“經(jīng)濟(jì)模式UPS”。經(jīng)濟(jì)模式UPS具有最高的效率和最高的可靠性。采用經(jīng)濟(jì)模式UPS是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要措施。文中評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)模式UPS的性能,闡述經(jīng)濟(jì)模式UPS應(yīng)用考慮。

5 經(jīng)濟(jì)模式UPS的性能

如前所述,經(jīng)濟(jì)模式UPS實(shí)際上是多方式雙變換式UPS,有4個(gè)工作方式(經(jīng)濟(jì)方式、雙變換方式、蓄電池方式和旁路方式),其中經(jīng)濟(jì)方式和雙變換方式是正常方式,這兩種方式根據(jù)市電的情況互相轉(zhuǎn)換。工作于經(jīng)濟(jì)方式和雙變換方式時(shí),UPS的電源質(zhì)量分別為VFD和VFI。這是國(guó)際UPS行業(yè)近期提出的“多正常方式”UPS的概念,即一臺(tái)UPS可以具有IEC62040電源質(zhì)量分類的兩種質(zhì)量。在兩個(gè)正常方式下的電源質(zhì)量的定義和保護(hù)性能參見(jiàn)表1。

顯而易見(jiàn),在經(jīng)濟(jì)方式(VFD)中,系統(tǒng)效率大大提高,但保護(hù)性能也大為降低,而且系統(tǒng)輸出電壓和頻率均依賴于市電電壓和頻率。然而,經(jīng)濟(jì)模式UPS并非永久性地工作于VFD。當(dāng)市電電壓和頻率在允許范圍內(nèi)時(shí),工作于經(jīng)濟(jì)方式(VFD),獲得最高的效率;當(dāng)市電電壓和頻率超出允許范圍內(nèi)時(shí),工作于雙變換方式(VFI),獲得最高等級(jí)的保護(hù)性能。

6 經(jīng)濟(jì)模式UPS的可靠性

經(jīng)濟(jì)模式UPS實(shí)際上是增強(qiáng)型的雙變換UPS,沒(méi)有引入新的元器件,而是在新的獨(dú)特的方式下使用雙變換UPS原有的元器件。獲得了最高的可靠性。

(1) 經(jīng)濟(jì)模式UPS以新的工作方式獲得了最高可靠性

經(jīng)濟(jì)模式UPS有四個(gè)工作方式,正常時(shí)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)方式下,當(dāng)情況變化時(shí),可以根據(jù)其工作狀態(tài)、系統(tǒng)告警狀態(tài)和系統(tǒng)故障情況轉(zhuǎn)換到雙變換方式或蓄電池方式或旁路方式,共有三個(gè)可能的轉(zhuǎn)換。而常規(guī)雙變換式UPS僅有兩個(gè)可能的轉(zhuǎn)換,即從雙變換方式轉(zhuǎn)換到旁路方式和蓄電池方式。因此,經(jīng)濟(jì)模式UPS不易陷入系統(tǒng)故障狀態(tài),比較可靠。

假設(shè)一個(gè)常規(guī)雙變換式UPS和一個(gè)經(jīng)濟(jì)模式UPS的主輸入和旁路輸入都是分開(kāi)的兩路饋電線。常規(guī)雙變換式UPS正常時(shí)運(yùn)行在雙變換方式,當(dāng)主輸入市電故障時(shí),轉(zhuǎn)換到蓄電池方式保護(hù)負(fù)載,直到蓄電池能量耗盡,然后轉(zhuǎn)換到無(wú)保護(hù)的旁路方式。

經(jīng)濟(jì)模式UPS正常時(shí)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)方式,當(dāng)主輸入市電故障時(shí),可以在經(jīng)濟(jì)方式下繼續(xù)運(yùn)行,由旁路電源直接供電,當(dāng)旁路輸入電源也發(fā)生故障時(shí)才轉(zhuǎn)換到蓄電池方式。實(shí)際上,經(jīng)濟(jì)模式UPS在蓄電池能量耗盡之前,可以承受市電電源和蓄電池這兩個(gè)電源的斷電故障。這就可能爭(zhēng)取到最大可用性。

(2) 經(jīng)濟(jì)模式UPS延長(zhǎng)了電子機(jī)械元件的使用壽命

電子機(jī)械元件,例如風(fēng)扇和接觸器等對(duì)UPS運(yùn)行非常重要,但是,這些元件中的運(yùn)動(dòng)部件會(huì)因磨損而發(fā)生故障。經(jīng)濟(jì)模式UPS可以使這些元件的應(yīng)力減小,提高可靠性。例如風(fēng)扇在經(jīng)濟(jì)方式中可以關(guān)機(jī)(當(dāng)蓄電池充電時(shí)除外),因此延長(zhǎng)了風(fēng)扇的壽命。

