UPS節能措施及應用

趙慧峰，石利宏，梁鳳珍

（1.吉林石化公司化肥廠，吉林吉林 132000； 2.中國石油吉林數據中心，吉林吉林 132000；3.吉林石化公司機動處，吉林吉林 132021）

0 引言

UPS（UninterruptiblePowerSupply，不間斷電源）作為常年不間斷運行設備，運行效率的高低直接影響著系統的運行成本。UPS負載率是影響運行效率的直接因素。負載率從40%到100%時，UPS的效率基本保持不變；當負載率＜30%時，UPS的效率將有較大的下降。

1 UPS供電系統節能

1.1 模塊化智能休眠節能

在多機/冗余系統的配置中，傳統的方法是分批采購、通過關閉1臺或多臺UPS達到在輕載下的效率最大化（圖1）。智能動態功率調節技術是通過選擇性將一部分模塊置于空閑狀態使整個系統達到較高的效率點，一些模塊處于“熱備份”狀態。負載由剩余的激活模塊供電（圖2）。

圖1 UPS效率與負載配比

圖2 模塊化智能UPS

1.2 UPS輪巡休眠節能模式，提高 UPS負載率

UPS的節能，主要是要克服整流、逆變等環節上的額外能耗。那么，延伸出來的技術主要是休眠模式——逆變器關閉，整流器不關閉；包括逆變部分的隔離變壓器關閉；整流器不關閉，電池正常充電。

某數據中心UPS共有 48套 UPS。44臺型號為Hipulse NXL500k的UPS設備，安裝在動力變電所、1#～10#模塊變電所中，單臺UPS負載率普遍＜10%。由于負載率較低，部分UPS甚至處于空載狀態，UPS本身消耗著較多的電能（圖3，其中，ACPPC是交流開關柜，STS是靜態轉換開關）。表1為實際測得某日24h各機房UPS負載率數據。

圖3 某數據中心UPS運行現狀

2 UPS節能方案及案例分析

2.1 并機系統休眠輪巡模式介紹

對于低負載并機系統，設定其在一定的負載量下。將負載集中到并機系統的一部分設備上，余下設備進入休眠狀態；日常運行時設定設備按照一定時間周期 輪巡；由于改造對象是并機雙母線系統，對一部分設備休眠，并不會對系統可靠性造成根本性的影響。休眠輪巡方案要點如下。

（1）當一側母線總負載＜單臺UPS容量30%（待定）時，系統將安排1臺UPS運行，3臺UPS休眠。

（2）當一側母線總負載超過單臺UPS容量30%（待定）＜60%（待定）時，系統將安排2臺UPS運行，2臺UPS休眠。

（3）當一側母線總負載超過單臺UPS容量60%（待定）時，系統運行在全運行模式，恢復到3+1模式。

（4）當主用UPS有故障需要退出運行時，同母線側UPS不間斷切換至旁路，保障供電，繼而激活處于休眠狀態的UPS，后從旁路回切到非故障UPS進行并機供電保障。

（5）平時運行時，同一母線上的UPS按預設的優先順序輪流休眠，應先激活休眠UPS順利投用后再將運行設備進入休眠——如UPS-1b激活投用，UPS-1a進入休眠。

UPS系統默認1#UPS為通信主機，4臺UPS無控制主機。任何一臺都可進行喚醒及切換動作。UPS輪值時，先進行下一臺需要運行的UPS喚醒，當其逆變器工作穩定運行2min后，再關閉需要休眠的UPS使其進入休眠狀態。負載＜單臺UPS容量30%時，UPS1用3備；負載在單臺UPS容量的30%～60%時，UPS2用2備；負載在單機容量的60%～90%時，UPS3用1備；負載＞90%時，UPS全部喚醒啟動。

表1 UPS負載及效率統計

（1）4臺UPS并機系統全部運行后，當一側母線總負載＜單臺UPS容量30%（可變）時，系統將根據負載情況，等待2min逆變器休眠確認時間，4#UPS逆變器。同理再經過4#UPS2min休眠時間，關掉3#UPS逆變器，3#UPS開始休眠，直至1#UPS運行，其他3臺UPS休眠。根據現場設定的輪巡時間，當到達輪巡時間后，1#UPS喚醒4#UPS運行，等待2min逆變器休眠確認時間后，1#UPS休眠，依次類推。

（2）接上一步，當一側母線總負載從單機UPS容量的30%逐步增加到60%（可變），且未達到60%時。系統還是默認為單臺UPS工作，其余3臺UPS休眠。當達到輪值時間達到時，需要喚醒另一臺UPS逆變器工作時，另一臺UPS也處于逆變器工作狀態，原來處于工作的UPS還是處于逆變器工作狀態。即1#UPS喚醒4#UPS后，2臺UPS同時工作。再經過一個輪巡周期后，喚醒3#UPS工作，1#UPS經過2min后進行休眠，依次類推。

