關(guān)于數(shù)據(jù)中心高頻模塊化UPS 運(yùn)行于ECO 模式的實(shí)踐和思考

安徽省經(jīng)濟(jì)信息中心 郭錕

為貫徹落實(shí)國(guó)家關(guān)于綠色數(shù)據(jù)中心的相關(guān)要求，電氣、暖通等方面涌現(xiàn)出多種提高能源使用效率的新技術(shù)。比如，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心在其電力系統(tǒng)中采用高頻模塊化UPS。其工作模式中包含ECO 模式（即“經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式”），在各方面運(yùn)行條件適宜的情況下對(duì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能有積極影響，可進(jìn)一步提高其電能使用效率。但是，在負(fù)載較低的情況下使用，可能導(dǎo)致相關(guān)無(wú)功功率增加，降低整體功率因數(shù)，本文在此方面進(jìn)行了實(shí)踐和探索。

隨著國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心相關(guān)要求的頒布和“東數(shù)西算”戰(zhàn)略的提出，我國(guó)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和發(fā)展掀起一輪新的高潮。為了應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心不斷增長(zhǎng)的能耗需求，風(fēng)火水電等方面均不斷推陳出新，開(kāi)發(fā)出各類(lèi)新型設(shè)備，旨在提高數(shù)據(jù)中心的能耗使用效率。2022 年8 月，工信部等七部門(mén)印發(fā)《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022-2025 年）》中明確：“推進(jìn)企業(yè)在信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中優(yōu)先采用節(jié)能減排新技術(shù)和設(shè)備，鼓勵(lì)應(yīng)用《國(guó)家通信業(yè)節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品推薦目錄》《節(jié)能節(jié)水專(zhuān)用設(shè)備企業(yè)所得稅優(yōu)惠目錄》中的節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品”[1]，其中《國(guó)家通信業(yè)節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品推薦目錄》中推薦使用模塊化不間斷電源及預(yù)制式微模塊集成技術(shù)，對(duì)不間斷電源（下稱(chēng)UPS）要求：“將UPS 系統(tǒng)功能部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，分為機(jī)柜、旁路模塊及功率模塊，整機(jī)具有智能控制、綠色休眠備份功能，可提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和節(jié)能效果”[2]，達(dá)到“整機(jī)系統(tǒng)效率達(dá)到96%，最高可達(dá)97%”。不間斷電源（Uninterruptible Power System，簡(jiǎn)稱(chēng)UPS）是為了避免數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器、存儲(chǔ)等設(shè)備斷電造成數(shù)據(jù)丟失，提高供電的可靠性，是設(shè)計(jì)使用的重要電力基礎(chǔ)設(shè)施[3]。并且可以通過(guò)濾波，消除市電電網(wǎng)波動(dòng)和電力切換間隙，提高供電質(zhì)量，基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其是由變流器、開(kāi)關(guān)和儲(chǔ)能裝置組合構(gòu)成的系統(tǒng)，在輸入電源正常或故障時(shí)，輸出交流或直流電能，在一定時(shí)間內(nèi)，維持對(duì)負(fù)載供電的連續(xù)性。

圖1 UPS 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 UPS structure diagram

隨著技術(shù)發(fā)展，目前越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心開(kāi)始使用高頻模塊化UPS。其有一重要功能是支持ECO 模式，該模式在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)應(yīng)用中，需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀因地制宜。下文將從現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)應(yīng)用的角度，闡述筆者所在數(shù)據(jù)中心實(shí)際應(yīng)用高頻模塊化UPS 在ECO 模式下運(yùn)行的實(shí)踐和思考，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，以期對(duì)該運(yùn)行模式有更全面的了解。

1 高頻模塊化UPS 和ECO 模式簡(jiǎn)介

高頻模塊化UPS 采用了高頻交流轉(zhuǎn)換成直流再轉(zhuǎn)換成低頻交流的技術(shù)，轉(zhuǎn)換速度更快，功率因數(shù)更高。并且通過(guò)多個(gè)模塊的并聯(lián)，在實(shí)現(xiàn)備用功率的同時(shí)，大大提高了整個(gè)UPS 系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性，其主要特點(diǎn)包括高可靠性、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能化控制等，與傳統(tǒng)UPS 相比，它有著更高的效率和更穩(wěn)定的輸出電壓。UPS 的運(yùn)行模式的一般包括市電逆變模式、電池模式、旁路模式、維修旁路模式、ECO 模式。

ECO 全稱(chēng)為Economy，即“經(jīng)濟(jì)性”運(yùn)行。ECO模式基本工作原理是將輸出交流電路的直流部分?jǐn)嚅_(kāi)，負(fù)載直接接受交流電源的供應(yīng)，逆變器不再工作，以提高能效。在該模式下，逆變器將不再輸出任何功率，只有在輸入電源電壓低于或高于規(guī)定值時(shí)，才會(huì)通過(guò)逆變器輸出糾正電壓，以保證穩(wěn)定的電源輸出。電流流經(jīng)旁路模塊輸出給負(fù)載供電，同時(shí)，功率模塊的充電器也會(huì)工作，給電池充電。當(dāng)旁路輸入發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)能在10ms 時(shí)間內(nèi)快速切換回逆變模式，保證負(fù)載供電安全。其功能框圖如圖2 所示。

圖2 ECO 模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of ECO mode

2 運(yùn)行實(shí)踐

筆者參與運(yùn)維管理的某國(guó)標(biāo)A 級(jí)數(shù)據(jù)中心，為提高能源使用效率，我們根據(jù)UPS 使用說(shuō)明對(duì)某一相對(duì)獨(dú)立供電區(qū)域的單路4 臺(tái)500kVA 的UPS 開(kāi)啟ECO 模式，并持續(xù)約1 個(gè)月。

