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UPS绿色节能技术介绍

发布时间:2019-12-12 10:12:33

  一、概述

  随着经济的飞速发展和企业对Internet的了解的加深,数据中心近年来蓬勃发展。但是随之而来的是电力成本的上涨。如下图所示,数据中心建设中的投资比例,包括电力,电源,制冷合计占全部投资的一半以上,其中光电子学的投资高达26%,功耗高使得整个数据中心的运营成本高昂,数据中心面临着“建设却无法使用”的尴尬局面。根据IDC和Gartner的最新预测,到2010年,普通公司在电力上的花费将比在硬件上的花费更多。当前,国际能源供应日益紧张,不仅原材料价格上涨,电价也在上涨,这将增加数据中心的成本。

  如何降低数据中心的运营成本已成为每个企业CIO关心的问题。电力消耗在哪里?IT部门很明显,计算机室中充满了IT设备-服务器,终端,网络设备和制冷系统的消耗,从上至下的能源效率可以从主要方面入手。首先是机房环境节能,包括制冷环境,供电环境;其次,IT硬件设备的节能降耗,降低了IT设备的能耗;最后是IT设备内部集成电路的节能,例如CPU的节能。UPS是交流电源最重要的环节。机房中几乎所有IT设备都必须由UPS供电。大型数据中心中UPS的安装容量已达到100万伏安。必须提高运行时的能源效率。目前,UPS的节能必须从方案,UPS,电池和配电等方面进行。

  二、灵活的计划和按需扩容

  通用数据中心不是一个步调到指定位置,将是未来几年需要考虑的未来,但是UPS通常是一个步调到指定位置,一旦几台大功率UPS织机,仅负载10到20%的结果要在计划之前就进入设备的负荷期,不仅造成投资的浪费,而且也不能使UPS以更高的效率运行,浪费电力。从UPS系统的角度来看,如何避免这种情况应包括:
  A)电源方案设计

  目前,UPS有两种主要的供电方案:分散供电和集中供电。分布式电源的特点是一台UPS为一台或多台设备供电,整个机房由许多这样的系统组成。分散式电源的优点是可以分散风险,而不是因为大面积的电源故障导致UPS电源异常。缺点是UPS分散,管理不便且接线不易计划。另一个是集中式电源解决方案,通过大功率UPS系统直接为机房中的所有负载供电。集中供电的优点是便于计划,管理和维护。缺点是,如果UPS系统异常,则很可能导致大规模的电源故障,这可以通过使用各种并行框架来避免。因此,以上两种方案各有优缺点。当前,数据中心普遍采用集中供电方案,这也是集中供电的风险。由于并行UPS的数量有限,并且当并行UPS系统的数量超过4个时,其可靠性不会比单个系统高很多。当机房中UPS的总装机容量超过一定限制时,建议将机房按照不同的阶段划分为多个供电区域。规划时可以参考:单机容量不超过400KVA,同时机数不超过3。

  B)UPS在线和扩容功能

  机房中的UPS容量规划还可以根据不同时期的负载容量需求,采用逐步扩展的计划,以使投资计划更加经济,并使UPS能够在更好的功率点工作。目前,中,大功率网段的UPS已经配备了冗余并联功能,这不仅提高了系统的可靠性,而且还为扩展机房容量提供了条件。只要在规划期间将UPS前后的配电箱预留为全空,并在机房中规划相应的空间,就可以实现UPS的并发扩容功能。关键是机器合并的过程。大多数品牌在机器合并过程中需要修改UPS电路或进行更正。此时,UPS必须在维护旁路状态下工作。因此weaver扩展在线设计人员必须能够运行,即UPS weaver扩展,只需要修改新的UPS软件以使其与原始UPS系统一致,在不关闭原始UPS系统的情况下,直接使用新UPS集成到原始系统中,可以在线工作之前和之后扩展UPS,避免由于切换旁路电源而造成高风险。

