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1、為什么要高效?

　　1.1 可靠性的需求

　　在選用UPS產(chǎn)品之時，客戶的第一關(guān)注點必然是可靠性。對UPS來說，更高的效率意味著更低的發(fā)熱量，根據(jù)阿列紐斯理論(Arrhenius theory)，認為溫度每上升十?dāng)z氏度，電子產(chǎn)品(如電容、半導(dǎo)體器件)的壽命減半，發(fā)熱量的降低將對器件內(nèi)部溫度的降低起到重要貢獻，從而提高器件本身的壽命。

　　當(dāng)然，高效只是影響UPS內(nèi)部溫度的主要因素之一，還要綜合考慮機器本身的散熱設(shè)計。但是，效率越低往往意味著需要在成本(更好的散熱器件或更大的散熱空間)、可靠性(增加故障點)或工作溫度(40攝氏度下不能連續(xù)工作)等方面作犧牲，以保障內(nèi)部溫度在可接受的范圍之內(nèi)。

　　1.2 響應(yīng)國家節(jié)能減排政策

　　2013年初，工信部聯(lián)合五部委共同出臺《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》(工信部聯(lián)通 (2013) 13號)，要求新建數(shù)據(jù)中心PUE值達到1.5以下，原有改造的數(shù)據(jù)中心PUE值下降到2以下;而UPS系統(tǒng)的損 耗是數(shù)據(jù)中心能耗的主要組成部分，大約占到數(shù)據(jù)中心能耗的6%-10%，數(shù)據(jù)中心要到達低PUE，必須選擇運行效率更高的UPS。

 

　　圖一：不同類型UPS對PUE貢獻差異可達0.1以上

　　1.3 客戶節(jié)約電費的需求

　　以一個中型數(shù)據(jù)中心為例，假設(shè)IT負載為500kW，A系列UPS效率為93%，B系列UPS效率為96%，空調(diào)能效比(EER)為3:1。根據(jù)以上條件，分別采用兩種UPS所帶來的損耗見下表：

表1：兩種UPS損耗對比表

　　從表中可見B系列比A系列一年要節(jié)省19.6萬度電，根據(jù)中國工業(yè)用電，一般平均不低于0.5元/度，即每年最少將節(jié)省9萬余元。而數(shù)據(jù)中心的典型使用壽命約為10年，采用B系列UPS將總計節(jié)省90萬元，已遠超過購買一臺500kVA UPS的價格。一般來說UPS效率每提高一個百分點可節(jié)約10%-20%的電能費用，可見高效UPS給企業(yè)帶來的收益是很可觀的。

　　1.4 認證門檻的要求

　　為應(yīng)對全球氣候的變化及提升技術(shù)門檻，全球各地出臺了針對各類產(chǎn)品的節(jié)能認證標(biāo)準(zhǔn)，如中國的CQC“節(jié)能產(chǎn)品認證”、美國的“Energy Star”，以上兩者是當(dāng)?shù)卣块T強制性認證，沒有通過相關(guān)認證的產(chǎn)品不能進入政府采購名單。如英國的ECA認證，要求200k以上UPS滿載效率做到96%，針對具備ECA認證的產(chǎn)品，客戶可以在購買產(chǎn)品的第一年申請100%的稅收減免。此類節(jié)能認證極大的提升了高效產(chǎn)品的競爭力，也說明了各國對產(chǎn)品高效性能的重視。

 

　　CQC 能源之星 ECA

　　1.5 客戶場景的低效現(xiàn)象

　　高效是UPS的持續(xù)追求?？墒菍嶋H客戶的UPS使用現(xiàn)場，大量UPS仍然運行效率極低。探究原因，主要有以下幾點。

　　負載率對UPS的效率影響很大。如右圖所示，一般情況下，UPS的效率會隨著負載率的提高而提高，并且會在負載率達到70%時達到效率最高點。

 

