摘要：现代先进的UPS都有经济运行方式,具有经济运行方式的UPS称为“经济模式UPS”。经济模式UPS具有最高的效率和最高的可靠性。采用经济模式UPS是数据中心节能的重要措施。文中评价经济模式UPS的性能,阐述经济模式UPS应用考虑。
5 经济模式UPS的性能
如前所述,经济模式UPS实际上是多方式双变换式UPS,有4个工作方式(经济方式、双变换方式、蓄电池方式和旁路方式),其中经济方式和双变换方式是正常方式,这两种方式根据市电的情况互相转换。工作于经济方式和双变换方式时,UPS的电源质量分别为VFD和VFI。这是国际UPS行业近期提出的“多正常方式”UPS的概念,即一台UPS可以具有IEC62040电源质量分类的两种质量。在两个正常方式下的电源质量的定义和保护性能参见表1。
显而易见,在经济方式(VFD)中,系统效率大大提高,但保护性能也大为降低,而且系统输出电压和频率均依赖于市电电压和频率。然而,经济模式UPS并非永久性地工作于VFD。当市电电压和频率在允许范围内时,工作于经济方式(VFD),获得最高的效率;当市电电压和频率超出允许范围内时,工作于双变换方式(VFI),获得最高等级的保护性能。
6 经济模式UPS的可靠性
经济模式UPS实际上是增强型的双变换UPS,没有引入新的元器件,而是在新的独特的方式下使用双变换UPS原有的元器件。获得了最高的可靠性。
(1) 经济模式UPS以新的工作方式获得了最高可靠性
经济模式UPS有四个工作方式,正常时运行在经济方式下,当情况变化时,可以根据其工作状态、系统告警状态和系统故障情况转换到双变换方式或蓄电池方式或旁路方式,共有三个可能的转换。而常规双变换式UPS仅有两个可能的转换,即从双变换方式转换到旁路方式和蓄电池方式。因此,经济模式UPS不易陷入系统故障状态,比较可靠。
假设一个常规双变换式UPS和一个经济模式UPS的主输入和旁路输入都是分开的两路馈电线。常规双变换式UPS正常时运行在双变换方式,当主输入市电故障时,转换到蓄电池方式保护负载,直到蓄电池能量耗尽,然后转换到无保护的旁路方式。
经济模式UPS正常时运行在经济方式,当主输入市电故障时,可以在经济方式下继续运行,由旁路电源直接供电,当旁路输入电源也发生故障时才转换到蓄电池方式。实际上,经济模式UPS在蓄电池能量耗尽之前,可以承受市电电源和蓄电池这两个电源的断电故障。这就可能争取到最大可用性。
(2) 经济模式UPS延长了电子机械元件的使用寿命
电子机械元件,例如风扇和接触器等对UPS运行非常重要,但是,这些元件中的运动部件会因磨损而发生故障。经济模式UPS可以使这些元件的应力减小,提高可靠性。例如风扇在经济方式中可以关机(当蓄电池充电时除外),因此延长了风扇的寿命。
此外,运行在经济方式时,整流器和逆变器处于特殊的准备好状态,均不带负载,仅控制电路运行,承受很小的电气应力和热应力。因此可延长寿命,提高可靠性。
7 经济模式UPS的转换时间要求
UPS的转换时间是指将负载从逆变器输出转换到旁路电源(市电)或从旁路电源(市电)转换到逆变器输出需要的时间。对于经济模式UPS,转换时间包括检测市电电源超限需要的时间和转换开关动作时间,转换时间就是负载断电的时间。如何评价转换时间是一个非常重要的问题。目前IT行业采用的评价工具是ITIC曲线。
ITIC曲线是美国信息技术工业委员会(Information technology industry council)针对计算机对电能质量的要求,提出的电压容限曲线,包括相关的4种电压扰动(电压下降、电压上升、尖峰脉冲和断电),以防止造成负载故障和损坏。
在任何情况下,UPS的输出电压必须保持在ITIC曲线规定的可接受的安全区内。
ITIC的前身是计算机和商用设备制造商协会CBEMA(Computer &business equipment manufacturer association),ITIC曲线过去称为CBEMA曲线。ITIC/CBEMA曲线就是IT设备抗*容限曲线。
