由于IT技術(shù)的飛速發(fā)展，信息化建設(shè)已是一個巨大工程，比如金融和電信的數(shù)據(jù)大集中不僅僅是效率的提高，也將是管理模式和業(yè)務(wù)流量的全新變革，所以當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的建設(shè)可以用雨后春筍來比喻，據(jù)有關(guān)資料介紹，截至2012年已有數(shù)據(jù)中心機房53.2萬多個。其間的規(guī)模已不僅僅是幾十平米、幾百平米，而是幾千平幾萬平米，甚至是幾十萬平米的工業(yè)園。因此其用電量也遠遠超出了原來的想象，已成為用電大戶。

表1所示是從2009年到2012年中國數(shù)據(jù)中心耗電量的遞增情況，從表中可以明顯地看出幾乎每年都按14.8%的規(guī)律增長，圖1更直觀地示出了這幾年的遞增情況幾乎是一條直線。

表1 2009-2012年中國數(shù)據(jù)中心耗電量
 
 
圖1 2009-2012年中國數(shù)據(jù)中心耗電量上升曲線

從表1和圖1可以看出2012年用電1634億度，也就是對應(yīng)186.4萬千瓦，如果用負載功率因數(shù)為0.8的400kVA工頻機 UPS就是4661臺，如果平均效率按90%計算，那么僅電源這一項就白白浪費掉163.4億度電。當(dāng)前我國發(fā)電還以活了發(fā)電為主，火力發(fā)電又以煤炭為主。有資料計算每發(fā)1度電就需要1kg原煤，折算過來這就是163.4億公斤原煤，即16340噸原煤。當(dāng)今節(jié)能的高頻機UPS其效率約為95%，一般比工頻機 UPS高5%，即可節(jié)約8170噸原煤。有資料介紹：燒一頓原煤可產(chǎn)生1600′S% kg SO2，10，000m3廢氣，這是多么大的經(jīng)濟效益和社會效益啊!如果不節(jié)約這8170噸原煤，又是何等的狀況!首先這8170噸原煤
 

表2 預(yù)計2013-2014年中國數(shù)據(jù)中心耗電量

來之不易，更何況任其肆意污染環(huán)境呢!這是一個值得深思的問題。尤其是數(shù)據(jù)中心的發(fā)展并未停止，任意表2的估計規(guī)律在膨脹，到2014年用電量可望達到2210億度，如不預(yù)先采取措施，將是一個很難收拾的局面。

所以數(shù)據(jù)中心的節(jié)能問題已是刻不容緩!

節(jié)能建設(shè)第一步——選擇節(jié)能的產(chǎn)品

1.節(jié)能減排是我國的基本國策

國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會研究局副局長楚序平在“2009綠色通信與節(jié)能創(chuàng)新研討會”上指出：中央通信企業(yè)在采購中要實施“三優(yōu)先”：

* 優(yōu)先采購節(jié)能的通信設(shè)備和產(chǎn)品

* 優(yōu)先采購低排放的設(shè)備和產(chǎn)品

* 優(yōu)先采購復(fù)合循環(huán)經(jīng)濟理念的設(shè)備和產(chǎn)品

這就是選擇產(chǎn)品的方向，當(dāng)然這不僅僅指的是通信設(shè)備，各行各業(yè)都應(yīng)以此為指南。不言而喻，在當(dāng)今選擇UPS產(chǎn)品時只有高頻機型UPS能夠滿足上述要求。同樣是100kW的容量，如果效率以相差5個百分點計算。高頻機型UPS每年就可以比工頻機型UPS節(jié)約5萬度電。