  C)采用模块化UPS实现逐步扩容

  目前,模块化UPS已经在中国应用。模块化UPS的特征主要包括:可扩展的容量,较短的平均故障修复时间(MTTR)和经济的N+X冗余。以三角洲c系列UPS为例,每个模块为20KVA,整个系统的最大容量可以扩展到160KVA,可以根据机房的实际容量需求逐步扩展,只要分配即可计划在机房的初始阶段进行生产。同时,实现N+X冗余更具成本效益。例如,要在60KVA下实现N+1冗余,必须在传统方案中扩展60KVA UPS,而在模块化UPS中可以扩展20KVA模块,从而节省大量投资。

  三、提高UPS的能效并优化负载效率曲线

  目前,UPS都是在线双变换框架,整流器和逆变器中都有功率损耗。以容量为400KVA的UPS为例。以每千瓦时0.95元计算,UPS效率每提高1%,一年节省的电力成本为(400KVA×0.8)×0.01×24×365×0.95=26630.4元。因此,如何提高UPS的工作效率可以为数据中心节省大量电费。因此,提高UPS效率是减少整个机房能耗的最直接方法。因此,购买UPS,请尝试购买更高效的UPS。如果UPS具有高效率,则不仅要具有高效率,而且还必须具有高效率曲线,尤其是在1+1编织器系统中,根据系统规划,每个UPS容量不得大于50%,如果即使只有90%的效率,即使满载效率达到95%以上也没有意义,所以要求UPS必须采取措施优化虚线效率,使UPS在低负载时的效率可以达到更高的效率。以Delta C系列20KVA UPS为例,其满载功率为2OKVA/18KW。从下图可以看出,当负载小于2KW时,负载大于90%,从6KW到18KW可以满足95%的高机器效率。

  除了提高UPS自身的效率外,还可以利用UPS之上的一些功能。像ECO经济。其原理是在电网环境下更好,要激活此功能,使UPS供电,直接由静态旁路使逆变器处于待机模式,可以正常工作,但不能输出电能,一旦市电异常,UPS立即切换到逆变器电源时,切换时间一般在1 ms内,参考下图,蓝色为输入电流波形,黄色为输出电压波形。此时,逆变器处于待机状态,因此其自身的损耗很小。此时,整个UPS机器的效率可以达到97%以上,比普通模式节省3%以上的电力。

  要使用ECO模式,必须满足以下条件:

  A)必须将两组高度可靠的SCR晶体管用于静态旁路。不允许将接触器和SCR晶体管组合使用,因为当接触器被吸引时,接触点将点燃,并且经过数百次操作后仍无法正常工作。SCR晶体管没有这个问题,可以减少开关时间。

  B)建议在更好的电气环境中使用,例如主电源单元。

  四、减少输入电流的谐波并提高功率因数
  产生谐波的根本原因是电源线具有一定的阻抗,相当于由电阻,电感和电容组成的无源网络。非线性负载产生的非正弦电流会导致电路中电流和电压的失真,这称为谐波。谐波的危害包括:额外的损耗和电气部件(例如电容器,变压器,电动机等)的发热;温升高,效率低,加速绝缘老化,降低使用寿命;干扰设备的正常运行;无功功率因数增大,电力设备(如变压器,电缆和配电设备)的有功功率减小;电源效率低;产生共振,特别是当产油机更严重时;空气跳闸,保险丝,保险丝,设备损坏无原因。UPS是电网的非线性负载,工作时会产生大量谐波。以带六脉冲整流器的UPS为例,其输入功率因数一般为0.75左右,谐波大于30%。降低UPS工作谐波的主要方法如下:

  A)使用12脉冲整流器。原理是在原始的6脉冲整流器的基础上向输入增加一个移相变压器和6脉冲整流器。通过这种技术解决方案,谐波可以减少到大约10%。优点是相对简单,谐波改善明显,缺点是功率因数改善有限,价格略高。

