UPS節(jié)能措施及應(yīng)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(guó)石油吉林?jǐn)?shù)據(jù)中心，吉林吉林 132000；3.吉林石化公司機(jī)動(dòng)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(yùn)行設(shè)備，運(yùn)行效率的高低直接影響著系統(tǒng)的運(yùn)行成本。UPS負(fù)載率是影響運(yùn)行效率的直接因素。負(fù)載率從40%到100%時(shí)，UPS的效率基本保持不變；當(dāng)負(fù)載率＜30%時(shí)，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(jī)/冗余系統(tǒng)的配置中，傳統(tǒng)的方法是分批采購(gòu)、通過(guò)關(guān)閉1臺(tái)或多臺(tái)UPS達(dá)到在輕載下的效率最大化（圖1）。智能動(dòng)態(tài)功率調(diào)節(jié)技術(shù)是通過(guò)選擇性將一部分模塊置于空閑狀態(tài)使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到較高的效率點(diǎn)，一些模塊處于“熱備份”狀態(tài)。負(fù)載由剩余的激活模塊供電（圖2）。

圖1 UPS效率與負(fù)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(fù)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(lái)的技術(shù)主要是休眠模式——逆變器關(guān)閉，整流器不關(guān)閉；包括逆變部分的隔離變壓器關(guān)閉；整流器不關(guān)閉，電池正常充電。

某數(shù)據(jù)中心UPS共有 48套 UPS。44臺(tái)型號(hào)為Hipulse NXL 500k的UPS設(shè)備，安裝在動(dòng)力變電所、1#～10#模塊變電所中，單臺(tái)UPS負(fù)載率普遍＜10%。由于負(fù)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(kāi)關(guān)柜，STS是靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)）。表1為實(shí)際測(cè)得某日24 h各機(jī)房UPS負(fù)載率數(shù)據(jù)。

圖3 某數(shù)據(jù)中心UPS運(yùn)行現(xiàn)狀

2 UPS節(jié)能方案及案例分析

2.1 并機(jī)系統(tǒng)休眠輪巡模式介紹

對(duì)于低負(fù)載并機(jī)系統(tǒng)，設(shè)定其在一定的負(fù)載量下。將負(fù)載集中到并機(jī)系統(tǒng)的一部分設(shè)備上，余下設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)；日常運(yùn)行時(shí)設(shè)定設(shè)備按照一定時(shí)間周期 輪巡；由于改造對(duì)象是并機(jī)雙母線系統(tǒng)，對(duì)一部分設(shè)備休眠，并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)可靠性造成根本性的影響。休眠輪巡方案要點(diǎn)如下。

（1）當(dāng)一側(cè)母線總負(fù)載＜單臺(tái)UPS容量30%（待定）時(shí)，系統(tǒng)將安排1臺(tái)UPS運(yùn)行，3臺(tái)UPS休眠。

（2）當(dāng)一側(cè)母線總負(fù)載超過(guò)單臺(tái)UPS容量30%（待定）＜60%（待定）時(shí)，系統(tǒng)將安排2臺(tái)UPS運(yùn)行，2臺(tái)UPS休眠。

（3）當(dāng)一側(cè)母線總負(fù)載超過(guò)單臺(tái)UPS容量60%（待定）時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在全運(yùn)行模式，恢復(fù)到3+1模式。

（4）當(dāng)主用UPS有故障需要退出運(yùn)行時(shí)，同母線側(cè)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(jìn)行并機(jī)供電保障。

（5）平時(shí)運(yùn)行時(shí)，同一母線上的UPS按預(yù)設(shè)的優(yōu)先順序輪流休眠，應(yīng)先激活休眠UPS順利投用后再將運(yùn)行設(shè)備進(jìn)入休眠——如UPS-1b激活投用，UPS-1a進(jìn)入休眠。

