模塊化UPS節(jié)能效益評估分析

賈秀國，劉 克

（1.中國聯通河北省分公司運維部；2.河北聯通石家莊市分公司設備中心）

UPS到現在已擁有超過50年的歷史，世界上第一臺UPS是帶有大飛輪的電動機——發(fā)電機組，市電停電后該發(fā)電機僅可維持正常供電數秒鐘。現代UPS問世后，在近十幾年中發(fā)展迅速，它走過了從方波到正弦波、從離線式到在線式、從小功率到大功率、從常規(guī)延時（分鐘級）到長延時（小時級）、從簡單不停電供電到智能化操作和處理功能的發(fā)展歷程。經過多年的發(fā)展，UPS體積越來越小巧、可靠性越來越高、智能化越來越強。模塊化UPS的出現是對一體化UPS的繼承和發(fā)展，符合當前UPS高頻化、小型化、智能化、模塊化和環(huán)保化的發(fā)展趨勢。

模塊化UPS發(fā)展至今已有近十年的歷史，其可靠性、可用性、節(jié)能性等設計理念非常適合通信行業(yè)的發(fā)展需要。2009年河北聯通從系統供電安全與節(jié)能角度出發(fā)，采購了一批先控模塊化UPS，自投入運行以來供電穩(wěn)定。為了測試其節(jié)能效果，2012年2月3日，我們分別對某品牌一體化UPS和先控模塊化UPS進行測試，對比兩者節(jié)能效果。

1 測試環(huán)境

測試被安排在河北聯通長途樞紐南、北院兩個電源中心進行，由河北聯通運行維護人員進行測試。被測試UPS是2006年投產的兩套300 k VA一體化UPS和2009年投產的兩套先控模塊化 UPS（CMS－240 k VA）。被測設備處于正常工作狀態(tài)，未做任何調整。兩套300 k VA一體化UPS為1＋1供電模式，分別帶載23.7%和39.3%左右。兩套240 k VA先控模塊化UPS運行模式為單系統供電模式，分別帶載16.9%和15.4%。測試儀表采用Fl uke435三相電力分析儀。

2 測試方法

（1）在系統處于市電供電、蓄電池浮充、正常帶載輸出狀態(tài)下，用Fl uke435三相電力分析儀檢測UPS的輸入電氣特性。包括輸入電壓、輸入電流、輸入頻率、輸入功率因數、輸入電壓基波和諧波分量、輸入電流基波和諧波分量。方法如圖1所示。

（2）在系統處于市電供電、蓄電池浮充、正常帶載輸出狀態(tài)下，用Fl uke435三相電力分析儀檢測UPS的輸出電氣特性，包括輸出電壓、輸出電流、輸出頻率、輸出功率因數、輸出電壓基波和諧波分量、輸出電流基波和諧波分量。方法如圖2所示：

圖1 UPS的輸入電氣特性測試方法

圖2 UPS的輸出電氣特性測試方法

3 測試報告

3.1 第一組UPS測試報告

設備型號：一體化／300 k VA 使用場所：河北聯通長途樞紐北院電力機房

設備編號：D組UPS2 配電方案：1＋1供電模式

設備型號：先控／CMS－240 k VA 使用場所：河北聯通長途樞紐南院電力機房

設備編號：2#UPS 配電方案：模塊化單系統供電模式，測試報告見表1。

3.2 第二組UPS測試報告

設備型號：一體化／300 k VA 使用場所：河北聯通長途樞紐北院電力機房

設備編號：A組UPS1 配電方案：1＋1供電模式

設備型號：先控／CMS－240 k VA 使用場所：河北聯通長途樞紐南院電力機房

設備編號：2#UPS 配電方案：模塊化單系統供電模式，測試報告見表2。

表1 UPS測試報告（一）

表2 UPS測試報告（二）

4 測試數據分析

4.1 第一組測試數據對比分析

（1）負載率：300 k VA一體化 UPS輸出功率56.9 k W，為額定輸出功率的23.7%；模塊化 UPS輸出功率32.4 k W，為額定輸出功率的16.9%。

（2）輸入電壓總T HD%：一體化UPS輸入市電質量優(yōu)于模塊化UPS；

（3）輸入功率因數：模塊化UPS比一體化UPS高8%；

（4）輸入電流諧波：模塊化UPS比一體化UPS平均低9.6%；

（5）輸出零、地電壓：模塊化UPS比一體化UPS低1.3v；

（6）整機效率：模塊化 UPS比一體化 UPS高7.14%。

4.2 第二組測試數據對比分析

（1）負載率：300 k VA一體化 UPS輸出功率94.3 k W，為額定輸出功率的39.3%；模塊化 UPS輸出功率29.52k W，為額定輸出功率的15.4%。

