由于IT技術(shù)的飛速發(fā)展，信息化建設(shè)已是一個(gè)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(lái)比喻，據(jù)有關(guān)資料介紹，截至2012年已有數(shù)據(jù)中心機(jī)房53.2萬(wàn)多個(gè)。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(wàn)平米，甚至是幾十萬(wàn)平米的工業(yè)園。因此其用電量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了原來(lái)的想象，已成為用電大戶。

表1所示是從2009年到2012年中國(guó)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(zhǎng)，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(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量
 
 
圖1 2009-2012年中國(guó)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(duì)應(yīng)186.4萬(wàn)千瓦，如果用負(fù)載功率因數(shù)為0.8的400kVA工頻機(jī) UPS就是4661臺(tái)，如果平均效率按90%計(jì)算，那么僅電源這一項(xiàng)就白白浪費(fèi)掉163.4億度電。當(dāng)前我國(guó)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(jì)算每發(fā)1度電就需要1kg原煤，折算過(guò)來(lái)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(jī)UPS其效率約為95%，一般比工頻機(jī) 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(jì)效益和社會(huì)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(jì)2013-2014年中國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量

來(lái)之不易，更何況任其肆意污染環(huán)境呢!這是一個(gè)值得深思的問(wèn)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(jì)規(guī)律在膨脹，到2014年用電量可望達(dá)到2210億度，如不預(yù)先采取措施，將是一個(gè)很難收拾的局面。

所以數(shù)據(jù)中心的節(jié)能問(wèn)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(guó)的基本國(guó)策

國(guó)務(wù)院國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)研究局副局長(zhǎng)楚序平在“2009綠色通信與節(jié)能創(chuàng)新研討會(huì)”上指出：中央通信企業(yè)在采購(gòu)中要實(shí)施“三優(yōu)先”：

* 優(yōu)先采購(gòu)節(jié)能的通信設(shè)備和產(chǎn)品

* 優(yōu)先采購(gòu)低排放的設(shè)備和產(chǎn)品

* 優(yōu)先采購(gòu)復(fù)合循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(shí)只有高頻機(jī)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(gè)百分點(diǎn)計(jì)算。高頻機(jī)型UPS每年就可以比工頻機(jī)型UPS節(jié)約5萬(wàn)度電。

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前有300萬(wàn)臺(tái)以上服務(wù)器在運(yùn)行，300萬(wàn)每臺(tái)耗電以400W計(jì)，總功率P就是：

P=300′104臺(tái)′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(guò)來(lái)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(jī)型UPS的重量是2.2T，而某300kVA高頻機(jī)型UPS的重量?jī)H是830kg，相差1.4T.1846154kVA要用6154臺(tái)300kW容量的UPS，工頻機(jī)型UPS就比高頻機(jī)型UPS重了1.4T′6154=8615.6T!換言之，工頻機(jī)型UPS比高頻機(jī)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(fèi)多少人力、物力和燃料!這些材料從開(kāi)采到運(yùn)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(lái)又是何等的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益!

再?gòu)男噬险f(shuō)，如前所述，高頻機(jī)型UPS的效率要比工頻機(jī)型UPS高上5個(gè)百分點(diǎn)，一般工頻機(jī)型UPS的效率很難達(dá)到90%，就以90%計(jì)，按照上面的例子工頻機(jī)型UPS就要消耗120000kW，而高頻機(jī)型UPS才消耗60000kW，比工頻機(jī)型UPS少消耗了50%，即60000kW，有資料介紹說(shuō)發(fā)電廠發(fā)一度電就需要1kg的原煤，一年下來(lái)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(jī)型UPS近九千噸高價(jià)材料和六萬(wàn)噸煤的節(jié)約量是何等的奇觀!難道不讓人心動(dòng)嗎!

所以高頻機(jī)UPS備受推崇就是因?yàn)樗?jié)能。如前所述，材料的節(jié)約就是對(duì)能量的節(jié)約，這是一方面;效率的提高是長(zhǎng)期的，比如有的數(shù)據(jù)中心每年的電費(fèi)就以“億”計(jì)算。所以有的用戶在招標(biāo)中聲稱‘即使一個(gè)百分點(diǎn)的效率我也要爭(zhēng)’，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(jī)UPS終究要替代工頻機(jī)UPS