ECO 模式試運(yùn)行1 個(gè)月后，供電部門(mén)反饋數(shù)據(jù)中心功率因數(shù)較低。開(kāi)啟ECO 模式當(dāng)月，數(shù)據(jù)中心功率因數(shù)約為0.43，低于其要求的力調(diào)標(biāo)準(zhǔn)0.85。其中有功電量100160kWh，無(wú)功電量211840kWh。此數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)中心內(nèi)其他業(yè)務(wù)用能，如照明、取暖、電梯、公共區(qū)域監(jiān)控等，下面僅對(duì)開(kāi)啟ECO 模式的部分機(jī)房區(qū)域能耗進(jìn)行分析。

我們通過(guò)數(shù)據(jù)中心智能化監(jiān)控平臺(tái)對(duì)部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)收集（如表1 所示），可以看到該區(qū)域內(nèi)總有功功率為13.1kW，總無(wú)功功率為-144.91kvar，總視在功率為145.69kVA，總功率因數(shù)約為0.09。未開(kāi)啟ECO 模式前，各UPS 詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 開(kāi)啟ECO 模式時(shí)UPS 主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of UPS when ECO mode is enabled

表2 未開(kāi)啟ECO 模式時(shí)UPS 主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of UPS when ECO mode is not enabled

可見(jiàn)開(kāi)啟ECO 模式對(duì)無(wú)功功率產(chǎn)生較大影響。

3 思考

若要求開(kāi)啟ECO 模式后功率因數(shù)達(dá)到力調(diào)標(biāo)準(zhǔn)0.85，假定無(wú)功功率為144.91kvar，根據(jù)三相電中有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)的計(jì)算公式，如下：

有功功率：P=3UpIpcosφ（其中Up 表示相電壓，Ip 表示相電流，cosφ 表示功率因數(shù)）

無(wú)功功率：Q=3UpIp sinφ（其中Up 表示相電壓，Ip 表示相電流，sinφ 功率因數(shù)角的正弦值）

功率因數(shù)：cosφ=P/S。（其中cosφ 表示功率因數(shù)，P 為有功功率，S 為視在功率）

計(jì)算如下：

根據(jù)以上，可以看到負(fù)載需達(dá)到233.88kW。考慮其他容性負(fù)載的補(bǔ)償影響，實(shí)際在該區(qū)域功率因數(shù)達(dá)到0.75，預(yù)計(jì)負(fù)載為164.18kW，區(qū)域單路UPS 總負(fù)載率達(dá)到約11%時(shí)，可考慮使用ECO 模式。計(jì)算如下：

S=P/cosφ=164.18kW/0.75=218.67kVA（功率因數(shù)cosφ 以0.75 計(jì)）

負(fù)載率=實(shí)際負(fù)載÷UPS 額定容量×100%=218.67 kVA÷（500 kVA×4）×100%=10.93%

關(guān)閉ECO 模式后，供電局提供的當(dāng)月用電數(shù)據(jù)如下：有功電量119200kWh，無(wú)功電量121600kWh，功率因數(shù)0.7，較上月提高了63%。以下是本次部分UPS 開(kāi)啟ECO模式前后數(shù)據(jù)中心整體用電數(shù)據(jù)的對(duì)比，如表3 所示。

表3 開(kāi)啟ECO 模式前后數(shù)據(jù)中心用電對(duì)比Tab.3 Comparison of data center power consumption before and after ECO mode is enabled

實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，高頻模塊化UPS 運(yùn)行在ECO 模式下，由于UPS 直接將輸入電源交給負(fù)載，避免了變換能量的損失，使UPS 的能效得到了顯著提高；而且由于ECO 模式下基本不會(huì)輸出任何功率，因此不需要風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，從而降低了噪音；另外，UPS 電池壽命通常受到充放電周期的限制，ECO 模式下可減少充放電周期的次數(shù)，從而延長(zhǎng)UPS 電池的壽命。但由于ECO 模式下將輸入電源直接交給負(fù)載，輸出電壓將與輸入電壓保持一致，因此輸出電壓變化較大，對(duì)于市電質(zhì)量不高的場(chǎng)景下需斟酌使用。

目前，高頻模塊化UPS 在ECO 模式下的應(yīng)用正在逐步推廣。在實(shí)踐應(yīng)用中，我們需要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)也需要對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估。在以下情況可以考慮采用ECO 模式：

（1）負(fù)載適宜：當(dāng)負(fù)載提高到一定程度時(shí)，能有效保證UPS 的有功功率，從而提高其功率因數(shù)，ECO 模式的節(jié)能效果將更加顯著。

（2）長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用：當(dāng)需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電源的情況下，ECO 模式可以提高能效，減少能量損失。

（3）電網(wǎng)質(zhì)量較高：當(dāng)ECO 模式運(yùn)行的電網(wǎng)質(zhì)量不滿(mǎn)足IT 設(shè)備的電壓要求時(shí)，UPS 系統(tǒng)將由ECO 模式切換到其他保護(hù)模式，如正常模式，其效率要低于預(yù)期的ECO 模式[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

高頻模塊化UPS 作為一種新型UPS 系統(tǒng)，在電力設(shè)施中得到了廣泛應(yīng)用。將其運(yùn)行于ECO 模式下，可以提高UPS 的能效，減少能量損失，降低噪音，延長(zhǎng)UPS電池壽命，同時(shí)，也存在輸出電壓不穩(wěn)定、限制UPS 功率范圍等問(wèn)題。因此，在使用UPS 時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況選擇合適的工作模式，以最大程度地提高UPS 效率，減少能源損失。