（2）輸入電壓總T HD%：模塊化UPS和一體化UPS輸入市電質量基本一致；

（3）輸入功率因數：模塊化UPS比一體化UPS高8%；

（4）輸入電流諧波：模塊化UPS比一體化UPS平均低6.07%；

（5）輸出零、地電壓：模塊化UPS比一體化UPS低0.8v；

（6）整機效率：模塊化 UPS比一體化 UPS高7.22%。

UPS設備負載率對其運行效率有較大影響，負載率越高，運行效率越高。通過測試數據可以看出，模塊化UPS在負載率較低的情況下，整機效率達到92%，比一體化UPS運行效率高出7%，各項效能指標也優(yōu)于一體化UPS。如果負載率達到30%～50%時，整機效率會更高。

5 節(jié)能效益對比分析

模塊化UPS的節(jié)能優(yōu)勢主要體現在整機運行效率較高，此外，其還具有輸入功率因數高、輸入電流諧波分量低、零地電壓小等性能優(yōu)勢。通過測試，兩套模塊化UPS運行效率分別為92.25%和92.83%，比兩套一體化UPS高出7%。考慮到模塊化UPS測試時負載率較低，如果負載率達到45%（同一體化UPS負載率一致）時，運行效率還會提高2%左右。下面我們以一體化UPS的實測輸出功率及效率作為計算依據，假設使用先控模塊機CMS－240來替代目前的兩套一體化機，進行節(jié)能效果評估。

5.1 第一組測試中模塊化UPS節(jié)能效益分析

通過表3的計算得知，當UPS的負載達到56.9k W時，一體化UPS每年因熱損耗發(fā)生的總電費為100196.9元，模塊化UPS每年因熱損耗發(fā)生的總電費為46301.5元，模塊機比一體機每年可節(jié)省電費53895.4元（注：模塊機 UPS效率92.83%是負載率為16.9%時的值，若按實際負載率29.6%測試其效率要高，會更節(jié)能）。

表3 模塊化UPS節(jié)能效益分析（一）

5.2 第二組測試中模塊化UPS節(jié)能效益分析

通過表4的計算得知，當UPS的負載達到94.3k W時，一體化UPS每年因熱損耗發(fā)生的總電費為175080.9元，模塊化UPS每年因熱損耗發(fā)生的總電費為83532.5元，使用模塊機替代一體化機每年可節(jié)省電費91548.4元（注：模塊機 UPS效率92.25%是負載率為15.4%時的值，若按實際負載率測試其效率要高，會更節(jié)能）。

表4 模塊化UPS節(jié)能效益分析（二）

由此可見，模塊化UPS具有較高的工作效率，每年可節(jié)省大量電費成本。

6 模塊化UPS與一體化UPS初期建設投資分析

模塊化UPS不僅具有很好的節(jié)能收益，在初期建設投資上也具有優(yōu)勢。建設初期設計UPS容量時，一般以業(yè)務發(fā)展需要和保證一定的功率冗余作為設計原則。如果選擇一體化UPS，為了保障供電安全，一般采用兩臺一體化UPS以1＋1并機方式供電。為了保證在一臺UPS發(fā)生故障后另一臺負擔系統全部負荷，系統最大輸出不能超過單臺UPS額定容量的80%，這使得正常工作時每臺UPS的負載率不能超過40%。投產初期負載量較小，也許只有規(guī)劃容量的10%～20%左右，這就造成了UPS利用率低、運行效率低，造成建設初期投資和電能的浪費。

模塊化UPS供電系統，可有效地解決上述問題。采用模塊化UPS可根據實際負載量合理配置系統容量，以N＋X并聯冗余方式工作，保留2至4個冗余功率模塊作為冷備份，即可保證供電系統的安全性和可靠性。同時UPS負載率的提高使運行效率得到提升。當負載率達到40%時，整機效率可達到94%以上，實現“容量與效率”的平衡。使用模塊化UPS，系統容量可隨著業(yè)務發(fā)展逐步擴容，降低了初期建設投資壓力如表5。

表5 模塊化UPS與一體化UPS初期配置對比

7 總 結

通過本次對先控模塊化UPS和一體化UPS的測試分析，模塊化UPS在輸入功率因數、輸入電流諧波分量、零地電壓、整機效率等主要電參數指標方面都優(yōu)于一體化機，節(jié)能效果顯著，如表6所示。模塊化UPS占地面積小、初期投資低、擴容維護方便。河北聯通2009年投產的模塊化UPS供電可靠性高、運行穩(wěn)定。如果將在網運行的一體化UPS全面替換成模塊化UPS，將帶來非常可觀節(jié)能收益。

表6 模塊化UPS與一體化UPS綜合性能對比分析