UPS系統ECO旁路模式在數據中心的研究及應用

程 博，羅振杰，杜翰林，周澤楠，陳奕濤

（中國聯合網絡通信有限公司 廣州市分公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

數據中心運行穩定性在很大程度上會受到供配電系統的影響，在保證供配電科學合理的前提下，使供配電系統擁有更高能效是現階段實現數據中心節能的重要舉措。在數據中心中，不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統可以選擇多種工作模式，其中應用最為廣泛的是在線式UPS工作模式，其負載長期由逆變器負責。此種模式存在供電穩定性高和掉電實時切換的優勢，缺點是擁有85%～90%的滿載效率，節能效果較差。還有一種是ECO模式，平時供電由市電負責，逆變器作為后備，當市電出現異常或者故障時才由逆變器供電，最終能夠達到超過95%的滿載效率。下面將探討數據中心應用UPS系統ECO路旁模式的問題[1]。

1 UPS系統工作模式

1.1 在線雙變換供電模式

當UPS在正常運行狀態下，經整流器輸入的交流將100%變換為直流，一方面能夠補充蓄電池的電能，另一方面能夠將電能供應到逆變器中。逆變器始終維持工作狀態，借助直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）轉換將直流電向交流電的逆變電能持續供應到負載[2]。當逆變電路存在負載受沖擊、故障過載或其他故障時，終止逆變器輸出，同時使主路靜態開關關閉，接通旁路靜態開關，負載的電能將會直接由市電提供。

1.2 電池供電模式

當交流輸入供電出現過大的UPS允差或中斷交流輸入時，UPS運行轉變為蓄電池供電方式[3]。在逆變器、蓄電池組合處于蓄能供電的過程中，或者是在恢復UPS允差值的交流輸入電源前，借助逆變器蓄電池持續向負載供電。

1.3 維修旁路供電模式

當UPS內部急需維修且負載供電無法終止時，可以合理利用維修旁路開關，有效滿足相關需求，詳細情況如圖1所示。

圖1 維修旁路供電示意

1.4 ECO供電模式

ECO模式也就是經濟性較高的運行模式，屬于基本的UPS產品功能，擁有較為成熟的基礎。在ECO模式下，當市電品質達到較高要求時，UPS系統向負載供電將利用電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）濾波或者旁路完成，逆變為后備狀態；當旁路頻率、電壓在負載承受范圍及UPS設定范圍以上時，則切換為UPS逆變供電，這個過程中使用的是雙變換工作模式，在使用ECO模式開展工作后，能夠達到95%～97%的整機工作效率，8～16 ms的典型切換時間。當UPS使用ECO模式運行時，直接由旁路將電能供給到負載；當與此模式下設計控制范圍相比擁有更高的旁路電源質量時，UPS才會完成逆變供電模式的自動切換[4]。

需要注意的是，在這個過程中各種電網異常輸入波動都可能影響IT設備，使負載側受到危害，所以在開展相關設計工作時，大多會將線路EMC濾波設置在旁路電路中，能夠降低電路干擾市電的程度。

因為UPS系統ECO運行模式中逆變器為后備狀態，UPS只存在較少的自身損耗，所以ECO模式主要存在以下方面的特點：（1）逆變單元待機；（2）市電直供；（3）整流單元可有效管理電池；（4）經濟節能。

2 ECO模式的可行性

數據中心在大多情況下都是使用在線雙變換模式運行UPS系統，能夠使以下兩個方面的問題得到有效解決，分別為電網質量問題和電力中斷問題。解決電力中斷問題時，若在UPS在線雙變換模式下斷開輸入電流，則后備電池可以滿足持續向負載供電的需求[5]。另外，UPS在線雙變換模式可以有效處理電網質量問題，如尖峰脈沖、諧波污染、頻率突變等，在UPS逆變器的幫助下可輸出無干擾且純凈的標準正弦波。雖然ECO模式下的UPS系統擁有很多優勢，但是也存在不得不面臨的問題，相關人員需要對以下問題進行充分考慮[6]。

2.1 部分供電系統的切換時間

部分UPS系統可以在規定的穿越時間范圍內正常工作，但是這并不是UPS系統的常備功能。當需要切換運行模式時，必然需要一定時間完成操作，而這時可能造成短暫的供電中斷。當UPS系統和電源供應器不同時，其對穿越時間的要求也存在差異，所以在執行ECO運行模式前，需要保證電源供應器的穿越時間可覆蓋UPS系統的切換時間。例如，當UPS系統在ECO模式切換中需要10 ms的切換時間，而后端電源供應器的穿越時間低于10 ms，那么此種情況下的ECO模式并不適用于UPS系統。