　　圖二：常見UPS效率隨負載率變化曲線

結(jié)合圖二的曲線，不難得出以下結(jié)論：讓UPS始終工作在效率最高負載區(qū)間，是提升UPS效率的可行手段。然而實際場景中，存在以下因素，使得UPS負載率無法工作在最佳負載區(qū)間，甚至存在負載率極低，導(dǎo)致UPS效率極低的情況：

　　1) 超前規(guī)劃。因為供配電系統(tǒng)不易改造，機房在規(guī)劃時會考慮到未來3-5年的業(yè)務(wù)擴容，常常需要提前規(guī)劃好擴容容量的供配電系統(tǒng);

 

　　圖三：超前規(guī)劃降低UPS負載率

　　2) 冗余配置。為保障可靠性，供配電系統(tǒng)需要冗余配置，常常做到N+1配置，部分核心負載甚至做2N或2(N+1)配置，保證供配電系統(tǒng)任何一條線路出現(xiàn)問題都不會導(dǎo)致負載掉電;

 

　　圖四：冗余配置降低系統(tǒng)負載率

　　3) 機房設(shè)計時不可能按照100%負載率進行設(shè)計，一般情況下，負載率不會超過80%。

　　因為以上所講的三個原因，一般情況下，UPS實際負載率低于40%，冗余越高的，負載率越低(見圖四)，一些機房UPS負載率會低到20%左右。在低載下，UPS的效率會大打折扣?，F(xiàn)網(wǎng)UPS的實際運行效率多數(shù)低于90%，給客戶造成大量的電力損失。

　　2、UPS損耗組成

　　如何提升UPS的效率?首先我們來看下UPS的損耗由哪些部分組成，下圖為UPS輸入功率的最終走向。

　　圖五紅色部分為UPS最終輸出功率，即提供給負載的能量;綠色部分為UPS自身產(chǎn)生的損耗，最終轉(zhuǎn)化為熱量或輻射等;藍色折線圖為效率趨勢。從圖中可以看出UPS損耗并不是呈線性增加，這是由于其損耗由多種類型組成。以下對空載時的損耗和滿載時的損耗分別進行分析，從中找出UPS損耗構(gòu)成的基本規(guī)律。

 

　　圖五：UPS輸入功率最終流向

　　2.1 空載損耗

　　如圖六：

 

　　圖六：空載損耗分布

　　圖中可以看出，UPS上電后，有一部分器件始終處于工作狀態(tài)，其損耗即使在UPS空載時也是必不可少的。這部分器件中，損耗最大的是電感，占據(jù)了42%，其次是IGBT&SCR的驅(qū)動以及SCR本身的損耗，兩者加起來大概占了26%左右，還有一些損耗比較小的，比如泄放電阻，電容內(nèi)阻等。一般占UPS最大額定容量的0.5%~3%左右。

　　2.2 滿載損耗

　　圖七為滿載損耗分布圖，可以看出，跟空載損耗相比IGBT&Diode損耗明顯增大，從上圖的6.6%躍升至45.7%;電感損耗占比略有下降，但是仍然占據(jù)了32.6%;SCR的損耗略有上升，從12.4%上升到14.4%。其他諸如風(fēng)扇，監(jiān)控，控制板等占比均有下降。

 

　　圖七：滿載損耗分布

　　從以上的對比可以看出，IGBT、二極管、電感等的損耗是UPS損耗的大頭，要想提升UPS的效率，一方面需要從降低這些器件損耗入手，另一方面，可以選擇更優(yōu)的拓撲結(jié)構(gòu)。以下分別從這兩點分別說明。

　　3、如何降低UPS損耗

　　3.1 降低器件損耗

　　高頻UPS用到的半導(dǎo)體主要為IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，二極管以及MOSFET。由于自身結(jié)構(gòu)和工作特性不同，器件損耗構(gòu)成各有不同：