根據(jù)不完全統(tǒng)計，目前有300萬臺以上服務(wù)器在運行，300萬每臺耗電以400W計，總功率P就是：

P=300′104臺′400W=80000′104W=1200，000kW

以往的IT設(shè)備輸入功率因數(shù)為0.6~0.7，取中間值就是0.65，將上述功率折算過來就是：

1200，000kW/0.65?1846154kVA，如果不考慮其它因素只考慮全匹配的情況，大略比較一下：某300 kVA工頻機型UPS的重量是2.2T，而某300kVA高頻機型UPS的重量僅是830kg，相差1.4T.1846154kVA要用6154臺300kW容量的UPS，工頻機型UPS就比高頻機型UPS重了1.4T′6154=8615.6T!換言之，工頻機型UPS比高頻機型UPS多用了八千六百多噸的材料，這些材料都是鋼鐵、高純度的銅、金、銀以及稀有金屬和稀土元素，生產(chǎn)出這么多的材料需要花費多少人力、物力和燃料!這些材料從開采到運輸?shù)揭睙挼教峒兊鹊刃枰嗌偃肆臀锪?排放出多少有害的氣體!如果節(jié)約下來又是何等的經(jīng)濟效益和社會效益!

再從效率上說，如前所述，高頻機型UPS的效率要比工頻機型UPS高上5個百分點，一般工頻機型UPS的效率很難達到90%，就以90%計，按照上面的例子工頻機型UPS就要消耗120000kW，而高頻機型UPS才消耗60000kW，比工頻機型UPS少消耗了50%，即60000kW，有資料介紹說發(fā)電廠發(fā)一度電就需要1kg的原煤，一年下來這60000kW耗電就是60000kW′8765h=52，200，000度電，就是近60000噸原煤?？梢钥闯觯哳l機型UPS近九千噸高價材料和六萬噸煤的節(jié)約量是何等的奇觀!難道不讓人心動嗎!

所以高頻機UPS備受推崇就是因為它節(jié)能。如前所述，材料的節(jié)約就是對能量的節(jié)約，這是一方面;效率的提高是長期的，比如有的數(shù)據(jù)中心每年的電費就以“億”計算。所以有的用戶在招標(biāo)中聲稱‘即使一個百分點的效率我也要爭’，能量節(jié)省了，有害氣體的排放也就減少了，意義也就在這里。

2.為什么高頻機UPS終究要替代工頻機UPS

從計算機誕生的那一時代開始，不間斷電源就是它的孿生兄弟。幾十年來大半部分時間就是就是這種工頻機UPS為計算機保駕護航，才使得IT技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展?？梢哉f工頻機UPS為IT技術(shù)的發(fā)展立下了汗馬功勞。但工頻機UPS機不是文物也不是古董，而是一種技術(shù)設(shè)備，技術(shù)是要發(fā)展的。歷史的規(guī)律就是新的代替舊的，因為舊的一旦妨礙了生產(chǎn)力的發(fā)展就會被新的淘汰。那么工頻機UPS的哪些方面阻礙了生產(chǎn)力的發(fā)展呢?如前所述，首先是耗材，如圖2(a)所示，工頻機輸出端龐大的變壓器是一個典型的耗材耗能的裝置。而圖2(b)所示的高頻機UPS就取消了這個變壓器。有人說這個變壓器抗干擾，這是一種誤解。這個變壓器的作用只有兩點：產(chǎn)生隔離接地點和變壓，在三相中必須是D-Y(角星或角星)接法

圖2 兩種UPS逆變器后面的結(jié)構(gòu)

時才可消除三次諧波。可惜逆變器輸出波形中沒有干擾可抗。

從工頻機UPS輸入電路上看，如圖3所示，一般容量的標(biāo)準(zhǔn)配置是“6脈沖”輸入整流器，如圖所示的虛線框內(nèi)部分。這種結(jié)構(gòu)效率可達90%以上，但此時的輸入功率因數(shù)只