從計(jì)算機(jī)誕生的那一時(shí)代開(kāi)始，不間斷電源就是它的孿生兄弟。幾十年來(lái)大半部分時(shí)間就是就是這種工頻機(jī)UPS為計(jì)算機(jī)保駕護(hù)航，才使得IT技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展?？梢哉f(shuō)工頻機(jī)UPS為IT技術(shù)的發(fā)展立下了汗馬功勞。但工頻機(jī)UPS機(jī)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?yàn)榕f的一旦妨礙了生產(chǎn)力的發(fā)展就會(huì)被新的淘汰。那么工頻機(jī)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(jī)輸出端龐大的變壓器是一個(gè)典型的耗材耗能的裝置。而圖2(b)所示的高頻機(jī)UPS就取消了這個(gè)變壓器。有人說(shuō)這個(gè)變壓器抗干擾，這是一種誤解。這個(gè)變壓器的作用只有兩點(diǎn)：產(chǎn)生隔離接地點(diǎn)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(shí)才可消除三次諧波?？上孀兤鬏敵霾ㄐ沃袥](méi)有干擾可抗。

從工頻機(jī)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(dá)90%以上，但此時(shí)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(dá)30%以上。這個(gè)數(shù)值標(biāo)志著破壞了電網(wǎng)電壓的正弦波波形，對(duì)外干擾大和增加了無(wú)功功率對(duì)線路的占空比，限制了供電局對(duì)外輸出的有效功率。因此供電局一般都對(duì)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(gè)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(diǎn)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(gè)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(jià)有多大呢?某典型300kVA的UPS在6脈沖整流器時(shí)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(jìn)一步提高，有的專家提出了24相整流方案，整流脈沖可達(dá)24個(gè)之多，輸入功率因數(shù)可達(dá)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(jī)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(jī)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(wú)疑可以實(shí)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)“金屋藏嬌”。

而高頻機(jī)UPS完全克服了這些缺點(diǎn)

圖5 三相高頻機(jī)UPS主電路結(jié)構(gòu)原理圖

3. 幾種高頻機(jī)UPS的結(jié)構(gòu)的種類

(1)在線互動(dòng)式

圖5.3(a)和(b)所示的兩個(gè)電路就是在線互動(dòng)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(shí)候它的輸出電壓波形都是正弦波，其繼電器的切換時(shí)間也很短，只有2ms.盡管其輸出電壓穩(wěn)定度只有±12%，這對(duì)一般電子負(fù)載已足夠了。

圖5.3(b)所示的是通過(guò)兩個(gè)原始電壓的交叉供電使輸出電壓達(dá)到一定穩(wěn)定度的電源。這里的兩個(gè)“原始電壓”一個(gè)是輸入電壓，一個(gè)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(gè)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(shí)，為了穩(wěn)壓抽頭繼電器就會(huì)自動(dòng)切換抽頭位置，當(dāng)即電器觸點(diǎn)離開(kāi)原來(lái)抽頭但還沒(méi)有接觸到下一個(gè)抽頭時(shí)，雙向變換器啟動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓以填補(bǔ)抽頭換接過(guò)程的斷電時(shí)間。抽頭換接過(guò)程完畢后雙向變換器自動(dòng)關(guān)閉，重新回到市電供電模式。

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

圖5.3 互動(dòng)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(bǔ)償向負(fù)載供電的一種在線式UPS，屬高頻機(jī)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(shí)作為電流源的Delta變換器主要向負(fù)載提供有功功率，而與其并聯(lián)供電的主變換器只提供無(wú)功功率和負(fù)載突變式的補(bǔ)償功率。當(dāng)市電異常時(shí)，Delta變換器關(guān)閉而改由主變換器提供全部負(fù)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(shí)機(jī)和充電電平則由Delta變換器控制。該電路最大的特點(diǎn)就是用20%的功率去控制100%的負(fù)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(shí)只有高頻機(jī)型UPS能夠滿足這一要求。除此之外，如果再規(guī)劃簡(jiǎn)潔的配電系統(tǒng)，加之設(shè)計(jì)節(jié)能的運(yùn)行模式，就能夠達(dá)到更好的節(jié)能效果。

規(guī)劃簡(jiǎn)潔的配電系統(tǒng)

有了節(jié)能的供電設(shè)備，如果沒(méi)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(jī)型UPS供電的“臃腫”系統(tǒng)

尤其是有的用戶認(rèn)為可靠性是用錢堆起來(lái)的，認(rèn)為設(shè)備越多可靠性越高。實(shí)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(jī)型UPS供電臃腫系統(tǒng)的一個(gè)例子，說(shuō)它臃腫是因?yàn)檫@本來(lái)是一個(gè)很節(jié)能的供電系統(tǒng)，兩臺(tái)高頻機(jī)型UPS冗余并聯(lián)后給負(fù)載供電，簡(jiǎn)單明了?？蓡螁卧O(shè)計(jì)者又給UPS后面串聯(lián)了大功率變壓器，又串入了兩臺(tái)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(huì)這樣規(guī)劃呢?原因是設(shè)計(jì)者機(jī)械地理解了美國(guó)的G4標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為只有做成所謂的雙總線，系統(tǒng)才可靠，這就陷入了用過(guò)多設(shè)備堆積可靠性的誤區(qū)。實(shí)際上圖9的每一路供電路徑上多了兩個(gè)故障點(diǎn)：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(shuō)，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(tái)UPS，但卻少了兩臺(tái)變壓器和兩臺(tái)STS，要知道一臺(tái)STS要比同容量的UPS貴得多。而且第三臺(tái)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(guò)載能力又增加了一倍。

