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經濟模式UPS在數據中心的應用（下）
來源:《UPS應用》雜志
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作者:wjgoodups
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發布時間: 2016-11-30
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5 經濟模式UPS的性能
如前所述,經濟模式UPS實際上是多方式雙變換式UPS,有4個工作方式(經濟方式、雙變換方式、蓄電池方式和旁路方式),其中經濟方式和雙變換方式是正常方式,這兩種方式根據市電的情況互相轉換。工作于經濟方式和雙變換方式時,UPS的電源質量分別為VFD和VFI。這是國際UPS行業近期提出的“多正常方式”UPS的概念,即一臺UPS可以具有IEC62040電源質量分類的兩種質量。在兩個正常方式下的電源質量的定義和保護性能參見表1。
顯而易見,在經濟方式(VFD)中,系統效率大大提高,但保護性能也大為降低,而且系統輸出電壓和頻率均依賴于市電電壓和頻率。然而,經濟模式UPS并非永久性地工作于VFD。當市電電壓和頻率在允許范圍內時,工作于經濟方式(VFD),獲得最高的效率;當市電電壓和頻率超出允許范圍內時,工作于雙變換方式(VFI),獲得最高等級的保護性能。
6 經濟模式UPS的可靠性
經濟模式UPS實際上是增強型的雙變換UPS,沒有引入新的元器件,而是在新的獨特的方式下使用雙變換UPS原有的元器件。獲得了最高的可靠性。
(1) 經濟模式UPS以新的工作方式獲得了最高可靠性
經濟模式UPS有四個工作方式,正常時運行在經濟方式下,當情況變化時,可以根據其工作狀態、系統告警狀態和系統故障情況轉換到雙變換方式或蓄電池方式或旁路方式,共有三個可能的轉換。而常規雙變換式UPS僅有兩個可能的轉換,即從雙變換方式轉換到旁路方式和蓄電池方式。因此,經濟模式UPS不易陷入系統故障狀態,比較可靠。
假設一個常規雙變換式UPS和一個經濟模式UPS的主輸入和旁路輸入都是分開的兩路饋電線。常規雙變換式UPS正常時運行在雙變換方式,當主輸入市電故障時,轉換到蓄電池方式保護負載,直到蓄電池能量耗盡,然后轉換到無保護的旁路方式。
經濟模式UPS正常時運行在經濟方式,當主輸入市電故障時,可以在經濟方式下繼續運行,由旁路電源直接供電,當旁路輸入電源也發生故障時才轉換到蓄電池方式。實際上,經濟模式UPS在蓄電池能量耗盡之前,可以承受市電電源和蓄電池這兩個電源的斷電故障。這就可能爭取到最大可用性。
(2) 經濟模式UPS延長了電子機械元件的使用壽命
電子機械元件,例如風扇和接觸器等對UPS運行非常重要,但是,這些元件中的運動部件會因磨損而發生故障。經濟模式UPS可以使這些元件的應力減小,提高可靠性。例如風扇在經濟方式中可以關機(當蓄電池充電時除外),因此延長了風扇的壽命。
此外,運行在經濟方式時,整流器和逆變器處于特殊的準備好狀態,均不帶負載,僅控制電路運行,承受很小的電氣應力和熱應力。因此可延長壽命,提高可靠性。
7 經濟模式UPS的轉換時間要求
UPS的轉換時間是指將負載從逆變器輸出轉換到旁路電源(市電)或從旁路電源(市電)轉換到逆變器輸出需要的時間。對于經濟模式UPS,轉換時間包括檢測市電電源超限需要的時間和轉換開關動作時間,轉換時間就是負載斷電的時間。如何評價轉換時間是一個非常重要的問題。目前IT行業采用的評價工具是ITIC曲線。
ITIC曲線是美國信息技術工業委員會(Information technology industry council)針對計算機對電能質量的要求,提出的電壓容限曲線,包括相關的4種電壓擾動(電壓下降、電壓上升、尖峰脈沖和斷電),以防止造成負載故障和損壞。