圖3 12脈沖整流器輸入的UPS主電路原理圖

有0.8左右，換言之器輸入諧波電流達30%以上。這個數(shù)值標(biāo)志著破壞了電網(wǎng)電壓的正弦波波形，對外干擾大和增加了無功功率對線路的占空比，限制了供電局對外輸出的有效功率。因此供電局一般都對用戶提出了輸入功率因數(shù)必須大于0.9的要求，否則就罰款。如果增加整流脈沖的個數(shù)就可提高輸入功率因數(shù)。因此就出現(xiàn)了12脈沖整流器輸入的UPS.如圖3所示。這種電路的結(jié)構(gòu)特點就是在原有電路的基礎(chǔ)上再加一套6脈沖整流器，另外再加一個移相變壓器。這樣做了以后可將輸入功率因數(shù)提高到0.9，如果再加11次諧波濾波器，又可將輸入功率因數(shù)提高到0.95以上。這樣做的代價有多大呢?某典型300kVA的UPS在6脈沖整流器時是1600kg，變成12脈沖整流器后重量是2200kg，增加了600kg.400kVA的UPS變成12脈沖整流器后則加了650kg!而某品牌300kVA的UPS才重830kg!相差何其懸殊!

為了將輸入功率因數(shù)進一步提高，有的專家提出了24相整流方案，整流脈沖可達24個之多，輸入功率因數(shù)可達0.99以上。圖4(a)和(b)分別為采用諧波諸如型的自耦變壓

(c) 24相整流自耦變壓器結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 24相輸入整流方案

器式24相整流工頻機UPS輸入整流器和采用平衡電感的自耦變壓器式24相整流工頻機UPS輸入整流器，圖4(c)所示為24相整流自耦變壓器結(jié)構(gòu)原理圖。圖4電路和變壓器的有效結(jié)合無疑可以實現(xiàn)0.99以上的輸入功率因數(shù)指標(biāo)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度使制造的困難加大，并且仍未脫離耗電耗材的弊病。所以這種方案直至現(xiàn)在牙只能在實驗室內(nèi)“金屋藏嬌”。

而高頻機UPS完全克服了這些缺點

圖5 三相高頻機UPS主電路結(jié)構(gòu)原理圖

3. 幾種高頻機UPS的結(jié)構(gòu)的種類

(1)在線互動式

圖5.3(a)和(b)所示的兩個電路就是在線互動式電原理圖，從圖中可以看出它們是后備式的工作方式在線的效果。

圖5.3(a)所示的電路所以是在線的效果，其標(biāo)志就是在任何時候它的輸出電壓波形都是正弦波，其繼電器的切換時間也很短，只有2ms.盡管其輸出電壓穩(wěn)定度只有±12%，這對一般電子負載已足夠了。

圖5.3(b)所示的是通過兩個原始電壓的交叉供電使輸出電壓達到一定穩(wěn)定度的電源。這里的兩個“原始電壓”一個是輸入電壓，一個是由雙向變換器產(chǎn)生的輸出變壓器電壓。其結(jié)構(gòu)是帶數(shù)個抽頭的輸出變壓器，其交叉工作原理是：當(dāng)輸入或輸出電壓范圍超出規(guī)定要求時，為了穩(wěn)壓抽頭繼電器就會自動切換抽頭位置，當(dāng)即電器觸點離開原來抽頭但還沒有接觸到下一個抽頭時，雙向變換器啟動產(chǎn)生一個輸出電壓以填補抽頭換接過程的斷電時間。抽頭換接過程完畢后雙向變換器自動關(guān)閉，重新回到市電供電模式。

(a) 兩個原始電壓加減互動方式原理圖
 
(b) 兩個原始電壓交叉互動方式原理圖

圖5.3 互動式UPS原理電路圖

(2)串并聯(lián)調(diào)整式

串并聯(lián)調(diào)整式也稱Delta變換式，這是一種由電流源(Delta變換器)與電壓源(主變換器)構(gòu)成并聯(lián)連續(xù)補償向負載供電的一種在線式UPS，屬高頻機范疇。其輸出電壓穩(wěn)定度是1%，如圖5.4所示。在市電正常范圍供電時作為電流源的Delta變換器主要向負載提供有功功率，而與其并聯(lián)供電的主變換器只提供無功功率和負載突變式的補償功率。當(dāng)市電異常時，Delta變換器關(guān)閉而改由主變換器提供全部負載功率。在這里Delta變換器和主變換器均具雙向變換的功能。主變換器給電池充電，而充電的時機和充電電平則由Delta變換器控制。該電路最大的特點就是用20%的功率去控制100%的負載功率。