當(dāng)然，多臺(tái)UPS冗余并聯(lián)雖是提高了可靠性，但也帶來(lái)了負(fù)面影響，那就是使系統(tǒng)效率降低了，因?yàn)樵瓉?lái)兩臺(tái)工作時(shí)各為50%負(fù)載，當(dāng)3臺(tái)工作時(shí)，每臺(tái)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(jī)3UPS在正常時(shí)處在轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)ZS的中間空檔位置，其他兩臺(tái)UPS按50%方式供電，處于效率最高點(diǎn)。任一臺(tái)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(yùn)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(tái)UPS故障時(shí)就可以利用STS將另一臺(tái)UPS轉(zhuǎn)接過(guò)來(lái)，如圖12雙機(jī)雙總線1所示。但為了這一點(diǎn)功能就采用兩臺(tái)STS未免小題大做。

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

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

圖13 母聯(lián)開(kāi)關(guān)與兩臺(tái)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(tái)STS就用了24支，而一個(gè)母聯(lián)開(kāi)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(jì)節(jié)能的運(yùn)行模式

有了節(jié)能的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔的供配電系統(tǒng)，如果再規(guī)劃出節(jié)能的運(yùn)行模式，這樣步步為營(yíng)、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(gè)500kVA的負(fù)載用雙總線供電的例子。這里采用了2臺(tái)550kVA的模塊化UPS，每臺(tái)550kVA的模塊化UPS機(jī)殼中有兩臺(tái)275 kVA的模塊化UPS，為了提高效率，在正常供電時(shí)就可以令其中一臺(tái)275 kVA的模塊化UPS休眠，形成2+1工作模式。而且隨著負(fù)載的減小還可以工作在1+1模式。

圖14 模塊化UPS節(jié)能運(yùn)行模式

圖15的節(jié)能運(yùn)行方式是在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在指定范圍時(shí)接通旁路開(kāi)關(guān)，和ECO工作方式不同的是，此時(shí)逆變器并不關(guān)機(jī)，而是出于一種類似休眠地等待狀態(tài)，它的功能類似于無(wú)功功率補(bǔ)償，能把電網(wǎng)中突變之類的干擾抑制掉。這時(shí)的效率可達(dá)97%以上，又進(jìn)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(jī)供電，如圖15所示。在此情況下大都采用兩臺(tái)UPS各供50%的配電方式，這樣做的結(jié)果不能使效率達(dá)到最高點(diǎn)。一般效率最高點(diǎn)往往不是在100%功率，而是在70%~100%之間。如果兩臺(tái)UPS均分負(fù)載，那么各自的負(fù)載量均小于50%，這樣一來(lái)，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(fù)載量。而令UPS2休眠，但處于熱備份狀態(tài)。這樣一來(lái)，UPS1此時(shí)幾乎處于效率最高點(diǎn)。當(dāng)然會(huì)有的提出這樣的問(wèn)題，將原來(lái)的一般負(fù)載改成全額負(fù)載豈不是UPS的壽命降低了?非也。任何一臺(tái)UPS的壽命都是設(shè)計(jì)在全額負(fù)載情況下的選定的，全額負(fù)載運(yùn)行是UPS的本分，如果UPS沒(méi)有這個(gè)能力，那就是這臺(tái)UPS不合格。

圖15 塔式UPS節(jié)能運(yùn)行模式

又有的人可能提出第二個(gè)問(wèn)題，如果UPS1過(guò)載時(shí)UPS2接續(xù)不上怎么辦?首先在選擇UPS容量時(shí)，一般都選擇UPS的容量要大于額定負(fù)載一定量，所以一般不會(huì)過(guò)載;另一方面，可設(shè)定UPS2在UPS1帶載量超過(guò)90%時(shí)蘇醒，這只是一個(gè)設(shè)置問(wèn)題。況且UPS2是休眠而不是關(guān)機(jī)，是在熱備份，所以投入工作很快。第三，任何一臺(tái)UPS都有過(guò)載到125%額定負(fù)載可堅(jiān)持10min和過(guò)載到150%堅(jiān)持30s的能力，這對(duì)于UPS2的投入運(yùn)行速度打開(kāi)方便之門。

當(dāng)然，節(jié)能運(yùn)行方式很多?？傊瑢?shí)現(xiàn)節(jié)能供電的要點(diǎn)就是：

要具有正確的節(jié)能意識(shí)，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(tīng)外界的一些貶低節(jié)能設(shè)備的說(shuō)法，自己要有主意或請(qǐng)專家咨詢，當(dāng)然這里指的是真正的專家。

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

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