UPS節(jié)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(shù)據(jù)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（Uninterruptible Power Supply，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(tǒng)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(tǒng)節(jié)能

1.1 模塊化智能休眠節(jié)能

在多機/冗余系統(tǒng)的配置中，傳統(tǒng)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(tài)功率調節(jié)技術是通過選擇性將一部分模塊置于空閑狀態(tài)使整個系統(tǒng)達到較高的效率點，一些模塊處于“熱備份”狀態(tài)。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(jié)能模式，提高 UPS負載率

UPS的節(jié)能，主要是要克服整流、逆變等環(huán)節(jié)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(shù)據(jù)中心UPS共有 48套 UPS。44臺型號為Hipulse NXL 500k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(tài)，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(tài)轉換開關）。表1為實際測得某日24 h各機房UPS負載率數(shù)據(jù)。

圖3 某數(shù)據(jù)中心UPS運行現(xiàn)狀

2 UPS節(jié)能方案及案例分析

2.1 并機系統(tǒng)休眠輪巡模式介紹

對于低負載并機系統(tǒng)，設定其在一定的負載量下。將負載集中到并機系統(tǒng)的一部分設備上，余下設備進入休眠狀態(tài)；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(tǒng)，對一部分設備休眠，并不會對系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(yōu)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(tǒng)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(wěn)定運行2 min后，再關閉需要休眠的UPS使其進入休眠狀態(tài)。負載＜單臺UPS容量30%時，UPS 1用3備；負載在單臺UPS容量的30%～60%時，UPS 2用2備；負載在單機容量的60%～90%時，UPS 3用1備；負載＞90%時，UPS全部喚醒啟動。

表1 UPS負載及效率統(tǒng)計

（1）4臺UPS并機系統(tǒng)全部運行后，當一側母線總負載＜單臺UPS容量30%（可變）時，系統(tǒng)將根據(jù)負載情況，等待2 min逆變器休眠確認時間，4#UPS逆變器。同理再經(jīng)過4#UPS 2 min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(jù)現(xiàn)場設定的輪巡時間，當?shù)竭_輪巡時間后，1#UPS喚醒4#UPS運行，等待2 min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(tǒng)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(tài)，原來處于工作的UPS還是處于逆變器工作狀態(tài)。即1#UPS喚醒4#UPS后，2臺UPS同時工作。再經(jīng)過一個輪巡周期后，喚醒3#UPS工作，1#UPS經(jīng)過2 min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(jīng)過一個輪值周期后，喚醒第四臺UPS，經(jīng)過2 min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(xù)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(tǒng)會喚醒所有休眠中的UPS共同承擔負載，待負載檢測穩(wěn)定后，再更具相應區(qū)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(tài)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(tài)。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(xiàn)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(xù)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(jié)能效果

2.2.1 休眠輪巡方案節(jié)能計算

500k UPS主要參數(shù)：①逆變空載損耗8.25 kV·A；②休眠空載損耗4.27 kV·A，其中充電耗能1.62 kV·A，輸入損耗2.65 kV·A。試驗平臺測試數(shù)據(jù)如下。

（1）負載＜單機容量30%時，單臺功率在5.8 kW（表2）。

表2 負載＜單機容量30%時4臺UPS測試數(shù)據(jù)

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

表3 單臺UPS容量負載30%～60%時4臺UPS測試數(shù)據(jù)

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

表4 30%負載4臺UPS測試數(shù)據(jù)

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

2.2.2 休眠輪巡方案實際節(jié)能效果

以某北方大型數(shù)據(jù)中心變電所UPS作研究，有規(guī)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(jīng)過幾個月的觀察，1#變日平均節(jié)省電能440 kW·h，2#變日平均節(jié)省電能360 kW·h，3#變每日平均節(jié)省電能370 kW·h，4#變每日平均節(jié)省電能380 kW·h，5#變日平均節(jié)省電能210 kW·h，6#變日平均節(jié)省電能210 kW·h，7#變日平均節(jié)省電能90 kW·h，8#變日平均節(jié)省電能110 kW·h，9#變日平均節(jié)省電能230 kW·h，10#變日平均節(jié)省電能220 kW·h，合計每日節(jié)省電能2620 kW·h，PUE值降低了0.4。每年平均節(jié)省電量956.30 MW·h。每年可節(jié)省電費54.51萬余元人民幣

表5 40%負載時4臺UPS測試數(shù)據(jù)

3 結論

隨著UPS不斷發(fā)展，UPS不間斷供電系統(tǒng)已非常成熟，發(fā)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(jīng)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(tǒng)UPS的新型UPS系統(tǒng)已經(jīng)在各大數(shù)據(jù)中心陸續(xù)使用。由于普通工廠及數(shù)據(jù)中心企業(yè)大部分仍使用工頻機，為此著重介紹工頻機的節(jié)能，即輪值休眠。在保證穩(wěn)定運行的前提下，使得UPS達到最大使用效率，同時節(jié)省逆變器損耗電能。