IDC、5G通讯、边缘计算、智能制造,这些科技热点全都离不开能源,而节能降耗不仅能够降低企业的运营成本,也是国家乃至世界所倡导的造福全人类的积极举措,所以一些设备厂商也顺势而为,不断地开发一些新的节能方案并应用于实践。本文介绍几个大功率UPS的实用型节能方案。
1、UPS的模块休眠模式节能方案
设想某用户购买1台300kW的UPS,配置5个50kW的功率模块(未满配),当前带载率20%,效率90%,运营面临低载低效,收益不高的问题。
针对这种情况是听之任之还是有更好的方案可以解决当前这种“囧”境?
其实,大部分厂商的UPS是具有模块休眠功能的,通过面板设置开启UPS的模块休眠功能后,可以让正常带载和合理冗余的模块继续工作,其它的多余模块进入休眠状态,这样可以将UPS的带载率由20%上升到30%或50%以上,UPS的整机效率也会由90%提升到96%。
随着客户业务量的增长,UPS的负载逐步增加,部分模块会根据负载率的变化从休眠状态切换到在线运行,切换时间不超过2ms,不会对负载造成任何不良影响。
效率提升一小步,节能提升一大步,UPS的效率曲线随着负载率的变化而变化,通过模块休眠可以让UPS的效率指标始终维持在相对较佳的状态,从而达到降低机房PUE值、节省电费的目的。
以本案为例,按电费1元/kWh、50kW负载计算,三年节省的电费可达8万元人民币,还没有计算因此而节省的空调制冷费用。何况很多用户安装的UPS应当不止1台300kW的模块机!
对于UPS的模块休眠功能可能会有人担心其安全性,其实除了前面谈到的转换时间不超过2ms,在部分模块休眠的同时,剩余的模块也不会工作在满负荷状态,而是留有一定的冗余量,此外休眠的模块还可以轮值,使所有模块都得到合理的应用,这些措施都保证了UPS的模块休眠模式既节能又可靠。图1为UPS休眠功能演示。
2、UPS的ECO模式节能方案
在线式UPS的正常运行模式需要经过整流和逆变两个环节,所以其效率不可能特别高。如果市电的质量非常好,是否可以让UPS走旁路,只有市电质量下降时再不间断地切换至逆变状态呢?其实这就是UPS的ECO(economy control operation)模式,在该模式下UPS的运行效率可以达到98%～99%。
启动UPS的ECO模式后,当输入电压和频率在负载可以接受的范围之内时(通常是额定电压的±10%和额定频率的±5%,且变化速率不大),UPS会由旁路直接供电给负载,一旦超出预设的电压或频率范围,UPS就会由旁路供电转为逆变器供电,转换时间小于4ms,不影响负载的正常运行。
当前市面上很多厂商的UPS都具有ECO模式可选,但具体的设计方式不同最终的可靠性和节能效果也不大一样。
一种设计方式是采用可控硅作为转换器件。这种设计方式的优点是转换速度快,但是因为可控硅具有压降特性,此时的能量损耗无法做到最佳。并且在ECO模式下的转换速度只是一方面,更重要的是转换时机,如果当旁路电压与逆变器输出电压之间的相位差或者压差过大时才开始转换,即便转换时间很短也可能会因为输出扰动而影响到负载。
为了避免这种情况发生就要做好状态侦测和预判,在参数即将超标时即刻执行转换,此时的转换速度才有意义。不同厂家对这种状态侦测和预判的控制是不一样的。
再一种设计方式是采用接触器作为转换器件(见图3)。这种设计方式的优点是接通后几乎没有压降,效率高,但是换时间相对较慢,需要配合较好的状态侦测和预判控制才行,并且在接通瞬间也容易形成接触器触点打火拉弧。
第三种设计方式是采用可控硅+接触器作为转换器件(见图4)。这种设计方式综合了前面两种设计方式的优点,而规避了它们的缺点,转换时SCR先行切换,保证速度,而后接触器导通提升效率,加上准确的状态侦测和判断控制这种方式做到了既高效又可靠!
对于UPS的ECO模式节能方案还有另外一种高大上的设计——高效可靠的ECO洁净模式(见图5)。UPS在ECO模式下运行于旁路状态时逆变器基本上是处于闲置状态的,这也是一种资源的浪费,其实这时可以把它作为一个有源滤波器(APF)来使用,有效滤除掉来自负载的谐波干扰,从而净化电网环境。台达的大功率UPS基本上都是采用这种设计方式，其系统ECO模式下的转换波形如图6所示。
3、UPS的储能模式节能方案
为了鼓励削峰填谷,工业用电的价格是不一样的,有峰时和谷时之分(见图7)。如何利用这种政策优势,通过控制UPS的运行模式使电源系统尽可能地节省电费呢?有些设备厂商已经对此展开了积极探究,并形成了成熟的设计方案进行应用。
①谷时充电:UPS对电池系统定电流充电,达到设定电压数值后转至恒电压充电,充电电压、充电电流可依据电池组需求在UPS面板上设定;
②峰时放电:电池系统按照设定的放电电流恒流放电,其余能量由UPS的整流器或者旁路提供;
③平电时段不充不放:储能状态下平电时段UPS电池系统的充放电电流为零,不充不放;
④市电+电池联合供电(见图8):电网正常时,一方面UPS通过旁路对负载供电,同时,电池组也对负载进行供电,形成市电+电池联合供电模式,类似于UPS的并机供电。一般由电池组分担总负载功率的40%左右(具体可以设定),UPS旁路承担剩余的负载功率,电池组始终处于定电流放电状态,并且电池组达到放电的预定阶段即停止进一步放电,以备市电异常时的不时之需。负载波动造成的电流变化由UPS的旁路承担。
UPS执行储能模式时如果出现异常,比如市电异常,电池异常,通讯异常等,UPS即刻由储能模式转换到正常模式(图9中的UPS储能系统后备模式),当具备回切条件时,UPS继续执行储能运行模式。UPS储能运行模式作为业界的创新设计目前使用的还不多,但随着电池性能的提升及人们对节能要求的进一步加强,,相信很快会得到普及。
结束语
节能降耗是大势所趋,UPS的模块休眠模式节能方案、ECO模式节能方案、储能模式节能方案只是大功率UPS的实用型节能方案中的几种,随着技术的进步和应用需求的变化,相信会有更多更先进的实用性方案造福于社会!
作者：刘福生,中达电通股份有限公司MCIS技术支援处资深工程师,十多年的品质分析及售前技术支持工作经历,在UPS及数据中心基础设施解决方案的规划和应用方面具有丰富的经验。
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