在開展設計工作時，可以使用雙向晶閘管組成靜態轉換開關，采用這種方式的過載能力超強，可滿足長期穩定運行旁路的要求[7]。軟件方面應該對先進的鎖相技術進行合理利用，在可跟蹤范圍內將切換時間壓縮到0 ms，當旁路斷電時也能夠控制5 ms以內的切換時間。

2.2 電源供應器穿越時間

想要保證UPS系統ECO模式順利實施，必須以合理設計IT設備的電源供應器為前提，從而保證其與ECO模式匹配。正常情況下，電源供應器都擁有儲存能量的功能，所以規定范圍內的穿越時間是被允許的，大多以毫秒為單位，即使在這一時間內IT設備完全斷電也仍然能夠持續運行[8]。所以相關人員應該充分重視分析與對比IT設備電源供應器的輸入特性和UPS輸出特性，以電源供應器可支持的最大電源輸入中斷時間為基礎，UPS輸出電源必須擁有更短的中斷時間，否則UPS系統ECO模式的實施條件將無法得到滿足。

在滿載的情況下，電源供應器的穿越時間會受到單電源供電的影響，由于電源供應器不同，在穿越時間方面也會存在差異，正常情況下為10～50 ms。當電源供應器由雙電源供應時，因為IT負載被雙電源均分供電，雙電源供應器只需在半載情況下運行，相較于滿載的單電源供電，其穿越時間會高出0.5～2倍，并且不需要對雙路電源同步進行保持。

在電源供應器穿越時間的影響因素中最重要的就是輸出功率。當電源供應器擁有越大的輸出功率時，其就擁有越短的穿越時間。由于電容器只擁有有限的儲存電能，所以當擁有較大的輸出功率時自然就會擁有較短的穿越時間[9]。

需要注意的是，雖然電源供應器的功率大小能夠影響其穿越時間，但是在實際設計中使用的是在最壞工況和最差相角下的穿越時間參數。同時，在一個或兩個周波內電源供應器還能夠將電能輸送至電容器，使其能量損失得到彌補。

2.3 市電質量

在UPS系統使用ECO模式運行時對市電質量擁有較高的要求，從而保證電力質量能夠為電子信息設備構建良好的運行環境。本次研究中將以UPS系統ECO模式和UPS雙變換模式應對常見電網質量問題的情況作為對比對象，通過最終分析結果可知，在UPS系統以ECO模式運行時需保證市電質量符合要求，進而保證電子信息設備運行的穩定性。使用UPS系統ECO模式能夠使電力中斷的問題得到有效解決，但是對于噪聲、尖峰脈沖以及諧波等問題需要與實際情況相結合，采取有針對性的措施[10]。

3 ECO模式測試

為了使UPS系統ECO模式運行的可靠性和節能性變得更加明確，本次研究中的測試對象為某品牌400 kVA容量的12脈沖高頻機，主要測試不同場景下ECO模式的切換情況，對比在線雙變換模式與ECO模式消耗能源的情況。

3.1 ECO切換測試

主要測試在各種負載率下UPS單機EOC模式的切換情況、在負載不同情況下UPS并機ECO模式的切換情況、在頻偏時ECO模式的切換情況、在欠/過壓時ECO模式的切換情況，以多通道示波器作為測試工具展示輸出電壓波形，最終取得了如表1所示的測試結果。

表1 ECO模式切換測試結果

3.2 節能測試

在不同負載率下對ECO供電模式和雙變換模式的效率分別開展測試，最終結果為當存在100%、70%、50%、30%、10%的阻性負載率時，使雙變換供電模式的效率分別為92.2%、92.5%、92.6%、91.3%、83.8%；ECO模式的效率分別為97.7%、97.0%、96.1%、93.6%、83.8%。

通過這一測試結果可知，ECO模式在輕載時并不存在明顯的節能效果，但是在不斷提升負載率的過程中，其會產生越來越明顯的節能效果。ECO模式在滿載的情況下與雙變換供電模式相比能夠提升約6%的效率。

4 結 論

隨著各種供電技術越來越成熟，電網質量已經能夠滿足數據中心電子信息設備電源供應器的供電需求，為數據中心應用UPS系統ECO工作模式打下了堅實基礎。將這一工作模式有效應用于數據中心供電系統不但能夠更加安全的運行供配電系統，還可以減少系統運行過程中的能源消耗。