在任何情況下,UPS的輸出電壓必須保持在ITIC曲線規定的可接受的安全區內。
ITIC的前身是計算機和商用設備制造商協會CBEMA(Computer & business equipment manufacturer association),ITIC曲線過去稱為CBEMA曲線。ITIC/CBEMA曲線就是IT設備抗*容限曲線。
如圖3所示,ITIC曲線規定了IT設備運行的無中斷區、禁止區和無損害中斷區,無中斷區的穩定電壓容限是額定電壓的110%和90%。無中斷區的下包絡線的起始時間是20ms,表明IT設備的斷電耐受能力應為20ms。在禁止區會損壞設備,在無損害中斷區設備不能正常運行,但不會損害。計算機及其控制系統設備必須工作于無中斷區。
經濟模式UPS的轉換時間必須小于IT設備允許的斷電時間。圖4為ITIC曲線和兩個經濟模式UPS輸出電壓特性曲線。經濟模式UPS1的轉換時間為2ms,經濟模式UPS2的轉換時間為500ms。顯而易見,經濟模式UPS1輸出電壓可以很好地保持在無中斷區內,而經濟模式UPS2就可能引起IT設備供電中斷。
IT設備內部的電源單元(PSU)都具有一定的“穿越時間”。穿越時間是指在輸入電源中斷期間,IT設備還可以繼續運行的時間長度。通常是利用電容器存儲一定的能量,輸入電源中斷時放出,供給負載。額定穿越時間是指單電源單元在滿載時的穿越時間。在相同的負載情況下,雙電源單元的穿越時間是單電源單元的2倍。
根據ITIC曲線(圖3)的要求,IT設備的電源單元(PSU)的穿越時間至少應為20ms。IT設備雖然允許中斷20ms,但是UPS工作方式的轉換應越快越好。因為PSU斷電時間越長,當PSU再次接受電源時,吸收的浪涌電流越大。浪涌電流很大時,在UPS至IT設備PSU之間的導線上壓降增大,可能導致PSU輸入電壓過低。此外,UPS轉換完成后,多個PSU同時加載,還有可能造成UPS的過載,導致IT設備斷電。不同的經濟模式UPS的轉換時間不同,最快的只有2ms,轉換過程對靈敏負載無影響。
8 經濟模式UPS的浪涌保護性能
經濟模式UPS在正常方式下,由旁路電源(市電)為負載供電,而整流器并沒有停機,逆變器控制電路始終正常運行,逆變器輸出也沒有斷開,只是沒有輸出功率。因此,UPS的交流輸入和輸出濾波器、直流環節濾波器都接在電路中,其中的電容器有助于減少輸入電壓瞬變的幅度。所以,經濟方式UPS對市電的高頻*的抑制能力與雙變換UPS基本相同。圖5為經濟模式UPS中電容器吸收輸入浪涌電壓的簡化圖。
經濟模式UPS的浪涌保護性能是非常珍貴的。UPS設備的市電直供系統沒有這個性能,需要采取其他措施解決浪涌保護問題。
9 經濟模式UPS對市電的要求
如前所述,經濟模式UPS正常時運行于經濟方式,由市電直接供電,當市電超出ITIC曲線的無中斷區時,可以在2ms內轉換到雙變換方式。轉換過程對負載沒有影響。
然而,如果市電質量較差,導致經濟方式和雙變換方式之間頻繁轉換,或長時間運行在雙變換方式,不但不能達到節能的目的,而且還有一定的風險。因為每次轉換到雙變換方式時,全部負載突加到逆變器上,對逆變器產生沖擊,多次沖擊會導致逆變器故障。此外,即使在有市電且整流器可以正常工作的情況下,轉換到雙變換方式的瞬時是由蓄電池供電的,蓄電池多次瞬時放電會降低壽命。
以上情況一般發生在從嚴重過載的公共電網引入市電,或性能較差的發電機組供電,或者IT設備和空調設備采用同一變壓器供電的場合。因此,經濟模式UPS實施前,應對市電配電電路進行考察和測試。
目前我國大型數據中心大多采用專線引入市電,市電停電事故較少。一般來說,對于采用經濟模式UPS是可靠的。
值得指出的是,如果UPS安裝了經濟模式UPS而未能獲得收益,也不會有什么損失。因為經濟模式UPS很容易由用戶激活或取消,如果市電質量很差,使UPS工作于雙變換方式即可。
10 結束語