此外,運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)方式時(shí),整流器和逆變器處于特殊的準(zhǔn)備好狀態(tài),均不帶負(fù)載,僅控制電路運(yùn)行,承受很小的電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力。因此可延長(zhǎng)壽命,提高可靠性。

7 經(jīng)濟(jì)模式UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間要求

UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間是指將負(fù)載從逆變器輸出轉(zhuǎn)換到旁路電源(市電)或從旁路電源(市電)轉(zhuǎn)換到逆變器輸出需要的時(shí)間。對(duì)于經(jīng)濟(jì)模式UPS,轉(zhuǎn)換時(shí)間包括檢測(cè)市電電源超限需要的時(shí)間和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間,轉(zhuǎn)換時(shí)間就是負(fù)載斷電的時(shí)間。如何評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換時(shí)間是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。目前IT行業(yè)采用的評(píng)價(jià)工具是ITIC曲線。

ITIC曲線是美國(guó)信息技術(shù)工業(yè)委員會(huì)(Information technology industry council)針對(duì)計(jì)算機(jī)對(duì)電能質(zhì)量的要求,提出的電壓容限曲線,包括相關(guān)的4種電壓擾動(dòng)(電壓下降、電壓上升、尖峰脈沖和斷電),以防止造成負(fù)載故障和損壞。

在任何情況下,UPS的輸出電壓必須保持在ITIC曲線規(guī)定的可接受的安全區(qū)內(nèi)。

ITIC的前身是計(jì)算機(jī)和商用設(shè)備制造商協(xié)會(huì)CBEMA(Computer &business equipment manufacturer association),ITIC曲線過(guò)去稱為CBEMA曲線。ITIC/CBEMA曲線就是IT設(shè)備抗*容限曲線。

如圖3所示,ITIC曲線規(guī)定了IT設(shè)備運(yùn)行的無(wú)中斷區(qū)、禁止區(qū)和無(wú)損害中斷區(qū),無(wú)中斷區(qū)的穩(wěn)定電壓容限是額定電壓的110%和90%。無(wú)中斷區(qū)的下包絡(luò)線的起始時(shí)間是20ms,表明IT設(shè)備的斷電耐受能力應(yīng)為20ms。在禁止區(qū)會(huì)損壞設(shè)備,在無(wú)損害中斷區(qū)設(shè)備不能正常運(yùn)行,但不會(huì)損害。計(jì)算機(jī)及其控制系統(tǒng)設(shè)備必須工作于無(wú)中斷區(qū)。

經(jīng)濟(jì)模式UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間必須小于IT設(shè)備允許的斷電時(shí)間。圖4為ITIC曲線和兩個(gè)經(jīng)濟(jì)模式UPS輸出電壓特性曲線。經(jīng)濟(jì)模式UPS1的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2ms,經(jīng)濟(jì)模式UPS2的轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ms。顯而易見(jiàn),經(jīng)濟(jì)模式UPS1輸出電壓可以很好地保持在無(wú)中斷區(qū)內(nèi),而經(jīng)濟(jì)模式UPS2就可能引起IT設(shè)備供電中斷。

IT設(shè)備內(nèi)部的電源單元(PSU)都具有一定的“穿越時(shí)間”。穿越時(shí)間是指在輸入電源中斷期間,IT設(shè)備還可以繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)度。通常是利用電容器存儲(chǔ)一定的能量,輸入電源中斷時(shí)放出,供給負(fù)載。額定穿越時(shí)間是指單電源單元在滿載時(shí)的穿越時(shí)間。在相同的負(fù)載情況下,雙電源單元的穿越時(shí)間是單電源單元的2倍。

根據(jù)ITIC曲線(圖3)的要求,IT設(shè)備的電源單元(PSU)的穿越時(shí)間至少應(yīng)為20ms。IT設(shè)備雖然允許中斷20ms,但是UPS工作方式的轉(zhuǎn)換應(yīng)越快越好。因?yàn)镻SU斷電時(shí)間越長(zhǎng),當(dāng)PSU再次接受電源時(shí),吸收的浪涌電流越大。浪涌電流很大時(shí),在UPS至IT設(shè)備PSU之間的導(dǎo)線上壓降增大,可能導(dǎo)致PSU輸入電壓過(guò)低。此外,UPS轉(zhuǎn)換完成后,多個(gè)PSU同時(shí)加載,還有可能造成UPS的過(guò)載,導(dǎo)致IT設(shè)備斷電。不同的經(jīng)濟(jì)模式UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間不同,最快的只有2ms,轉(zhuǎn)換過(guò)程對(duì)靈敏負(fù)載無(wú)影響。