UPS系統(tǒng)默認(rèn)1#UPS為通信主機(jī)，4臺(tái)UPS無(wú)控制主機(jī)。任何一臺(tái)都可進(jìn)行喚醒及切換動(dòng)作。UPS輪值時(shí)，先進(jìn)行下一臺(tái)需要運(yùn)行的UPS喚醒，當(dāng)其逆變器工作穩(wěn)定運(yùn)行2 min后，再關(guān)閉需要休眠的UPS使其進(jìn)入休眠狀態(tài)。負(fù)載＜單臺(tái)UPS容量30%時(shí)，UPS 1用3備；負(fù)載在單臺(tái)UPS容量的30%～60%時(shí)，UPS 2用2備；負(fù)載在單機(jī)容量的60%～90%時(shí)，UPS 3用1備；負(fù)載＞90%時(shí)，UPS全部喚醒啟動(dòng)。

表1 UPS負(fù)載及效率統(tǒng)計(jì)

（1）4臺(tái)UPS并機(jī)系統(tǒng)全部運(yùn)行后，當(dāng)一側(cè)母線總負(fù)載＜單臺(tái)UPS容量30%（可變）時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)負(fù)載情況，等待2 min逆變器休眠確認(rèn)時(shí)間，4#UPS逆變器。同理再經(jīng)過(guò)4#UPS 2 min休眠時(shí)間，關(guān)掉3#UPS逆變器，3#UPS開(kāi)始休眠，直至1#UPS運(yùn)行，其他3臺(tái)UPS休眠。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定的輪巡時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)輪巡時(shí)間后，1#UPS喚醒4#UPS運(yùn)行，等待2 min逆變器休眠確認(rèn)時(shí)間后，1#UPS休眠，依次類(lèi)推。

（2）接上一步，當(dāng)一側(cè)母線總負(fù)載從單機(jī)UPS容量的30%逐步增加到60%（可變），且未達(dá)到60%時(shí)。系統(tǒng)還是默認(rèn)為單臺(tái)UPS工作，其余3臺(tái)UPS休眠。當(dāng)達(dá)到輪值時(shí)間達(dá)到時(shí)，需要喚醒另一臺(tái)UPS逆變器工作時(shí)，另一臺(tái)UPS也處于逆變器工作狀態(tài)，原來(lái)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(tái)UPS同時(shí)工作。再經(jīng)過(guò)一個(gè)輪巡周期后，喚醒3#UPS工作，1#UPS經(jīng)過(guò)2 min后進(jìn)行休眠，依次類(lèi)推。

（3）接上一步，當(dāng)一側(cè)母線總負(fù)載逐步增加到單臺(tái)UPS容量90%（可變）時(shí)，且未達(dá)到90%時(shí)，2臺(tái)工作的UPS會(huì)在輪值周期內(nèi)一直工作，直到喚醒第三臺(tái)后，3臺(tái)UPS進(jìn)入輪值一同逆變工作，再經(jīng)過(guò)一個(gè)輪值周期后，喚醒第四臺(tái)UPS，經(jīng)過(guò)2 min后，需要休息的UPS逆變器自動(dòng)停止。3臺(tái)逆變工作，1臺(tái)休眠。依次類(lèi)推進(jìn)行輪巡。

（4）接上一步，當(dāng)一側(cè)母線總負(fù)載逐步增加到單臺(tái)UPS容量120%時(shí)，3臺(tái)工作的UPS還會(huì)繼續(xù)工作，單臺(tái)休眠的UPS還會(huì)休眠，直到到達(dá)輪巡周期后，喚醒休眠的UPS工作，此后，UPS都工作，不進(jìn)行輪巡。

（5）如果在（1）處檢測(cè)的負(fù)載為單機(jī)UPS容量30%～60%，則最終進(jìn)入2臺(tái)輪巡方式工作；如果檢測(cè)到的負(fù)載為單機(jī)UPS容量的60%～90%，則最終進(jìn)入3臺(tái)輪巡方；如果檢測(cè)到的負(fù)載為單機(jī)UPS容量的90%以上，則進(jìn)入4臺(tái)UPS逆變器同時(shí)運(yùn)行方式。