上文中提到，打造節(jié)能的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，第一步就是要選擇節(jié)能的產(chǎn)品，在當(dāng)今選擇UPS產(chǎn)品時只有高頻機型UPS能夠滿足這一要求。除此之外，如果再規(guī)劃簡潔的配電系統(tǒng)，加之設(shè)計節(jié)能的運行模式，就能夠達到更好的節(jié)能效果。

規(guī)劃簡潔的配電系統(tǒng)

有了節(jié)能的供電設(shè)備，如果沒有很好地規(guī)劃設(shè)備的連接和配置也得不到好的節(jié)能效果。

圖9 高頻機型UPS供電的“臃腫”系統(tǒng)

尤其是有的用戶認為可靠性是用錢堆起來的，認為設(shè)備越多可靠性越高。實際上設(shè)備越多增加的串聯(lián)環(huán)節(jié)就越多，相應(yīng)地可靠性也越低!如圖9所示就是高頻機型UPS供電臃腫系統(tǒng)的一個例子，說它臃腫是因為這本來是一個很節(jié)能的供電系統(tǒng)，兩臺高頻機型UPS冗余并聯(lián)后給負載供電，簡單明了?？蓡螁卧O(shè)計者又給UPS后面串聯(lián)了大功率變壓器，又串入了兩臺大容量STS，致使效率至少損失了4%~5%，不但投資增加很多，占地面積也大為增加。為什么會這樣規(guī)劃呢?原因是設(shè)計者機械地理解了美國的G4標(biāo)準(zhǔn)，認為只有做成所謂的雙總線，系統(tǒng)才可靠，這就陷入了用過多設(shè)備堆積可靠性的誤區(qū)。實際上圖9的每一路供電路徑上多了兩個故障點：變壓器和STS.可靠性下降了數(shù)倍。世界上十全十美的東西太少了，就是說，增加了這方面的功能卻犧牲了另一方面的功能，這就是有得有失的道理。

圖10 用1+2結(jié)構(gòu)模式提高可靠性的方法

如果改用圖10的方案，采用1+2結(jié)構(gòu)模式，這里雖多了一臺UPS，但卻少了兩臺變壓器和兩臺STS，要知道一臺STS要比同容量的UPS貴得多。而且第三臺UPS的引入，不但使系統(tǒng)可靠性大為增加，而且也是系統(tǒng)的過載能力又增加了一倍。

當(dāng)然，多臺UPS冗余并聯(lián)雖是提高了可靠性，但也帶來了負面影響，那就是使系統(tǒng)效率降低了，因為原來兩臺工作時各為50%負載，當(dāng)3臺工作時，每臺的帶載量才僅有三分之一。為此可采用圖1 1的改良式1+2節(jié)能供電方式。在這里高頻機3UPS在正常時處在轉(zhuǎn)換開關(guān)ZS的中間空檔位置，其他兩臺UPS按50%方式供電，處于效率最高點。任一臺UPS故障，3UPS就接通到故障設(shè)備的一方。提高了可靠性也提高了運行效率。

圖11 1+2節(jié)能工作方式

另外，雙總線采用STS還有另一層意思，那就是當(dāng)一臺UPS故障時就可以利用STS將另一臺UPS轉(zhuǎn)接過來，如圖12雙機雙總線1所示。但為了這一點功能就采用兩臺STS未免小題大做。

圖12 雙總線結(jié)構(gòu)方式兩臺UPS互相轉(zhuǎn)換方案

可以采用圖12雙機雙總線2的方法，用一只母聯(lián)開關(guān)即可。在兩路UPS正常工作時，母聯(lián)開關(guān)是斷開狀態(tài)。當(dāng)其中一臺UPS故障時，母聯(lián)開關(guān)閉合，也達到了上述目的。這一改變也并非無足輕重。如果母聯(lián)開關(guān)采用電子式，即靜態(tài)開關(guān)，其設(shè)備量大為減少，如圖13所示。