（3）接上一步，當一側母線總負載逐步增加到單臺UPS容量90%（可變）時，且未達到90%時，2臺工作的UPS會在輪值周期內一直工作，直到喚醒第三臺后，3臺UPS進入輪值一同逆變工作，再經過一個輪值周期后，喚醒第四臺UPS，經過2min后，需要休息的UPS逆變器自動停止。3臺逆變工作，1臺休眠。依次類推進行輪巡。

（4）接上一步，當一側母線總負載逐步增加到單臺UPS容量120%時，3臺工作的UPS還會繼續工作，單臺休眠的UPS還會休眠，直到到達輪巡周期后，喚醒休眠的UPS工作，此后，UPS都工作，不進行輪巡。

（5）如果在（1）處檢測的負載為單機UPS容量30%～60%，則最終進入2臺輪巡方式工作；如果檢測到的負載為單機UPS容量的60%～90%，則最終進入3臺輪巡方；如果檢測到的負載為單機UPS容量的90%以上，則進入4臺UPS逆變器同時運行方式。

（6）如果在突然增加一個較大負載，UPS系統會喚醒所有休眠中的UPS共同承擔負載，待負載檢測穩定后，再更具相應區間進行UPS輪值工作。

（7）當主用UPS有故障需要退出運行時，同母線側UPS不間斷切換至旁路，保障供電，繼而激活處于休眠狀態的UPS，后從旁路回切到非故障UPS進行并機供電保障。

（8）當輪巡UPS遇到有任何故障信息時，除故障UPS退出運行外，其余UPS全部喚醒處于逆變工作狀態。待故障清除后方可進入輪巡模式。當單臺輪巡中的UPS故障時，如果是本臺機器故障，則其他3臺均切換至旁路，進而切換至3臺UPS逆變器供電，退出輪巡方式，故障UPS退出運行。當故障消除后再進行輪巡方式。如果是非單臺運行UPS故障，則除故障UPS外全部喚醒，退出輪巡方式。

（9）當有告警信息出現時，對應的告警的UPS及1#通信主機UPS退出輪巡，均被喚醒其他UPS繼續輪巡。

（10）UPS可進行手動關逆變，該臺機組退出輪巡模式，當開啟逆變后，自動進入輪巡模式。

2.2 UPS輪值休眠節能效果

2.2.1 休眠輪巡方案節能計算

500kUPS主要參數：①逆變空載損耗8.25kV·A；②休眠空載損耗4.27kV·A，其中充電耗能1.62kV·A，輸入損耗2.65kV·A。試驗平臺測試數據如下。

（1）負載＜單機容量30%時，單臺功率在5.8kW（表2）。

表2 負載＜單機容量30%時4臺UPS測試數據

（2）負載在單臺UPS容量的30%～60%時，單臺功率為16.25kW（表3）。

表3 單臺UPS容量負載30%～60%時4臺UPS測試數據

（3） 模擬 5#，6#，9#，10#總輸出為 30%負載，單臺 UPS 負載7.5%（135kW），見表4。

表4 30%負載4臺UPS測試數據

（4）模擬7#，8#總輸出為40%負載，單臺UPS負載10%（180kW），見表5。

表5 40%負載時4臺UPS測試數據

2.2.2 休眠輪巡方案實際節能效果

以某北方大型數據中心變電所UPS作研究，有規律性的關閉某（幾）臺UPS逆變器，再對UPS進行每月手動輪值操作。經過幾個月的觀察，1#變日平均節省電能440kW·h，2#變日平均節省電能360kW·h，3#變每日平均節省電能370kW·h，4#變每日平均節省電能380kW·h，5#變日平均節省電能210kW·h，6#變日平均節省電能210kW·h，7#變日平均節省電能90kW·h，8#變日平均節省電能110kW·h，9#變日平均節省電能230kW·h，10#變日平均節省電能220kW·h，合計每日節省電能2620kW·h，PUE值降低了0.4。每年平均節省電量956.30MW·h。每年可節省電費54.51萬余元人民幣

3 結論

隨著UPS不斷發展，UPS不間斷供電系統已非常成熟，發展方向也逐步趨于直供電與高頻模塊機相結合。主電源是市電經過濾波器直接供電，當市電停電或波動后轉由UPS供電，UPS同時具有高頻模塊化功能，UPS供電時自動分配達到效率最大化。這種有些顛覆傳統UPS的新型UPS系統已經在各大數據中心陸續使用。由于普通工廠及數據中心企業大部分仍使用工頻機，為此著重介紹工頻機的節能，即輪值休眠。在保證穩定運行的前提下，使得UPS達到最大使用效率，同時節省逆變器損耗電能。

［1］黃群驥.談談 PUE［J］.機房技術與管理，2015，59（3）：21-23.

［2］謝富熹.數據中心機房的節能設計［J］.科技傳播，2011，1（上）：179-182.