　　1)IGBT

　　IGBT的損耗是由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗構(gòu)成。

　　導(dǎo)通損耗等于導(dǎo)通電流ICE和正向?qū)▔航礦CE的乘積：

　　Pconduct loss-IGBT =VCE-on* ICE

開關(guān)損耗：

　　PTurn on- loss-IGBT =Eon* Fsw

　　PTurn off- loss-IGBT =Eoff* Fsw

　　IGBT的開關(guān)損耗分為開通和關(guān)斷損耗，可以用單次關(guān)斷的損耗(Eon或Eoff)乘以開關(guān)頻率Fsw。

 

　　圖八：IGBT實物圖

　　所以如果要降低IGBT損耗，就需要選擇導(dǎo)通壓降比較低，開關(guān)損耗比較小的型號。由于通常導(dǎo)通壓降低和開關(guān)損耗小無法同時選擇，所以需要判斷實際電路中導(dǎo)通損耗比較大還是開關(guān)損耗比較大，然后選擇收益最大的一個方向挑選IGBT。

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，IGBT也逐漸呈現(xiàn)高效化的趨勢，新一代的IGBT通常比上一代損耗更低，所以優(yōu)先挑選采用最新技術(shù)的IGBT也是降低損耗的一個常用手法。

　　華為UPS U5000在整流和逆變線路上就選擇了不同型號的IGBT以配合線路實際工作特性達到損耗最小。

　　注：部分線路中IGBT的反并聯(lián)二極管也會產(chǎn)生損耗，選擇IGBT時也需要注意二極管特性。

　　2)二極管

　　在UPS中會使用較多的功率二極管，按照電路工作的頻率，二極管被區(qū)分為高頻二極管和整流(工頻)二極管，兩種二極管的損耗略有差異，本文主要討論高頻二極管的情況。

　　高頻二極管的損耗主要由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗構(gòu)成，

　　導(dǎo)通損耗等于正向?qū)娏鱅F和正向?qū)▔航礦F的乘積：

　　Pconduct loss-diode-REC =VF* IF

　　開關(guān)損耗主要是由二極管的反向恢復(fù)電流引起的：

　　Pleakage-diode-REC=Ileakage-diode-REC*Vdiode-REC

　　其中，VR是二極管的反向電壓，Qrr是二極管的反向恢復(fù)電荷(Reverse recovery charge)， Fsw是電路的開關(guān)頻率。

　　二極管的總損耗：

　　Ploss-diode-REC= Pconduct loss-diode-REC+ Pleakage-diode-REC

　　如上式所示，如果要降低高頻二極管的損耗，需要挑選導(dǎo)通壓降小和反向恢復(fù)快的二極管。如果工作頻率很高，可以考慮使用碳化硅二極管(反向恢復(fù)損耗極小)以降低器件損耗。

　　3)功率電感

　　功率電感的損耗由磁芯損耗和線圈損耗組成。磁芯損耗分為磁滯損耗，渦流損耗和剩余損耗，UPS一般工作頻率不高，大部分在20KHz左右，磁芯損耗主要由磁滯損 耗和渦流損耗構(gòu)成，通常磁芯供應(yīng)商的擬合損耗曲線會包含這些損耗。以CSC sendust 26u磁芯為例，上圖就是損耗的擬合公式，先計算出B，再代入工作頻率即可得到單位體積的損耗。按照下圖的公式，降低B能有效降低磁芯損耗，即可以選擇增大磁路截面積或提高頻率，降低工作電壓等措施來降低磁芯損耗。

　　例如：以CSC鐵硅鋁 26u的磁芯為例，如果將磁芯的截面積增加25%，其他條件不變，則B會降低25%，磁芯損耗則會降低45%。

 

　　圖九：磁芯損耗線圖

　　線圈損耗是有電流在導(dǎo)線上流過產(chǎn)生的。通常流過電感的電流包括工頻或直流的低頻電流和開關(guān)頻率的高頻電流。由于集膚效應(yīng)的存在，開關(guān)頻率較高時線圈的交流阻抗會大于直流阻抗，所以設(shè)計時如果開關(guān)頻率較高需要將多股細線并繞來降低集膚效應(yīng)的影響。