圖13 母聯(lián)開關(guān)與兩臺STS設(shè)備量的比較

從圖中可以看出，同樣的大功率可控硅，兩臺STS就用了24支，而一個母聯(lián)開關(guān)只用了6只，節(jié)約了18支的設(shè)備量和功耗，也極大地減小了占地面積。

設(shè)計節(jié)能的運行模式

有了節(jié)能的產(chǎn)品，設(shè)計了簡潔的供配電系統(tǒng)，如果再規(guī)劃出節(jié)能的運行模式，這樣步步為營、步步節(jié)能的供配電方式就可得出很好的節(jié)能效果。圖14所示為一個500kVA的負載用雙總線供電的例子。這里采用了2臺550kVA的模塊化UPS，每臺550kVA的模塊化UPS機殼中有兩臺275 kVA的模塊化UPS，為了提高效率，在正常供電時就可以令其中一臺275 kVA的模塊化UPS休眠，形成2+1工作模式。而且隨著負載的減小還可以工作在1+1模式。

圖14 模塊化UPS節(jié)能運行模式

圖15的節(jié)能運行方式是在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在指定范圍時接通旁路開關(guān)，和ECO工作方式不同的是，此時逆變器并不關(guān)機，而是出于一種類似休眠地等待狀態(tài)，它的功能類似于無功功率補償，能把電網(wǎng)中突變之類的干擾抑制掉。這時的效率可達97%以上，又進一步節(jié)約了能量。

好多IT設(shè)備都是雙電源供電，所以往往雙總線供電方式有不少是采用兩套塔式單機供電，如圖15所示。在此情況下大都采用兩臺UPS各供50%的配電方式，這樣做的結(jié)果不能使效率達到最高點。一般效率最高點往往不是在100%功率，而是在70%~100%之間。如果兩臺UPS均分負載，那么各自的負載量均小于50%，這樣一來，效率就更低了。這就可以改變一下供電分配方式。比如令圖15中的UPS1全額供電，一般都小于額定負載量。而令UPS2休眠，但處于熱備份狀態(tài)。這樣一來，UPS1此時幾乎處于效率最高點。當(dāng)然會有的提出這樣的問題，將原來的一般負載改成全額負載豈不是UPS的壽命降低了?非也。任何一臺UPS的壽命都是設(shè)計在全額負載情況下的選定的，全額負載運行是UPS的本分，如果UPS沒有這個能力，那就是這臺UPS不合格。

圖15 塔式UPS節(jié)能運行模式

又有的人可能提出第二個問題，如果UPS1過載時UPS2接續(xù)不上怎么辦?首先在選擇UPS容量時，一般都選擇UPS的容量要大于額定負載一定量，所以一般不會過載;另一方面，可設(shè)定UPS2在UPS1帶載量超過90%時蘇醒，這只是一個設(shè)置問題。況且UPS2是休眠而不是關(guān)機，是在熱備份，所以投入工作很快。第三，任何一臺UPS都有過載到125%額定負載可堅持10min和過載到150%堅持30s的能力，這對于UPS2的投入運行速度打開方便之門。

當(dāng)然，節(jié)能運行方式很多?？傊?，實現(xiàn)節(jié)能供電的要點就是：

要具有正確的節(jié)能意識，那種用種種借口拒絕使用節(jié)能設(shè)備的做法應(yīng)該慎重。

選擇節(jié)能的供電設(shè)備，不要聽外界的一些貶低節(jié)能設(shè)備的說法，自己要有主意或請專家咨詢，當(dāng)然這里指的是真正的專家。

規(guī)劃簡潔(而不是臃腫)的供配電方式。慎重聽取各方面的意見，一般廠家作的方案要慎重考慮，結(jié)合自己的應(yīng)用特點，以簡潔為佳。

設(shè)計節(jié)能的運行方式。并不是所有設(shè)備都有這種節(jié)能運行方式，節(jié)能運行方式一般是設(shè)計在UPS上的，是標(biāo)配的功能。