IDC、5G通訊、邊緣計(jì)算、智能制造,這些科技熱點(diǎn)全都離不開能源,而節(jié)能降耗不僅能夠降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本,也是國(guó)家乃至世界所倡導(dǎo)的造福全人類的積極舉措,所以一些設(shè)備廠商也順勢(shì)而為,不斷地開發(fā)一些新的節(jié)能方案并應(yīng)用于實(shí)踐。本文介紹幾個(gè)大功率UPS的實(shí)用型節(jié)能方案。
1、UPS的模塊休眠模式節(jié)能方案
        設(shè)想某用戶購(gòu)買1臺(tái)300kW的UPS,配置5個(gè)50kW的功率模塊(未滿配),當(dāng)前帶載率20%,效率90%,運(yùn)營(yíng)面臨低載低效,收益不高的問(wèn)題。　　
　　針對(duì)這種情況是聽之任之還是有更好的方案可以解決當(dāng)前這種“囧”境?　　
　　其實(shí),大部分廠商的UPS是具有模塊休眠功能的,通過(guò)面板設(shè)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(xù)工作,其它的多余模塊進(jìn)入休眠狀態(tài),這樣可以將UPS的帶載率由20%上升到30%或50%以上,UPS的整機(jī)效率也會(huì)由90%提升到96%。　　
　　隨著客戶業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng),UPS的負(fù)載逐步增加,部分模塊會(huì)根據(jù)負(fù)載率的變化從休眠狀態(tài)切換到在線運(yùn)行,切換時(shí)間不超過(guò)2ms,不會(huì)對(duì)負(fù)載造成任何不良影響。　　
　　效率提升一小步,節(jié)能提升一大步,UPS的效率曲線隨著負(fù)載率的變化而變化,通過(guò)模塊休眠可以讓UPS的效率指標(biāo)始終維持在相對(duì)較佳的狀態(tài),從而達(dá)到降低機(jī)房PUE值、節(jié)省電費(fèi)的目的。　　
　　以本案為例,按電費(fèi)1元/kWh、50kW負(fù)載計(jì)算,三年節(jié)省的電費(fèi)可達(dá)8萬(wàn)元人民幣,還沒有計(jì)算因此而節(jié)省的空調(diào)制冷費(fèi)用。何況很多用戶安裝的UPS應(yīng)當(dāng)不止1臺(tái)300kW的模塊機(jī)!　　
　　對(duì)于UPS的模塊休眠功能可能會(huì)有人擔(dān)心其安全性,其實(shí)除了前面談到的轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)2ms,在部分模塊休眠的同時(shí),剩余的模塊也不會(huì)工作在滿負(fù)荷狀態(tài),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(yīng)用,這些措施都保證了UPS的模塊休眠模式既節(jié)能又可靠。圖1為UPS休眠功能演示。
　　
　
2、UPS的ECO模式節(jié)能方案
　
　　在線式UPS的正常運(yùn)行模式需要經(jīng)過(guò)整流和逆變兩個(gè)環(huán)節(jié),所以其效率不可能特別高。如果市電的質(zhì)量非常好,是否可以讓UPS走旁路,只有市電質(zhì)量下降時(shí)再不間斷地切換至逆變狀態(tài)呢?其實(shí)這就是UPS的ECO(economy control operation)模式,在該模式下UPS的運(yùn)行效率可以達(dá)到98%～99%。　　
　　啟動(dòng)UPS的ECO模式后,當(dāng)輸入電壓和頻率在負(fù)載可以接受的范圍之內(nèi)時(shí)(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(huì)由旁路直接供電給負(fù)載,一旦超出預(yù)設(shè)的電壓或頻率范圍,UPS就會(huì)由旁路供電轉(zhuǎn)為逆變器供電,轉(zhuǎn)換時(shí)間小于4ms,不影響負(fù)載的正常運(yùn)行。
 
　　
　　當(dāng)前市面上很多廠商的UPS都具有ECO模式可選,但具體的設(shè)計(jì)方式不同最終的可靠性和節(jié)能效果也不大一樣。　　
　　一種設(shè)計(jì)方式是采用可控硅作為轉(zhuǎn)換器件。這種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快,但是因?yàn)榭煽毓杈哂袎航堤匦?此時(shí)的能量損耗無(wú)法做到最佳。并且在ECO模式下的轉(zhuǎn)換速度只是一方面,更重要的是轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī),如果當(dāng)旁路電壓與逆變器輸出電壓之間的相位差或者壓差過(guò)大時(shí)才開始轉(zhuǎn)換,即便轉(zhuǎn)換時(shí)間很短也可能會(huì)因?yàn)檩敵鰯_動(dòng)而影響到負(fù)載。　
　
　　為了避免這種情況發(fā)生就要做好狀態(tài)偵測(cè)和預(yù)判,在參數(shù)即將超標(biāo)時(shí)即刻執(zhí)行轉(zhuǎn)換,此時(shí)的轉(zhuǎn)換速度才有意義。不同廠家對(duì)這種狀態(tài)偵測(cè)和預(yù)判的控制是不一樣的。　　
　　再一種設(shè)計(jì)方式是采用接觸器作為轉(zhuǎn)換器件(見圖3)。這種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)是接通后幾乎沒有壓降,效率高,但是換時(shí)間相對(duì)較慢,需要配合較好的狀態(tài)偵測(cè)和預(yù)判控制才行,并且在接通瞬間也容易形成接觸器觸點(diǎn)打火拉弧。

