数据中心能源白皮书03 —— 如何提升UPS效率_机房360

摘要：从世界上第一台UPS诞生开始，除了可靠以外，高效就是UPS一直追求的目标。从80%的效率发展到现在95%以上的效率，究竟业内的专家做了哪些努力，让UPS达到如此高效？未来还有哪些改进空间，可以让UPS达到更高的效率？本文试图就这个问题给出一些见解。

　　如图十一示出A相桥臂开关 VS1~VS4的驱动信号 ugVS1~ugVS4与输出电压uo、电流io关系示意图。开关动作情况可根据uo，io的方向分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4 个区域。ugVS1~ugVS4与uo，io的关系由上图可见，在Ⅰ区域中，io方向为负，即流入变换器。当输出高电平时VD1，VD2导通;当输出零电平时VD5，VS3导通。忽略io在一个开关周期中的变化则Ⅰ区域中逆变器单相半导体器件损耗功率为：

　　PⅠ=f(EswⅠ+EconⅠ++EconⅠ0)

　　式中：EswⅠ为Ⅰ区域器件消耗的总开关损耗能量;EconⅠ+为Ⅰ区域输出高电平时器件消耗的总导通损耗能量;EconⅠ0为Ⅰ区域输出零电平时器件消耗的总导通损耗能量;f为输出电压频率。在Ⅱ区域中，io方向为正，即流出变换器。当输出高电平时VS1，VS2导通，输出零电平时VD6，VS2导通。Ⅱ区域导通器件示意图忽略io在一个开关周期中的变化，则Ⅱ区域中逆变器单相半导体器件损耗功率为：

　　PⅡ=f(EswⅡ+EconⅡ++EconⅡ0)

　　式中：EswⅡ为Ⅱ区域器件消耗的总开关损耗能量;EconⅡ+为II区域输出高电平时器件消耗的总导通损耗能量;EconⅡ0为Ⅱ区域输出零电平时器件消耗的总导通损耗能量。

　　分析可知，Ⅲ区域与Ⅰ区域，Ⅳ区域与Ⅱ区域分别为对偶关系，所以Ⅲ区域的器件损耗与Ⅰ区域相同，Ⅳ区域的器件损耗与Ⅱ区域相同，故三电平逆变器三相半导体器件总损耗功率为：

　　① Ptotal=3(PⅠ+PⅡ+PⅢ+PⅣ)=6(PⅠ+PⅡ)

　　2)两电平损耗分析

　　同样根据uo和io的方向，将开关动作情况分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4 个区域，则两点平逆变器三相半导体总器件损耗功率可表示为：

　　② Ptotal*=3(PⅠ*+PⅡ*+PⅢ*+PⅣ*)=6(PⅠ*+PⅡ*)

　　各分量计算与三电平对应，但修改相应的损耗参数。

　　图十二：两电平逆变器

　　对比上述① ② 公式，用Mathcad软件可算出三电平和两电平逆变器在相同给定应用条件下的损耗和效率。

　　按照以下给定值计算：三电平逆变器以IGBT为开关器件，型号为2MBI300U2B-060(600 V/300 A)，二极管VD5和VD6型号为1FI150B-060(600V/200 A);两电平逆变器所用IGBT型号为

　　2MBI300UC-120(1 200 V/300 A);两种拓扑逆变器驱动电阻Rg=5 Ω，工作温度Tj=125 ℃。

　　理论计算当fs=10 kHz时，三电平逆变器效率可提高1.7%;当fs=20 kHz，三电平逆变器效率可提高2.79%。

　　可以看出，选择更优的拓扑可以显著提高效率。

　　3.3降低系统损耗

　　降低系统损耗，从根本上来说，就是保证UPS始终工作在效率最高区间。考虑到UPS的初期投资，可以选用模块化UPS达成这一目的。选用模块化的优点如下。

　　1)、按需扩容

　　模块化一大优势在于可在线扩容，这种设计使得客户不必过于超前规划UPS系统的容量，而是可以在适合的范围内接近负载容量，从而达到最好的效率点

　　图十三：华为模块化UPS

　　2)、模块冗余

　　UPS系统的可靠性是客户非常看重的指标。一般来说，N+1冗余系统可以满足大部分应用场景的可靠性需求，也是性价比最高的配置方式。一般塔式系统采用N+1只保证了可靠性，但是会导致初期投资较高，并且也会让负载率低于50%，采用模块化机器则不会有这个问题。

　　3)、智能休眠功能

　　图十四：智能休眠

　　模块化UPS一般具有智能休眠功能，采用这个功能可有效改善因低载带来的低效现象。UPS将根据目前所处负载情况，在留有冗余的前提下，休眠1-2个模块，从而提升其他工作中机器的负载率，使得系统效率得以提升。且原有系统负载率越低，节能效果越显著。以负载率为20%的3+1模块冗余系统为例，通过智能休眠功能，系统将休眠2个模块，使得剩余2台机器负载率达到40%，且这种情况下UPS系统仍保留冗余，即保障1台机器故障时，剩余1台机器仍可正常带载运行。仍以500kW负载为例，空调EER=3:1,休眠前后的节能对比见下：