（6）如果在突然增加一個(gè)較大負(fù)載，UPS系統(tǒng)會(huì)喚醒所有休眠中的UPS共同承擔(dān)負(fù)載，待負(fù)載檢測(cè)穩(wěn)定后，再更具相應(yīng)區(qū)間進(jìn)行UPS輪值工作。

（7）當(dāng)主用UPS有故障需要退出運(yùn)行時(shí)，同母線側(cè)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(jìn)行并機(jī)供電保障。

（8）當(dāng)輪巡UPS遇到有任何故障信息時(shí)，除故障UPS退出運(yùn)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(jìn)入輪巡模式。當(dāng)單臺(tái)輪巡中的UPS故障時(shí)，如果是本臺(tái)機(jī)器故障，則其他3臺(tái)均切換至旁路，進(jìn)而切換至3臺(tái)UPS逆變器供電，退出輪巡方式，故障UPS退出運(yùn)行。當(dāng)故障消除后再進(jìn)行輪巡方式。如果是非單臺(tái)運(yùn)行UPS故障，則除故障UPS外全部喚醒，退出輪巡方式。

（9）當(dāng)有告警信息出現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的告警的UPS及1#通信主機(jī)UPS退出輪巡，均被喚醒其他UPS繼續(xù)輪巡。

（10）UPS可進(jìn)行手動(dòng)關(guān)逆變，該臺(tái)機(jī)組退出輪巡模式，當(dāng)開(kāi)啟逆變后，自動(dòng)進(jìn)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(jì)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(yàn)平臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)如下。

（1）負(fù)載＜單機(jī)容量30%時(shí)，單臺(tái)功率在5.8 kW（表2）。

表2 負(fù)載＜單機(jī)容量30%時(shí)4臺(tái)UPS測(cè)試數(shù)據(jù)

（2）負(fù)載在單臺(tái)UPS容量的30%～60%時(shí)，單臺(tái)功率為16.25 kW（表 3）。

表3 單臺(tái)UPS容量負(fù)載30%～60%時(shí)4臺(tái)UPS測(cè)試數(shù)據(jù)

（3） 模擬 5#，6#，9#，10#總輸出為 30%負(fù)載，單臺(tái) UPS 負(fù)載7.5%（135 kW），見(jiàn)表4。

表4 30%負(fù)載4臺(tái)UPS測(cè)試數(shù)據(jù)

（4）模擬7#，8#總輸出為40%負(fù)載，單臺(tái)UPS負(fù)載10%（180 kW），見(jiàn)表 5。

2.2.2 休眠輪巡方案實(shí)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(guān)閉某（幾）臺(tái)UPS逆變器，再對(duì)UPS進(jìn)行每月手動(dòng)輪值操作。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的觀察，1#變?nèi)掌骄?jié)省電能440 kW·h，2#變?nèi)掌骄?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?nèi)掌骄?jié)省電能210 kW·h，6#變?nèi)掌骄?jié)省電能210 kW·h，7#變?nèi)掌骄?jié)省電能90 kW·h，8#變?nèi)掌骄?jié)省電能110 kW·h，9#變?nèi)掌骄?jié)省電能230 kW·h，10#變?nèi)掌骄?jié)省電能220 kW·h，合計(jì)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(fèi)54.51萬(wàn)余元人民幣

表5 40%負(fù)載時(shí)4臺(tái)UPS測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)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(jī)相結(jié)合。主電源是市電經(jīng)過(guò)濾波器直接供電，當(dāng)市電停電或波動(dòng)后轉(zhuǎn)由UPS供電，UPS同時(shí)具有高頻模塊化功能，UPS供電時(shí)自動(dòng)分配達(dá)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(jī)，為此著重介紹工頻機(jī)的節(jié)能，即輪值休眠。在保證穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，使得UPS達(dá)到最大使用效率，同時(shí)節(jié)省逆變器損耗電能。