   第三種設(shè)計(jì)方式是采用可控硅+接觸器作為轉(zhuǎn)換器件(見圖4)。這種設(shè)計(jì)方式綜合了前面兩種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn),而規(guī)避了它們的缺點(diǎn),轉(zhuǎn)換時(shí)SCR先行切換,保證速度,而后接觸器導(dǎo)通提升效率,加上準(zhǔn)確的狀態(tài)偵測(cè)和判斷控制這種方式做到了既高效又可靠!
　　
　　對(duì)于UPS的ECO模式節(jié)能方案還有另外一種高大上的設(shè)計(jì)——高效可靠的ECO潔凈模式(見圖5)。UPS在ECO模式下運(yùn)行于旁路狀態(tài)時(shí)逆變器基本上是處于閑置狀態(tài)的,這也是一種資源的浪費(fèi),其實(shí)這時(shí)可以把它作為一個(gè)有源濾波器(APF)來(lái)使用,有效濾除掉來(lái)自負(fù)載的諧波干擾,從而凈化電網(wǎng)環(huán)境。臺(tái)達(dá)的大功率UPS基本上都是采用這種設(shè)計(jì)方式，其系統(tǒng)ECO模式下的轉(zhuǎn)換波形如圖6所示。

　　
3、UPS的儲(chǔ)能模式節(jié)能方案
　　
　　為了鼓勵(lì)削峰填谷,工業(yè)用電的價(jià)格是不一樣的,有峰時(shí)和谷時(shí)之分(見圖7)。如何利用這種政策優(yōu)勢(shì),通過(guò)控制UPS的運(yùn)行模式使電源系統(tǒng)盡可能地節(jié)省電費(fèi)呢?有些設(shè)備廠商已經(jīng)對(duì)此展開了積極探究,并形成了成熟的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行應(yīng)用。
　　
　　①谷時(shí)充電:UPS對(duì)電池系統(tǒng)定電流充電,達(dá)到設(shè)定電壓數(shù)值后轉(zhuǎn)至恒電壓充電,充電電壓、充電電流可依據(jù)電池組需求在UPS面板上設(shè)定;
　　
　　②峰時(shí)放電:電池系統(tǒng)按照設(shè)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(shí)段不充不放:儲(chǔ)能狀態(tài)下平電時(shí)段UPS電池系統(tǒng)的充放電電流為零,不充不放;
　　
　　④市電+電池聯(lián)合供電(見圖8):電網(wǎng)正常時(shí),一方面UPS通過(guò)旁路對(duì)負(fù)載供電,同時(shí),電池組也對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電,形成市電+電池聯(lián)合供電模式,類似于UPS的并機(jī)供電。一般由電池組分擔(dān)總負(fù)載功率的40%左右(具體可以設(shè)定),UPS旁路承擔(dān)剩余的負(fù)載功率,電池組始終處于定電流放電狀態(tài),并且電池組達(dá)到放電的預(yù)定階段即停止進(jìn)一步放電,以備市電異常時(shí)的不時(shí)之需。負(fù)載波動(dòng)造成的電流變化由UPS的旁路承擔(dān)。
　　
　　UPS執(zhí)行儲(chǔ)能模式時(shí)如果出現(xiàn)異常,比如市電異常,電池異常,通訊異常等,UPS即刻由儲(chǔ)能模式轉(zhuǎn)換到正常模式(圖9中的UPS儲(chǔ)能系統(tǒng)后備模式),當(dāng)具備回切條件時(shí),UPS繼續(xù)執(zhí)行儲(chǔ)能運(yùn)行模式。UPS儲(chǔ)能運(yùn)行模式作為業(yè)界的創(chuàng)新設(shè)計(jì)目前使用的還不多,但隨著電池性能的提升及人們對(duì)節(jié)能要求的進(jìn)一步加強(qiáng),,相信很快會(huì)得到普及。
　　
結(jié)束語(yǔ)
　　
　　節(jié)能降耗是大勢(shì)所趨,UPS的模塊休眠模式節(jié)能方案、ECO模式節(jié)能方案、儲(chǔ)能模式節(jié)能方案只是大功率UPS的實(shí)用型節(jié)能方案中的幾種,隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用需求的變化,相信會(huì)有更多更先進(jìn)的實(shí)用性方案造福于社會(huì)!

        作者：劉福生,中達(dá)電通股份有限公司MCIS技術(shù)支援處資深工程師,十多年的品質(zhì)分析及售前技術(shù)支持工作經(jīng)歷,在UPS及數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施解決方案的規(guī)劃和應(yīng)用方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

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