IDC、5G通訊、邊緣計算、智能制造,這些科技熱點全都離不開能源,而節能降耗不僅能夠降低企業的運營成本,也是國家乃至世界所倡導的造福全人類的積極舉措,所以一些設備廠商也順勢而為,不斷地開發一些新的節能方案并應用于實踐。本文介紹幾個大功率UPS的實用型節能方案。
1、UPS的模塊休眠模式節能方案
        設想某用戶購買1臺300kW的UPS,配置5個50kW的功率模塊(未滿配),當前帶載率20%,效率90%,運營面臨低載低效,收益不高的問題。　　
　　針對這種情況是聽之任之還是有更好的方案可以解決當前這種“囧”境?　　
　　其實,大部分廠商的UPS是具有模塊休眠功能的,通過面板設置開啟UPS的模塊休眠功能后,可以讓正常帶載和合理冗余的模塊繼續工作,其它的多余模塊進入休眠狀態,這樣可以將UPS的帶載率由20%上升到30%或50%以上,UPS的整機效率也會由90%提升到96%。　　
　　隨著客戶業務量的增長,UPS的負載逐步增加,部分模塊會根據負載率的變化從休眠狀態切換到在線運行,切換時間不超過2ms,不會對負載造成任何不良影響。　　
　　效率提升一小步,節能提升一大步,UPS的效率曲線隨著負載率的變化而變化,通過模塊休眠可以讓UPS的效率指標始終維持在相對較佳的狀態,從而達到降低機房PUE值、節省電費的目的。　　
　　以本案為例,按電費1元/kWh、50kW負載計算,三年節省的電費可達8萬元人民幣,還沒有計算因此而節省的空調制冷費用。何況很多用戶安裝的UPS應當不止1臺300kW的模塊機!　　
　　對于UPS的模塊休眠功能可能會有人擔心其安全性,其實除了前面談到的轉換時間不超過2ms,在部分模塊休眠的同時,剩余的模塊也不會工作在滿負荷狀態,而是留有一定的冗余量,此外休眠的模塊還可以輪值,使所有模塊都得到合理的應用,這些措施都保證了UPS的模塊休眠模式既節能又可靠。圖1為UPS休眠功能演示。
　　
　
2、UPS的ECO模式節能方案
　
　　在線式UPS的正常運行模式需要經過整流和逆變兩個環節,所以其效率不可能特別高。如果市電的質量非常好,是否可以讓UPS走旁路,只有市電質量下降時再不間斷地切換至逆變狀態呢?其實這就是UPS的ECO(economy control operation)模式,在該模式下UPS的運行效率可以達到98%～99%。　　
　　啟動UPS的ECO模式后,當輸入電壓和頻率在負載可以接受的范圍之內時(通常是額定電壓的±10%和額定頻率的±5%,且變化速率不大),UPS會由旁路直接供電給負載,一旦超出預設的電壓或頻率范圍,UPS就會由旁路供電轉為逆變器供電,轉換時間小于4ms,不影響負載的正常運行。
 
　　
　　當前市面上很多廠商的UPS都具有ECO模式可選,但具體的設計方式不同最終的可靠性和節能效果也不大一樣。　　
　　一種設計方式是采用可控硅作為轉換器件。這種設計方式的優點是轉換速度快,但是因為可控硅具有壓降特性,此時的能量損耗無法做到最佳。并且在ECO模式下的轉換速度只是一方面,更重要的是轉換時機,如果當旁路電壓與逆變器輸出電壓之間的相位差或者壓差過大時才開始轉換,即便轉換時間很短也可能會因為輸出擾動而影響到負載。　
　
　　為了避免這種情況發生就要做好狀態偵測和預判,在參數即將超標時即刻執行轉換,此時的轉換速度才有意義。不同廠家對這種狀態偵測和預判的控制是不一樣的。　　
　　再一種設計方式是采用接觸器作為轉換器件(見圖3)。這種設計方式的優點是接通后幾乎沒有壓降,效率高,但是換時間相對較慢,需要配合較好的狀態偵測和預判控制才行,并且在接通瞬間也容易形成接觸器觸點打火拉弧。

   第三種設計方式是采用可控硅+接觸器作為轉換器件(見圖4)。這種設計方式綜合了前面兩種設計方式的優點,而規避了它們的缺點,轉換時SCR先行切換,保證速度,而后接觸器導通提升效率,加上準確的狀態偵測和判斷控制這種方式做到了既高效又可靠!
　　
　　對于UPS的ECO模式節能方案還有另外一種高大上的設計——高效可靠的ECO潔凈模式(見圖5)。UPS在ECO模式下運行于旁路狀態時逆變器基本上是處于閑置狀態的,這也是一種資源的浪費,其實這時可以把它作為一個有源濾波器(APF)來使用,有效濾除掉來自負載的諧波干擾,從而凈化電網環境。臺達的大功率UPS基本上都是采用這種設計方式，其系統ECO模式下的轉換波形如圖6所示。

　　
3、UPS的儲能模式節能方案
　　
　　為了鼓勵削峰填谷,工業用電的價格是不一樣的,有峰時和谷時之分(見圖7)。如何利用這種政策優勢,通過控制UPS的運行模式使電源系統盡可能地節省電費呢?有些設備廠商已經對此展開了積極探究,并形成了成熟的設計方案進行應用。
　　
　　①谷時充電:UPS對電池系統定電流充電,達到設定電壓數值后轉至恒電壓充電,充電電壓、充電電流可依據電池組需求在UPS面板上設定;
　　
　　②峰時放電:電池系統按照設定的放電電流恒流放電,其余能量由UPS的整流器或者旁路提供;
　　
　　③平電時段不充不放:儲能狀態下平電時段UPS電池系統的充放電電流為零,不充不放;
　　
　　④市電+電池聯合供電(見圖8):電網正常時,一方面UPS通過旁路對負載供電,同時,電池組也對負載進行供電,形成市電+電池聯合供電模式,類似于UPS的并機供電。一般由電池組分擔總負載功率的40%左右(具體可以設定),UPS旁路承擔剩余的負載功率,電池組始終處于定電流放電狀態,并且電池組達到放電的預定階段即停止進一步放電,以備市電異常時的不時之需。負載波動造成的電流變化由UPS的旁路承擔。
　　
　　UPS執行儲能模式時如果出現異常,比如市電異常,電池異常,通訊異常等,UPS即刻由儲能模式轉換到正常模式(圖9中的UPS儲能系統后備模式),當具備回切條件時,UPS繼續執行儲能運行模式。UPS儲能運行模式作為業界的創新設計目前使用的還不多,但隨著電池性能的提升及人們對節能要求的進一步加強,,相信很快會得到普及。
　　
結束語
　　
　　節能降耗是大勢所趨,UPS的模塊休眠模式節能方案、ECO模式節能方案、儲能模式節能方案只是大功率UPS的實用型節能方案中的幾種,隨著技術的進步和應用需求的變化,相信會有更多更先進的實用性方案造福于社會!

        作者：劉福生,中達電通股份有限公司MCIS技術支援處資深工程師,十多年的品質分析及售前技術支持工作經歷,在UPS及數據中心基礎設施解決方案的規劃和應用方面具有豐富的經驗。

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