關于數據中心高頻模塊化UPS 運行于ECO 模式的實踐和思考

安徽省經濟信息中心 郭錕

為貫徹落實國家關于綠色數據中心的相關要求，電氣、暖通等方面涌現出多種提高能源使用效率的新技術。比如，越來越多的數據中心在其電力系統中采用高頻模塊化UPS。其工作模式中包含ECO 模式（即“經濟運行模式”），在各方面運行條件適宜的情況下對數據中心節能有積極影響，可進一步提高其電能使用效率。但是，在負載較低的情況下使用，可能導致相關無功功率增加，降低整體功率因數，本文在此方面進行了實踐和探索。

隨著國家綠色數據中心相關要求的頒布和“東數西算”戰略的提出，我國數據中心的建設和發展掀起一輪新的高潮。為了應對數據中心不斷增長的能耗需求，風火水電等方面均不斷推陳出新，開發出各類新型設備，旨在提高數據中心的能耗使用效率。2022 年8 月，工信部等七部門印發《信息通信行業綠色低碳發展行動計劃（2022-2025 年）》中明確：“推進企業在信息基礎設施建設中優先采用節能減排新技術和設備，鼓勵應用《國家通信業節能技術產品推薦目錄》《節能節水專用設備企業所得稅優惠目錄》中的節能技術產品”[1]，其中《國家通信業節能技術產品推薦目錄》中推薦使用模塊化不間斷電源及預制式微模塊集成技術，對不間斷電源（下稱UPS）要求：“將UPS 系統功能部分進行模塊化設計，分為機柜、旁路模塊及功率模塊，整機具有智能控制、綠色休眠備份功能，可提高系統運行效率和節能效果”[2]，達到“整機系統效率達到96%，最高可達97%”。不間斷電源（Uninterruptible Power System，簡稱UPS）是為了避免數據中心中的服務器、存儲等設備斷電造成數據丟失，提高供電的可靠性，是設計使用的重要電力基礎設施[3]。并且可以通過濾波，消除市電電網波動和電力切換間隙，提高供電質量，基本結構如圖1 所示。其是由變流器、開關和儲能裝置組合構成的系統，在輸入電源正?；蚬收蠒r，輸出交流或直流電能，在一定時間內，維持對負載供電的連續性。

圖1 UPS 結構示意圖Fig.1 UPS structure diagram

隨著技術發展，目前越來越多的數據中心開始使用高頻模塊化UPS。其有一重要功能是支持ECO 模式，該模式在現實生產應用中，需要根據數據中心現狀因地制宜。下文將從現實生產應用的角度，闡述筆者所在數據中心實際應用高頻模塊化UPS 在ECO 模式下運行的實踐和思考，并對其優缺點進行分析，以期對該運行模式有更全面的了解。

1 高頻模塊化UPS 和ECO 模式簡介

高頻模塊化UPS 采用了高頻交流轉換成直流再轉換成低頻交流的技術，轉換速度更快，功率因數更高。并且通過多個模塊的并聯，在實現備用功率的同時，大大提高了整個UPS 系統的可靠性和容錯性，其主要特點包括高可靠性、實時監控、智能化控制等，與傳統UPS 相比，它有著更高的效率和更穩定的輸出電壓。UPS 的運行模式的一般包括市電逆變模式、電池模式、旁路模式、維修旁路模式、ECO 模式。

ECO 全稱為Economy，即“經濟性”運行。ECO模式基本工作原理是將輸出交流電路的直流部分斷開，負載直接接受交流電源的供應，逆變器不再工作，以提高能效。在該模式下，逆變器將不再輸出任何功率，只有在輸入電源電壓低于或高于規定值時，才會通過逆變器輸出糾正電壓，以保證穩定的電源輸出。電流流經旁路模塊輸出給負載供電，同時，功率模塊的充電器也會工作，給電池充電。當旁路輸入發生異常時，系統能在10ms 時間內快速切換回逆變模式，保證負載供電安全。其功能框圖如圖2 所示。

圖2 ECO 模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of ECO mode

2 運行實踐

筆者參與運維管理的某國標A 級數據中心，為提高能源使用效率，我們根據UPS 使用說明對某一相對獨立供電區域的單路4 臺500kVA 的UPS 開啟ECO 模式，并持續約1 個月。

