负载率提高UPS供电系统运行效率的关键因素

 

摘要：随着能源消耗支出的不断攀升,节能成为高级数据中心生存及盈利的关键因素。高冗余、高可靠性的UPS系统架构,造成UPS供电系统运行效率低下,能源浪费严重。文中通过对UPS效率曲线的分析,明确了负载率是影响UPS系统运行效率的关键因素,并从提高负载率的角度出发,探讨了通过休眠或创新的系统架构提高UPS系统运行效率的可行性。

 

1 效率的重要性

UPS是IT机房中最重要的基础设施之一,其作用是向IT设备提供不间断的供电。正是因为UPS常年不间断的运行模式,更加凸显了其运行效率的重要性。滴水成河,聚沙为塔,每一点系统效率的提升,都会经过日积月累形成显著的节能效果,从而有效降低IT设施的运行成本,提高企业竞争力。

以一台400kVA UPS为例,负载为250kW。若UPS的运行效率为93%,则一年的耗电量为:250kW×24h×365/93%=2354838kWh。若UPS的运行效率提高为94%,则一年的耗电量为:250kW×24h×365/94%=2329787kWh,两者相差为25050kWh。而空调系统为此节能25050kWh/3=8350kWh(按空调的能效比为3:1计算),故UPS的运行效率提高1%,每年总计可节省电能33400kWh。

目前大型数据中心的负载量往往以兆瓦计,以上述计算过程做简单推算,一个1兆瓦的数据中心,UPS系统效率每提高1%,每年的节能将达到惊人的1.336亿kWh。

2 了解UPS的效率特性

要想提高UPS供电系统的运行效率,首先需要对UPS的效率特性有一个正确的认识。UPS效率并不是一个固定的数值,而是负载率的一个函数。在UPS性能参数表上给出的效率值,是满载(即100%负载率)时的效率值。通常这个数值既不是最高值也不是最低值,更不代表UPS实际运行时的效率值。一台传统大功率UPS的效率曲线和效率参数如图1、表1所示。

通过以上曲线及参数,可以了解并得出以下几点结论:

UPS的运行效率与负载率相关,负载率低于某种程度后,效率将大幅下降。据研究,负载率为40%到80%的区间,效率曲线刚性较强,UPS运行效率最高时的负载率,决定了系统的运行效率。

3 UPS系统架构对运行效率的影响

根据国家标准GB 50174-2008,数据中心按照其重要性和可靠性由低到高依次分为C、B、A三级。与其相对应的UPS供电系统架构,分别是单机配置、“N+1”配置和2N或2“N+1”配置。

按照UPS理想负载率60%～80%计算,可以得出各种系统配置情况下的负载率和UPS供电系统的效率,如表2所示。

由表中可以看出:相同的负载,C级机房具有最高效率,B级机房次之,A级机房效率最低。

C级机房,UPS系统为单机架构。在系统设计时,只需选择适当容量的UPS,使负载率达到40%～80%,即可达到UPS最佳运行效率。

B级机房,UPS系统为“N+1”架构。如表2所示,“2+1”或“3+1”配置时,系统较容易运行在最佳效率,建议系统设计时优先采用。如出于可靠性的考虑,必须采用“1+1”配置,UPS容量的选型时,应适当加大负载率,使系统负载率大于40%,即单机负载率应在80%～90%。

A级机房,UPS系统为2N或2“N+1”架构,是目前大型数据中心及IDC机房普遍采用的UPS系统架构。由于系统负载率低下,系统运行效率问题十分突出。即便是能够达到理想负载率,2N架构系统的运行效率也要比最佳效率低2%～3%;2“N+1”构架的系统效率就下降更多。由于双总线的系统构架本身具备了很高的可靠性,建议在系统设计时,优先选择2N构架,慎重选择2“N+1”构架,以免造成系统效率大幅度降低。

4 效率改善的途径

系统效率和系统可靠性似乎是一对矛盾,但并不是不可以解决。在上述的分析过程中,可以看到影响系统效率的一个最重要因素——系统负载率。如何在不降低系统可靠性的基础上,使系统负载率保持在合适的区间,正是改善UPS系统效率的根本之道。

4.1 高效率UPS的选用

与所有其他电力设备一样,UPS的性能一直在随相关技术的更新和发展而改善。对于UPS效率,用户的期望是:

(1)UPS可以提供更高的整机效率(不以降低系统可靠性为代价);

(2)提供更有刚性的负载率-效率曲线,即在所有负载率下均可提供较高的运行效率。

目前市场上推出的采用最新IGBT器件和变换技术的UPS,其理想的双变换在线运行效率可达96%,如图2、表3所示。

采用最新技术的UPS比传统UPS(见图1)的效率可以提高2%～3%,对系统运行效率有极大的改善作用。但效率曲线的刚性改善并不明显,当负载率低于40%后,效率依然有显著的下降。

因此,通过选用高效率UPS可以提高系统运行效率,但无法解决低负载率时系统运行效率下降的问题。

4.2 休眠节能功能

休眠节能功能是一项提高并联UPS系统运行效率的实用技术。具有休眠功能的UPS系统,可实时监测系统负载率的大小,当负载率低于设定值时,系统自动决定UPS运行的数量,退出多余的UPS并使其进入休眠状态,从而提高UPS系统的负载率,达到提高系统运行效率的目的。进入休眠的UPS关闭了逆变器输出,整流器正常工作给蓄电池组提供浮充电压。当负载率超过设置值时,休眠的UPS自动启动并投入到并联系统。