電源的高效率和高可靠性是互相排斥的兩個指標。而經濟模式UPS同時實現了最高效率和最高可靠性的目標。經濟模式UPS典型的系統效率是99%,減少了能源損耗。經濟模式UPS與常規雙變換式UPS相比,沒有增加新的元件,且降低了關鍵部件的應力,獲得了最高的可靠性。采用經濟模式UPS是數據中心節能的重要措施。
如前所述,經濟模式UPS實際上是多方式雙變換式UPS,有4個工作方式(經濟方式、雙變換方式、蓄電池方式和旁路方式),其中經濟方式和雙變換方式是正常方式,這兩種方式根據市電的情況互相轉換。工作于經濟方式和雙變換方式時,UPS的電源質量分別為VFD和VFI。這是國際UPS行業近期提出的“多正常方式”UPS的概念,即一臺UPS可以具有IEC62040電源質量分類的兩種質量。在兩個正常方式下的電源質量的定義和保護性能參見表1。
顯而易見,在經濟方式(VFD)中,系統效率大大提高,但保護性能也大為降低,而且系統輸出電壓和頻率均依賴于市電電壓和頻率。然而,經濟模式UPS并非永久性地工作于VFD。當市電電壓和頻率在允許范圍內時,工作于經濟方式(VFD),獲得最高的效率;當市電電壓和頻率超出允許范圍內時,工作于雙變換方式(VFI),獲得最高等級的保護性能。
6 經濟模式UPS的可靠性
經濟模式UPS實際上是增強型的雙變換UPS,沒有引入新的元器件,而是在新的獨特的方式下使用雙變換UPS原有的元器件。獲得了最高的可靠性。
(1) 經濟模式UPS以新的工作方式獲得了最高可靠性
經濟模式UPS有四個工作方式,正常時運行在經濟方式下,當情況變化時,可以根據其工作狀態、系統告警狀態和系統故障情況轉換到雙變換方式或蓄電池方式或旁路方式,共有三個可能的轉換。而常規雙變換式UPS僅有兩個可能的轉換,即從雙變換方式轉換到旁路方式和蓄電池方式。因此,經濟模式UPS不易陷入系統故障狀態,比較可靠。
假設一個常規雙變換式UPS和一個經濟模式UPS的主輸入和旁路輸入都是分開的兩路饋電線。常規雙變換式UPS正常時運行在雙變換方式,當主輸入市電故障時,轉換到蓄電池方式保護負載,直到蓄電池能量耗盡,然后轉換到無保護的旁路方式。
經濟模式UPS正常時運行在經濟方式,當主輸入市電故障時,可以在經濟方式下繼續運行,由旁路電源直接供電,當旁路輸入電源也發生故障時才轉換到蓄電池方式。實際上,經濟模式UPS在蓄電池能量耗盡之前,可以承受市電電源和蓄電池這兩個電源的斷電故障。這就可能爭取到最大可用性。
(2) 經濟模式UPS延長了電子機械元件的使用壽命
電子機械元件,例如風扇和接觸器等對UPS運行非常重要,但是,這些元件中的運動部件會因磨損而發生故障。經濟模式UPS可以使這些元件的應力減小,提高可靠性。例如風扇在經濟方式中可以關機(當蓄電池充電時除外),因此延長了風扇的壽命。
此外,運行在經濟方式時,整流器和逆變器處于特殊的準備好狀態,均不帶負載,僅控制電路運行,承受很小的電氣應力和熱應力。因此可延長壽命,提高可靠性。
7 經濟模式UPS的轉換時間要求
UPS的轉換時間是指將負載從逆變器輸出轉換到旁路電源(市電)或從旁路電源(市電)轉換到逆變器輸出需要的時間。對于經濟模式UPS,轉換時間包括檢測市電電源超限需要的時間和轉換開關動作時間,轉換時間就是負載斷電的時間。如何評價轉換時間是一個非常重要的問題。目前IT行業采用的評價工具是ITIC曲線。
ITIC曲線是美國信息技術工業委員會(Information technology industry council)針對計算機對電能質量的要求,提出的電壓容限曲線,包括相關的4種電壓擾動(電壓下降、電壓上升、尖峰脈沖和斷電),以防止造成負載故障和損壞。
在任何情況下,UPS的輸出電壓必須保持在ITIC曲線規定的可接受的安全區內。
ITIC的前身是計算機和商用設備制造商協會CBEMA(Computer & business equipment manufacturer association),ITIC曲線過去稱為CBEMA曲線。ITIC/CBEMA曲線就是IT設備抗*容限曲線。