ECO 模式試運行1 個月后，供電部門反饋數據中心功率因數較低。開啟ECO 模式當月，數據中心功率因數約為0.43，低于其要求的力調標準0.85。其中有功電量100160kWh，無功電量211840kWh。此數據包括數據中心內其他業務用能，如照明、取暖、電梯、公共區域監控等，下面僅對開啟ECO 模式的部分機房區域能耗進行分析。

我們通過數據中心智能化監控平臺對部分關鍵數據收集（如表1 所示），可以看到該區域內總有功功率為13.1kW，總無功功率為-144.91kvar，總視在功率為145.69kVA，總功率因數約為0.09。未開啟ECO 模式前，各UPS 詳細數據如表2 所示。

表1 開啟ECO 模式時UPS 主要參數Tab.1 Main parameters of UPS when ECO mode is enabled

表2 未開啟ECO 模式時UPS 主要參數Tab.2 Main parameters of UPS when ECO mode is not enabled

可見開啟ECO 模式對無功功率產生較大影響。

3 思考

若要求開啟ECO 模式后功率因數達到力調標準0.85，假定無功功率為144.91kvar，根據三相電中有功功率、無功功率、視在功率、功率因數的計算公式，如下：

有功功率：P=3UpIpcosφ（其中Up 表示相電壓，Ip 表示相電流，cosφ 表示功率因數）

無功功率：Q=3UpIp sinφ（其中Up 表示相電壓，Ip 表示相電流，sinφ 功率因數角的正弦值）

功率因數：cosφ=P/S。（其中cosφ 表示功率因數，P 為有功功率，S 為視在功率）

計算如下：

根據以上，可以看到負載需達到233.88kW。考慮其他容性負載的補償影響，實際在該區域功率因數達到0.75，預計負載為164.18kW，區域單路UPS 總負載率達到約11%時，可考慮使用ECO 模式。計算如下：

S=P/cosφ=164.18kW/0.75=218.67kVA（功率因數cosφ 以0.75 計）

負載率=實際負載÷UPS 額定容量×100%=218.67 kVA÷（500 kVA×4）×100%=10.93%

關閉ECO 模式后，供電局提供的當月用電數據如下：有功電量119200kWh，無功電量121600kWh，功率因數0.7，較上月提高了63%。以下是本次部分UPS 開啟ECO模式前后數據中心整體用電數據的對比，如表3 所示。

表3 開啟ECO 模式前后數據中心用電對比Tab.3 Comparison of data center power consumption before and after ECO mode is enabled

實際生產應用中，高頻模塊化UPS 運行在ECO 模式下，由于UPS 直接將輸入電源交給負載，避免了變換能量的損失，使UPS 的能效得到了顯著提高；而且由于ECO 模式下基本不會輸出任何功率，因此不需要風扇進行冷卻，從而降低了噪音；另外，UPS 電池壽命通常受到充放電周期的限制，ECO 模式下可減少充放電周期的次數，從而延長UPS 電池的壽命。但由于ECO 模式下將輸入電源直接交給負載，輸出電壓將與輸入電壓保持一致，因此輸出電壓變化較大，對于市電質量不高的場景下需斟酌使用。

目前，高頻模塊化UPS 在ECO 模式下的應用正在逐步推廣。在實踐應用中，我們需要根據實際需求對其進行應用，同時也需要對其優缺點進行適當的評估。在以下情況可以考慮采用ECO 模式：

（1）負載適宜：當負載提高到一定程度時，能有效保證UPS 的有功功率，從而提高其功率因數，ECO 模式的節能效果將更加顯著。

（2）長時間應用：當需要長時間運行電源的情況下，ECO 模式可以提高能效，減少能量損失。

（3）電網質量較高：當ECO 模式運行的電網質量不滿足IT 設備的電壓要求時，UPS 系統將由ECO 模式切換到其他保護模式，如正常模式，其效率要低于預期的ECO 模式[4]。

4 結語

高頻模塊化UPS 作為一種新型UPS 系統，在電力設施中得到了廣泛應用。將其運行于ECO 模式下，可以提高UPS 的能效，減少能量損失，降低噪音，延長UPS電池壽命，同時，也存在輸出電壓不穩定、限制UPS 功率范圍等問題。因此，在使用UPS 時，應該根據實際負載情況選擇合適的工作模式，以最大程度地提高UPS 效率，減少能源損失。