如图3所示,ITIC曲线规定了IT设备运行的无中断区、禁止区和无损害中断区,无中断区的稳定电压容限是额定电压的110%和90%。无中断区的下包络线的起始时间是20ms,表明IT设备的断电耐受能力应为20ms。在禁止区会损坏设备,在无损害中断区设备不能正常运行,但不会损害。计算机及其控制系统设备必须工作于无中断区。
经济模式UPS的转换时间必须小于IT设备允许的断电时间。图4为ITIC曲线和两个经济模式UPS输出电压特性曲线。经济模式UPS1的转换时间为2ms,经济模式UPS2的转换时间为500ms。显而易见,经济模式UPS1输出电压可以很好地保持在无中断区内,而经济模式UPS2就可能引起IT设备供电中断。
IT设备内部的电源单元(PSU)都具有一定的“穿越时间”。穿越时间是指在输入电源中断期间,IT设备还可以继续运行的时间长度。通常是利用电容器存储一定的能量,输入电源中断时放出,供给负载。额定穿越时间是指单电源单元在满载时的穿越时间。在相同的负载情况下,双电源单元的穿越时间是单电源单元的2倍。
根据ITIC曲线(图3)的要求,IT设备的电源单元(PSU)的穿越时间至少应为20ms。IT设备虽然允许中断20ms,但是UPS工作方式的转换应越快越好。因为PSU断电时间越长,当PSU再次接受电源时,吸收的浪涌电流越大。浪涌电流很大时,在UPS至IT设备PSU之间的导线上压降增大,可能导致PSU输入电压过低。此外,UPS转换完成后,多个PSU同时加载,还有可能造成UPS的过载,导致IT设备断电。不同的经济模式UPS的转换时间不同,最快的只有2ms,转换过程对灵敏负载无影响。
8 经济模式UPS的浪涌保护性能
经济模式UPS在正常方式下,由旁路电源(市电)为负载供电,而整流器并没有停机,逆变器控制电路始终正常运行,逆变器输出也没有断开,只是没有输出功率。因此,UPS的交流输入和输出滤波器、直流环节滤波器都接在电路中,其中的电容器有助于减少输入电压瞬变的幅度。所以,经济方式UPS对市电的高频*的抑制能力与双变换UPS基本相同。图5为经济模式UPS中电容器吸收输入浪涌电压的简化图。
经济模式UPS的浪涌保护性能是非常珍贵的。UPS设备的市电直供系统没有这个性能,需要采取其他措施解决浪涌保护问题。
9 经济模式UPS对市电的要求
如前所述,经济模式UPS正常时运行于经济方式,由市电直接供电,当市电超出ITIC曲线的无中断区时,可以在2ms内转换到双变换方式。转换过程对负载没有影响。
然而,如果市电质量较差,导致经济方式和双变换方式之间频繁转换,或长时间运行在双变换方式,不但不能达到节能的目的,而且还有一定的风险。因为每次转换到双变换方式时,全部负载突加到逆变器上,对逆变器产生冲击,多次冲击会导致逆变器故障。此外,即使在有市电且整流器可以正常工作的情况下,转换到双变换方式的瞬时是由蓄电池供电的,蓄电池多次瞬时放电会降低寿命。
以上情况一般发生在从严重过载的公共电网引入市电,或性能较差的发电机组供电,或者IT设备和空调设备采用同一变压器供电的场合。因此,经济模式UPS实施前,应对市电配电电路进行考察和测试。
目前我国大型数据中心大多采用专线引入市电,市电停电事故较少。一般来说,对于采用经济模式UPS是可靠的。
值得指出的是,如果UPS安装了经济模式UPS而未能获得收益,也不会有什么损失。因为经济模式UPS很容易由用户激活或取消,如果市电质量很差,使UPS工作于双变换方式即可。
10 结束语
电源的高效率和高可靠性是互相排斥的两个指标。而经济模式UPS同时实现了最高效率和最高可靠性的目标。经济模式UPS典型的系统效率是99%,减少了能源损耗。经济模式UPS与常规双变换式UPS相比,没有增加新的元件,且降低了关键部件的应力,获得了最高的可靠性。采用经济模式UPS是数据中心节能的重要措施。
作者简介
刘希禹,中讯邮电咨询设计院有限公司教授级高工,长期从事通信电源研究设计工作。曾获全国科技大会奖和省部级科技进步奖多项,出版专著二部,发表论文90余篇,多次参加国际电信能源会议(INTELEC)并发表论文。享受国务院政府特殊津贴。
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