休眠功能应具备良好的可设置性。如可设置的休眠负载率,以决定冗余程度。完善的休眠机制,应包括每台UPS的报警率、完好状态(整流器故障率、可用后备时间、逆变器故障率)及运行时间的统计,以决策具有相同优先等级,更可靠、运行时间最少的设备优先启动。

例如:一套按照A级机房标准设计,采用2(4+1)500kVA UPS双总线系统。假设系统负载为70%,即2000kVA×70%=1400kVA。

则正常运行时,系统负载率为:

1400kVA/(2×5×500kVA)=28%,此时UPS效率约为90%(见图3)。

总损耗为:1400kVA/90%-1400kVA=156kVA。

启动休眠功能后,虽然每个UPS系统负担的负载只有700kVA,两台UPS运行即可满足,但为了保证原系统设计的“N+1”可靠性,系统只将两台UPS进入休眠,负载由三台UPS供电(见图4)。

此时系统的负载率为:

1400kVA/(6×500kVA)=47%,此时UPS效率为93.5%。

总损耗为:

1400kVA/93.5%-1400kW=97kVA。

两种运行模式同比节能37.8%。尤为重要的是,通过休眠功能,将系统的负载率调整到了理想的区间,可获得UPS设计的最佳运行效率。另外,休眠功能也是解决系统规划容量和实际开工容量差异带来的系统运行效率低下问题的有效手段。

4.3 创新系统架构

目前大型数据中心规模越来越大,负载容量往往达兆瓦数量级。因此与其相配套的UPS系统均为模块化设计,每个模块为一部分负载供电。这就为系统拓扑创新提供了无限的可能。依据创新的系统拓扑结构,可以在满足系统可靠性的前提下,提高系统的负载率,从而提高系统的运行效率。

(1)3N系统架构

3N系统架构是在2N架构上衍生出来的一种完善的UPS供电系统,如图5所示。这种架构既满足了A级机房可靠性和可用性的要求,又简单明了易于设计应用。更重要的是这种架构即减少了设备投资,又有效提高系统负载率,达到提高系统运行效率、节能减排的目的。

3N系统架构图中,A、B、C三套UPS系统分别生成了A、B、C三条总线,AB总线为A区域负载供电;BC总线为B区域负载供电;CA总线为C区域负载供电。只要任意两条总线正常运行,即可满足全部负载的不间断供电。

若按照UPS理想负载率为60%～80%计算,系统的负载率为40%～53%;若考虑高可靠系统架构时,以UPS理想负载率80%～90%计算,系统的负载率为53%～60%。很明显在此负载率下UPS可运行在最佳系统效率状态。

下面以1400kVA负载配置双总线UPS供电系统为例来说明。

按照传统的方式,配置两套UPS系统,每个系统的容量应该是1.2×1400kVA=1680kVA,需配置5台400kVA UPS;2N系统共需配置10台400kVA UPS。当系统正常运行时,负载率为1400kVA/4000kVA=35%,

而按照3N架构设计,则配置3套UPS系统,每套系统由两台400kVA UPS组成;3N系统共需6台400kVA UPS。则UPS系统正常运行时,负载率为1400kVA/2400kVA=58.3%。

可见按照3N系统构架设计,不仅节省了4台400kVA的初期投资和后期的维护维修费用,而且系统运行效率较传统双总线构架提高约2%。

(2)热备份双总线架构

热备份技术,是早期的一种通过增加设备冗余来提高可靠性的技术。由于当初对UPS供电系统高可靠性的片面追求,以及对运行效率的偏废,此项技术后来慢慢退出了实际应用。但是,今天从一个全新的角度重新审视这项技术,或许是一种解决负载率与系统效率矛盾的完美解决方案。

热备份双总线架构是基于热备份技术的一种架构,其原理如图6所示。

示例为备用电源系统D为A、B、C三套电源系统备份。总线D与总线A、B、C通过STS(静态转换开关)分别形成总线AD、BD和CD。通过对STS的设置总线AD优先工作在电源A;总线BD优先工作在电源B;总线CD优先工作在电源C。

系统正常运行时,总线A和总线AD对负载A构成双总线供电;总线B和总线BD对负载B进行双总线供电;总线C和总线CD对负载C进行双总线供电。系统D处于热备份状态。当A、B、C任何系统发生故障时,由STS将故障系统的负载切换到系统D。

备用系统D的配置决定了供电系统的可靠性,其配置容量可以等于A、B、C,也可以是两者或三者之和。由于系统D正常运行时处于热备份状态,并不影响系统的负载率,因此可以在保证系统可靠性的基础上,使系统运行在高负载率下,从而提高系统的运行效率。

采用热备份双总线架构,系统A、B、C的负载率可以按照60%～80%设计,使之运行在UPS设计的最佳效率区间。

5 结束语

通过以上分析,可以得到以下结论:

(1)负载率是UPS系统运行效率的关键因素。

(2)UPS在选型时,应充分考虑系统负载率,不应过度规划。

(3)在高可靠性构架时,UPS的理想负载率应由60%～80%提高至80%～90%。

(4)选择高效率UPS可提高UPS系统的运行效率,但无法解决低负载率时系统运行效率下降的问题。

(5)模块休眠技术和创新的系统架构,是解决可靠性和系统运行效率的有效途径。