如圖3所示,ITIC曲線規定了IT設備運行的無中斷區、禁止區和無損害中斷區,無中斷區的穩定電壓容限是額定電壓的110%和90%。無中斷區的下包絡線的起始時間是20ms,表明IT設備的斷電耐受能力應為20ms。在禁止區會損壞設備,在無損害中斷區設備不能正常運行,但不會損害。計算機及其控制系統設備必須工作于無中斷區。
經濟模式UPS的轉換時間必須小于IT設備允許的斷電時間。圖4為ITIC曲線和兩個經濟模式UPS輸出電壓特性曲線。經濟模式UPS1的轉換時間為2ms,經濟模式UPS2的轉換時間為500ms。顯而易見,經濟模式UPS1輸出電壓可以很好地保持在無中斷區內,而經濟模式UPS2就可能引起IT設備供電中斷。
IT設備內部的電源單元(PSU)都具有一定的“穿越時間”。穿越時間是指在輸入電源中斷期間,IT設備還可以繼續運行的時間長度。通常是利用電容器存儲一定的能量,輸入電源中斷時放出,供給負載。額定穿越時間是指單電源單元在滿載時的穿越時間。在相同的負載情況下,雙電源單元的穿越時間是單電源單元的2倍。
根據ITIC曲線(圖3)的要求,IT設備的電源單元(PSU)的穿越時間至少應為20ms。IT設備雖然允許中斷20ms,但是UPS工作方式的轉換應越快越好。因為PSU斷電時間越長,當PSU再次接受電源時,吸收的浪涌電流越大。浪涌電流很大時,在UPS至IT設備PSU之間的導線上壓降增大,可能導致PSU輸入電壓過低。此外,UPS轉換完成后,多個PSU同時加載,還有可能造成UPS的過載,導致IT設備斷電。不同的經濟模式UPS的轉換時間不同,最快的只有2ms,轉換過程對靈敏負載無影響。
8 經濟模式UPS的浪涌保護性能
經濟模式UPS在正常方式下,由旁路電源(市電)為負載供電,而整流器并沒有停機,逆變器控制電路始終正常運行,逆變器輸出也沒有斷開,只是沒有輸出功率。因此,UPS的交流輸入和輸出濾波器、直流環節濾波器都接在電路中,其中的電容器有助于減少輸入電壓瞬變的幅度。所以,經濟方式UPS對市電的高頻*的抑制能力與雙變換UPS基本相同。圖5為經濟模式UPS中電容器吸收輸入浪涌電壓的簡化圖。
經濟模式UPS的浪涌保護性能是非常珍貴的。UPS設備的市電直供系統沒有這個性能,需要采取其他措施解決浪涌保護問題。
9 經濟模式UPS對市電的要求
如前所述,經濟模式UPS正常時運行于經濟方式,由市電直接供電,當市電超出ITIC曲線的無中斷區時,可以在2ms內轉換到雙變換方式。轉換過程對負載沒有影響。
然而,如果市電質量較差,導致經濟方式和雙變換方式之間頻繁轉換,或長時間運行在雙變換方式,不但不能達到節能的目的,而且還有一定的風險。因為每次轉換到雙變換方式時,全部負載突加到逆變器上,對逆變器產生沖擊,多次沖擊會導致逆變器故障。此外,即使在有市電且整流器可以正常工作的情況下,轉換到雙變換方式的瞬時是由蓄電池供電的,蓄電池多次瞬時放電會降低壽命。
以上情況一般發生在從嚴重過載的公共電網引入市電,或性能較差的發電機組供電,或者IT設備和空調設備采用同一變壓器供電的場合。因此,經濟模式UPS實施前,應對市電配電電路進行考察和測試。
目前我國大型數據中心大多采用專線引入市電,市電停電事故較少。一般來說,對于采用經濟模式UPS是可靠的。
值得指出的是,如果UPS安裝了經濟模式UPS而未能獲得收益,也不會有什么損失。因為經濟模式UPS很容易由用戶激活或取消,如果市電質量很差,使UPS工作于雙變換方式即可。
10 結束語
電源的高效率和高可靠性是互相排斥的兩個指標。而經濟模式UPS同時實現了最高效率和最高可靠性的目標。經濟模式UPS典型的系統效率是99%,減少了能源損耗。經濟模式UPS與常規雙變換式UPS相比,沒有增加新的元件,且降低了關鍵部件的應力,獲得了最高的可靠性。采用經濟模式UPS是數據中心節能的重要措施。
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