  B)使用无源滤波器。LC滤波电路的原理用于对UPS产生的谐波进行滤波并补偿功率因数。优点是技术简单且成本低廉,而缺点是只能补偿特征量级的谐波。同时,由于负载阻抗的巨大影响,因此不适用于整个功率范围。

  C)使用有源滤波器。原理是使用可控的功率半导体器件向电网注入等于电流幅值且与谐波源相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,从而实现目的是实时补偿谐波电流。优点是可以补偿多阶谐波,而不受负载阻抗的影响。缺点是购置成本高。

  D)高频IGBT整流器和PFC功率因数校正电路用于设计整流器。原理是采用高频PWM控制IGBT导通,将输入电压波形分段,使输入电流波形尽可能接近正弦波,并对输入电压和电流进行相位差补偿。优点是体积轻,价格便宜,效果好。缺点是技术结构复杂,不易维护,受功率器件影响,电流容量有限。

  五、电池管及配电管理技术

  UPS配备有电池,通常用户对电池组的投资通常占整个UPS系统投资的很大一部分,甚至超过UPS本身的投资,并且电池寿命明显低于UPS主机生活。由于电池的主要材料是重金属铅,硫酸和塑料,它们不易分解,因此会对环境造成严重污染。因此,减少电池的使用次数,延长电池的使用寿命,不仅可以节省直接和间接的电池投资,而且可以减少整个机房对社会环境的污染。因此,UPS可以通过以下技术实现电池节能。

  A)并联电池组功能。通用电池的原理是通过特殊的整流器控制和故障隔离技术,使编织器系统中的两个或多个UPS整流器同步,总线流动,使总线中的每台UPS可以直接并联,从而可以满足系统的要求备用时间后,电池并联连接到并行总线系统,实现了电池共享,减少了电池投资。以1+1为例。在传统的UPS方案中,系统备份为1小时。考虑到其中一台UPS发生故障,UPS1无法使用UPS2电池。采用电池组方案后,UPS1发生故障后,系统中的电池仍可为UPS2提供能量,因此整个系统仅需配备一套1小时的电池。它不仅节省了电池的直接投资,而且节省了空间,承重和空调的投资,并减少了对环境的污染。

  B)智能电池管理技术。影响电池寿命的因素很多,包括温度,充电,放电和循环时间。如果可以正确处理以上因素,则可以大大延迟电池寿命,可以延长电池更换周期,并可以节省电池投资。UPS的智能电池管理技术主要包括电池浮充管理(浮充控制),充电温度补偿,智能放电截止电压控制,以及定期自动电池检测和电池泄漏检测。您还可以选择更宽的输入电压范围的UPS,以减少电池放电次数。通过以上技术,电池寿命可以大大延长2〜3年。

  C)智能UPS配电管理技术。原理是检测UPS电池电压或设备供电时间,实现机房不同负载水平的多重掉电保护功能,减少电池投资,提高电池利用率。智能UPS管理技术有两种,包括软件和硬件。以Delta UPS为例,其软件模式是在UPS监控网络的负载服务器上安装Delta Shutdown Agent。当电源异常并且满足电池电压或计时条件时,关机代理将自动保存系统程序,然后关闭服务器。

  硬件模式UPS输出配有智能配电屏幕。PLC检测到UPS电池电压或定时要求。当满足上述条件时,智能配电屏幕将根据设置及时关闭某个通道的输出。目前,该方案已在中国几条地铁的UPS电源系统中得到应用。

  六、结论

  数据中心的节能必须自上而下,或者从基础架构到核心设备实现。UPS是整个交流电源链路的核心。UPS的节能不仅可以节省大量的设备投资和维护成本,而且可以大大降低后期的运行成本。当然,UPS节能需要由用户和制造商共同推广。目前,UPS制造商已经推出了自己的产品或程序,客户只需要制定定制计划。

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