　　3)風(fēng)扇

　　風(fēng)扇的損耗主要來自電機，通常電機的損耗和轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以在不同負載段適當(dāng)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，可以適當(dāng)將各負載段的風(fēng)扇損耗。

　　3.2 降低拓撲損耗

　　除了以上討論的降低器件損耗外，通過優(yōu)化UPS的拓撲結(jié)構(gòu)也可以降低損耗。

　　在UPS領(lǐng)域，多電平拓撲都大量的應(yīng)用。相對于以前使用的兩電平拓撲，現(xiàn)在常用的二極管箝位型三電平拓撲與傳統(tǒng)兩電平拓撲逆變器相比，可以減小濾波電感的尺寸和損耗。粗略損耗分析如下：

　　1)三電平損耗分析

　　圖十示出二極管箝位型三電平逆變器拓撲。電路主要損耗為開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗以及輸出濾波電感損耗。因三相電路3個橋臂的損耗相同，為便于計算，基于A相單相橋臂進行損耗分析。

 

　　圖十：三電平拓撲圖

 

　　圖十一：驅(qū)動信號與輸出電壓關(guān)系

如圖十一示出A相橋臂開關(guān) VS1~VS4的驅(qū)動信號 ugVS1~ugVS4與輸出電壓uo、電流io關(guān)系示意圖。開關(guān)動作情況可根據(jù)uo，io的方向分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4 個區(qū)域。ugVS1~ugVS4與uo，io的關(guān)系由上圖可見，在Ⅰ區(qū)域中，io方向為負，即流入變換器。當(dāng)輸出高電平時VD1，VD2導(dǎo)通;當(dāng)輸出零電平時VD5，VS3導(dǎo)通。忽略io在一個開關(guān)周期中的變化則Ⅰ區(qū)域中逆變器單相半導(dǎo)體器件損耗功率為：

　　PⅠ=f(EswⅠ+EconⅠ++EconⅠ0)

　　式中：EswⅠ為Ⅰ區(qū)域器件消耗的總開關(guān)損耗能量;EconⅠ+為Ⅰ區(qū)域輸出高電平時器件消耗的總導(dǎo)通損耗能量;EconⅠ0為Ⅰ區(qū)域輸出零電平時器件消耗的總導(dǎo)通損耗能量;f為輸出電壓頻率。在Ⅱ區(qū)域中，io方向為正，即流出變換器。當(dāng)輸出高電平時VS1，VS2導(dǎo)通，輸出零電平時VD6，VS2導(dǎo)通。Ⅱ區(qū)域?qū)ㄆ骷疽鈭D忽略io在一個開關(guān)周期中的變化，則Ⅱ區(qū)域中逆變器單相半導(dǎo)體器件損耗功率為：

　　PⅡ=f(EswⅡ+EconⅡ++EconⅡ0)

　　式中：EswⅡ為Ⅱ區(qū)域器件消耗的總開關(guān)損耗能量;EconⅡ+為II區(qū)域輸出高電平時器件消耗的總導(dǎo)通損耗能量;EconⅡ0為Ⅱ區(qū)域輸出零電平時器件消耗的總導(dǎo)通損耗能量。

　　分析可知，Ⅲ區(qū)域與Ⅰ區(qū)域，Ⅳ區(qū)域與Ⅱ區(qū)域分別為對偶關(guān)系，所以Ⅲ區(qū)域的器件損耗與Ⅰ區(qū)域相同，Ⅳ區(qū)域的器件損耗與Ⅱ區(qū)域相同，故三電平逆變器三相半導(dǎo)體器件總損耗功率為：

　?、?Ptotal=3(PⅠ+PⅡ+PⅢ+PⅣ)=6(PⅠ+PⅡ)

　　2)兩電平損耗分析

　　同樣根據(jù)uo和io的方向，將開關(guān)動作情況分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4 個區(qū)域，則兩點平逆變器三相半導(dǎo)體總器件損耗功率可表示為：