8 經(jīng)濟(jì)模式UPS的浪涌保護(hù)性能

經(jīng)濟(jì)模式UPS在正常方式下,由旁路電源(市電)為負(fù)載供電,而整流器并沒(méi)有停機(jī),逆變器控制電路始終正常運(yùn)行,逆變器輸出也沒(méi)有斷開(kāi),只是沒(méi)有輸出功率。因此,UPS的交流輸入和輸出濾波器、直流環(huán)節(jié)濾波器都接在電路中,其中的電容器有助于減少輸入電壓瞬變的幅度。所以,經(jīng)濟(jì)方式UPS對(duì)市電的高頻*的抑制能力與雙變換UPS基本相同。圖5為經(jīng)濟(jì)模式UPS中電容器吸收輸入浪涌電壓的簡(jiǎn)化圖。

經(jīng)濟(jì)模式UPS的浪涌保護(hù)性能是非常珍貴的。UPS設(shè)備的市電直供系統(tǒng)沒(méi)有這個(gè)性能,需要采取其他措施解決浪涌保護(hù)問(wèn)題。

9 經(jīng)濟(jì)模式UPS對(duì)市電的要求

如前所述,經(jīng)濟(jì)模式UPS正常時(shí)運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)方式,由市電直接供電,當(dāng)市電超出ITIC曲線的無(wú)中斷區(qū)時(shí),可以在2ms內(nèi)轉(zhuǎn)換到雙變換方式。轉(zhuǎn)換過(guò)程對(duì)負(fù)載沒(méi)有影響。

然而,如果市電質(zhì)量較差,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)方式和雙變換方式之間頻繁轉(zhuǎn)換,或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在雙變換方式,不但不能達(dá)到節(jié)能的目的,而且還有一定的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)槊看无D(zhuǎn)換到雙變換方式時(shí),全部負(fù)載突加到逆變器上,對(duì)逆變器產(chǎn)生沖擊,多次沖擊會(huì)導(dǎo)致逆變器故障。此外,即使在有市電且整流器可以正常工作的情況下,轉(zhuǎn)換到雙變換方式的瞬時(shí)是由蓄電池供電的,蓄電池多次瞬時(shí)放電會(huì)降低壽命。

以上情況一般發(fā)生在從嚴(yán)重過(guò)載的公共電網(wǎng)引入市電,或性能較差的發(fā)電機(jī)組供電,或者IT設(shè)備和空調(diào)設(shè)備采用同一變壓器供電的場(chǎng)合。因此,經(jīng)濟(jì)模式UPS實(shí)施前,應(yīng)對(duì)市電配電電路進(jìn)行考察和測(cè)試。

目前我國(guó)大型數(shù)據(jù)中心大多采用專線引入市電,市電停電事故較少。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于采用經(jīng)濟(jì)模式UPS是可靠的。

值得指出的是,如果UPS安裝了經(jīng)濟(jì)模式UPS而未能獲得收益,也不會(huì)有什么損失。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)模式UPS很容易由用戶激活或取消,如果市電質(zhì)量很差,使UPS工作于雙變換方式即可。

10 結(jié)束語(yǔ)

電源的高效率和高可靠性是互相排斥的兩個(gè)指標(biāo)。而經(jīng)濟(jì)模式UPS同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最高效率和最高可靠性的目標(biāo)。經(jīng)濟(jì)模式UPS典型的系統(tǒng)效率是99%,減少了能源損耗。經(jīng)濟(jì)模式UPS與常規(guī)雙變換式UPS相比,沒(méi)有增加新的元件,且降低了關(guān)鍵部件的應(yīng)力,獲得了最高的可靠性。采用經(jīng)濟(jì)模式UPS是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要措施。

作者簡(jiǎn)介

劉希禹,中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司教授級(jí)高工,長(zhǎng)期從事通信電源研究設(shè)計(jì)工作。曾獲全國(guó)科技大會(huì)獎(jiǎng)和省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)多項(xiàng),出版專著二部,發(fā)表論文90余篇,多次參加國(guó)際電信能源會(huì)議(INTELEC)并發(fā)表論文。享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。