近年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)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(huán)境及電網(wǎng)帶來(lái)了不可忽視的影響，因此帶來(lái)的能源成本及治理措施給企業(yè)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(huán)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(shí)，帶來(lái)的負面影響，主要包括電能損耗和電網(wǎng)污染兩個(gè)方面，筆者將就這兩個(gè)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(jīng)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(lái)實(shí)現的。因此，節約電能，就是減少煤的燃燒，進(jìn)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(huán)境污染和霧霾天氣意義重大。在UPS主要的應用場(chǎng)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(lèi)型與原理緊密相關(guān)。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(guò)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(shí)際運行效率。UPS最高效率在60%以上的負載率段獲得，并隨著(zhù)負載率的下降而下降。但在實(shí)際運行中，UPS系統一般采用N+X冗余或雙母線(xiàn)配置，而為了滿(mǎn)足未來(lái)3-5年的供電需求增長(cháng)，UPS系統容量配置也會(huì )大于建設初期實(shí)際容量需求，因此UPS的負載率很難超過(guò)40%。也即，要使UPS實(shí)際運行在高效率，必須關(guān)注UPS在低負載率下的效率。
隨著(zhù)業(yè)界對效率問(wèn)題的重視，低載高效UPS在技術(shù)比較先進(jìn)的廠(chǎng)商均已實(shí)現，如施耐德、華為等廠(chǎng)商的模塊化UPS系列在40%時(shí)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(zhì)量，綠色UPS需減少對電網(wǎng)的污染
就像用水企業(yè)使用干凈的水之后可能排放污水一樣，電力負載在從電網(wǎng)取電的同時(shí)，也可能反饋污染給電網(wǎng)。其中非線(xiàn)性負載是電網(wǎng)比較常見(jiàn)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(lèi)型。隨著(zhù)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(jiàn)不鮮，為確保電能質(zhì)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(wǎng)的污染問(wèn)題。UPS對電網(wǎng)的污染主要體現在功率因數和輸入電流諧波畸變兩個(gè)方面。
用電設備功率因數的降低，將使無(wú)功功率增加和設備總需用電流變大，從而加大線(xiàn)路的損耗，且使相應的線(xiàn)纜、空開(kāi)、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(lèi)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(guò)中性線(xiàn)時(shí)，導致?lián)p耗增加。電網(wǎng)高次諧波還會(huì )導致繼電保護和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電氣測量?jì)x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(gè)晶閘管和12個(gè)晶閘管組成。因為其一個(gè)市電周期內只能開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)整流器，通過(guò)快速開(kāi)通與關(guān)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(lèi)型UPS諧波值與功率因數如下：
由諧波與功率因數指標來(lái)看，工頻UPS不是綠色UPS系統。事實(shí)上，工頻機為了改善諧波與功因指標，以達到電能質(zhì)量的標準要求，常采用諧波濾波器來(lái)進(jìn)行治理。客戶(hù)不僅需要額外投資，還需要承受因濾波器帶來(lái)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(diǎn)。如何構建綠色UPS系統，筆者認為可以從以下三個(gè)方面改進(jìn)。
1）在UPS選型時(shí)優(yōu)先選用原理上更綠色的機型。工頻UPS在市場(chǎng)上具有較長(cháng)的應用歷史，也因此贏(yíng)得了不少偏愛(ài)，但工頻UPS是一種不折不扣的高損耗，高污染機型；隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，高頻UPS以及可用性更高的模塊化UPS無(wú)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(yè)務(wù)需求按需部署。超前規劃與部署是UPS負載率低、效率低的關(guān)鍵原因，導致初期投資大而浪費嚴重的問(wèn)題。對此問(wèn)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(xiàn)擴容，避免傳統UPS在線(xiàn)擴容風(fēng)險高的缺點(diǎn)。而容量可根據負載的增長(cháng)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(yíng)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(shí)際運行中，可加強電網(wǎng)、負載監測及各環(huán)節能耗測量，獲取實(shí)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(guò)大的供配電環(huán)節，可從TCO角度綜合考慮，適時(shí)進(jìn)行改造。