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

　　各分量計算與三電平對應(yīng)，但修改相應(yīng)的損耗參數(shù)。

 

　　圖十二：兩電平逆變器

　　對比上述① ② 公式，用Mathcad軟件可算出三電平和兩電平逆變器在相同給定應(yīng)用條件下的損耗和效率。

　　按照以下給定值計算：三電平逆變器以IGBT為開關(guān)器件，型號為2MBI300U2B-060(600 V/300 A)，二極管VD5和VD6型號為1FI150B-060(600V/200 A);兩電平逆變器所用IGBT型號為

　　2MBI300UC-120(1 200 V/300 A);兩種拓撲逆變器驅(qū)動電阻Rg=5 Ω，工作溫度Tj=125 ℃。

　　理論計算當(dāng)fs=10 kHz時，三電平逆變器效率可提高1.7%;當(dāng)fs=20 kHz，三電平逆變器效率可提高2.79%。

　　可以看出，選擇更優(yōu)的拓撲可以顯著提高效率。

　　3.3降低系統(tǒng)損耗

　　降低系統(tǒng)損耗，從根本上來說，就是保證UPS始終工作在效率最高區(qū)間?？紤]到UPS的初期投資，可以選用模塊化UPS達成這一目的。選用模塊化的優(yōu)點如下。

　　1)、按需擴容

　　模塊化一大優(yōu)勢在于可在線擴容，這種設(shè)計使得客戶不必過于超前規(guī)劃UPS系統(tǒng)的容量，而是可以在適合的范圍內(nèi)接近負載容量，從而達到最好的效率點

 

　　圖十三：華為模塊化UPS

　　2)、模塊冗余

　　UPS系統(tǒng)的可靠性是客戶非?？粗氐闹笜?biāo)。一般來說，N+1冗余系統(tǒng)可以滿足大部分應(yīng)用場景的可靠性需求，也是性價比最高的配置方式。一般塔式系統(tǒng)采用N+1只保證了可靠性，但是會導(dǎo)致初期投資較高，并且也會讓負載率低于50%，采用模塊化機器則不會有這個問題。

　　3)、智能休眠功能

 

　　圖十四：智能休眠

　　模塊化UPS一般具有智能休眠功能，采用這個功能可有效改善因低載帶來的低效現(xiàn)象。UPS將根據(jù)目前所處負載情況，在留有冗余的前提下，休眠1-2個模塊，從而提升其他工作中機器的負載率，使得系統(tǒng)效率得以提升。且原有系統(tǒng)負載率越低，節(jié)能效果越顯著。以負載率為20%的3+1模塊冗余系統(tǒng)為例，通過智能休眠功能，系統(tǒng)將休眠2個模塊，使得剩余2臺機器負載率達到40%，且這種情況下UPS系統(tǒng)仍保留冗余，即保障1臺機器故障時，剩余1臺機器仍可正常帶載運行。仍以500kW負載為例，空調(diào)EER=3:1,休眠前后的節(jié)能對比見下：

表2：休眠前后節(jié)能對比表

　　從上表的對比可見，休眠后的總損耗降低了三分之一以上，10年下來可節(jié)約204萬度電，帶來約100萬元人民幣的收益。

　　除此以外，華為UPS5000-E還具備輪換休眠功能，系統(tǒng)會對工作的模塊進行定期輪換，以保證工作時間平均，延長模塊壽命。

 

　　圖十五：UPS5000-E智能輪換休眠

　　4、總結(jié)

　　如今業(yè)界UPS最高效率普遍可以達到96%甚至更高，但是提升UPS效率仍然是整個業(yè)界一直持續(xù)追求的，選用優(yōu)質(zhì)器件，更優(yōu)的拓撲是提升UPS效率的可靠途徑，同時模塊化UPS智能休眠等特性可以讓UPS工作在最佳效率區(qū)間。