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數據中心能源白皮書(三):如何提升UPS效率

2018-06-11 21:59:55
Amber
3677
最后編輯:Amber 于 2018-06-11 22:57:57
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摘要:從世界上第一臺UPS誕生開始,除了可靠以外,高效就是UPS一直追求的目標。從80%的效率發(fā)展到現在95%以上的效率,究竟業(yè)內的專家做了哪些努力,讓UPS達到如此高效?未來還有哪些改進空間,可以讓UPS達到更高的效率?本文試圖就這個問題給出一些見解。

1、為什么要高效?

  1.1 可靠性的需求

  在選用UPS產品之時,客戶的第一關注點必然是可靠性。對UPS來說,更高的效率意味著更低的發(fā)熱量,根據阿列紐斯理論(Arrhenius theory),認為溫度每上升十攝氏度,電子產品(如電容、半導體器件)的壽命減半,發(fā)熱量的降低將對器件內部溫度的降低起到重要貢獻,從而提高器件本身的壽命。

  當然,高效只是影響UPS內部溫度的主要因素之一,還要綜合考慮機器本身的散熱設計。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,以保障內部溫度在可接受的范圍之內。

  1.2 響應國家節(jié)能減排政策

  2013年初,工信部聯合五部委共同出臺《關于數據中心建設布局的指導意見》(工信部聯通 (2013) 13號),要求新建數據中心PUE值達到1.5以下,原有改造的數據中心PUE值下降到2以下;而UPS系統(tǒng)的損 耗是數據中心能耗的主要組成部分,大約占到數據中心能耗的6%-10%,數據中心要到達低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

  以一個中型數據中心為例,假設IT負載為500kW,A系列UPS效率為93%,B系列UPS效率為96%,空調能效比(EER)為3:1。根據以上條件,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。而數據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

  為應對全球氣候的變化及提升技術門檻,全球各地出臺了針對各類產品的節(jié)能認證標準,如中國的CQC“節(jié)能產品認證”、美國的“Energy Star”,以上兩者是當地政府部門強制性認證,沒有通過相關認證的產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認證的產品,客戶可以在購買產品的第一年申請100%的稅收減免。此類節(jié)能認證極大的提升了高效產品的競爭力,也說明了各國對產品高效性能的重視。

 

  CQC 能源之星 ECA

  1.5 客戶場景的低效現象

  高效是UPS的持續(xù)追求。可是實際客戶的UPS使用現場,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

結合圖二的曲線,不難得出以下結論: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)任何一條線路出現問題都不會導致負載掉電;

 

  圖四:冗余配置降低系統(tǒng)負載率

  3) 機房設計時不可能按照100%負載率進行設計,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網UPS的實際運行效率多數低于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自身產生的損耗,最終轉化為熱量或輻射等;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,占據了42%,其次是IGBT&SCR的驅動以及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,但是仍然占據了32.6%;SCR的損耗略有上升,從12.4%上升到14.4%。其他諸如風扇,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)的拓撲結構。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用到的半導體主要為IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),二極管以及MOSFET。由于自身結構和工作特性不同,器件損耗構成各有不同:

  1)IGBT

  IGBT的損耗是由導通損耗和開關損耗構成。

  導通損耗等于導通電流ICE和正向導通壓降VCE的乘積:

  Pconduct loss-IGBT =VCE-on* ICE

開關損耗:

  PTurn on- loss-IGBT =Eon* Fsw

  PTurn off- loss-IGBT =Eoff* Fsw

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

 

  圖八:IGBT實物圖

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

  隨著半導體技術的發(fā)展,IGBT也逐漸呈現高效化的趨勢,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的反并聯二極管也會產生損耗,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通損耗和開關損耗構成,

  導通損耗等于正向導通電流IF和正向導通壓降VF的乘積:

  Pconduct loss-diode-REC =VF* IF

  開關損耗主要是由二極管的反向恢復電流引起的:

  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電荷(Reverse recovery charge), Fsw是電路的開關頻率。

  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,需要挑選導通壓降小和反向恢復快的二極管。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 耗和渦流損耗構成,通常磁芯供應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線上流過產生的。通常流過電感的電流包括工頻或直流的低頻電流和開關頻率的高頻電流。由于集膚效應的存在,開關頻率較高時線圈的交流阻抗會大于直流阻抗,所以設計時如果開關頻率較高需要將多股細線并繞來降低集膚效應的影響。

  3)風扇

  風扇的損耗主要來自電機,通常電機的損耗和轉速的立方成正比,所以在不同負載段適當調整風扇轉速,可以適當將各負載段的風扇損耗。

  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的拓撲結構也可以降低損耗。

  在UPS領域,多電平拓撲都大量的應用。相對于以前使用的兩電平拓撲,現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器件的導通損耗、開關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:驅動信號與輸出電壓關系

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

  PⅠ=f(EswⅠ+EconⅠ++EconⅠ0)

  式中:EswⅠ為Ⅰ區(qū)域器件消耗的總開關損耗能量;EconⅠ+為Ⅰ區(qū)域輸出高電平時器件消耗的總導通損耗能量;EconⅠ0為Ⅰ區(qū)域輸出零電平時器件消耗的總導通損耗能量;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。當輸出高電平時VS1,VS2導通,輸出零電平時VD6,VS2導通。Ⅱ區(qū)域導通器件示意圖忽略io在一個開關周期中的變化,則Ⅱ區(qū)域中逆變器單相半導體器件損耗功率為:

  PⅡ=f(EswⅡ+EconⅡ++EconⅡ0)

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

  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uo和io的方向,將開關動作情況分為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,但修改相應的損耗參數。

 

  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);兩種拓撲逆變器驅動電阻Rg=5 Ω,工作溫度Tj=125 ℃。

  理論計算當fs=10 kHz時,三電平逆變器效率可提高1.7%;當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。考慮到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?。一般來說,N+1冗余系統(tǒng)可以滿足大部分應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象。UPS將根據目前所處負載情況,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

  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。


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