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UPS電源高效模式(ECO)的應(yīng)用分析

2024-11-12發(fā)布者:濟南樹信工貿(mào)

  不間斷電源(UPS)系統(tǒng),尤其是高頻大功率UPS作為數(shù)據(jù)中心供電的關(guān)鍵保障,受架構(gòu)和器件等因素的限制,在線模式效率約在96%左右。提高UPS效率,可有效降低數(shù)據(jù)中心PUE。

  為了降低TCO(總體擁有成本),提高UPS系統(tǒng)效率,早在2010年行業(yè)內(nèi)就推出了ECO模式,也被叫做經(jīng)濟模式、節(jié)能模式或高效模式。2018年4月30日發(fā)布、7月1日實施的行業(yè)標準YD/T 1095-2018《通信用交流不間斷電源(UPS)》,增加了對ECO模式的定義:交流輸入正常情況下UPS通過靜態(tài)旁路向負載供電,當交流輸入異常時UPS切換至逆變器供電的工作模式。

  ECO模式可將UPS運行效率從雙變換在線模式的96%左右提升到99%,對數(shù)據(jù)中心PUE指標可降低約0.03,達到節(jié)能、減排的目的。但普通的ECO模式也存在著一定的切換風(fēng)險,因此很多品牌只作為選配模式。

  本文邀請到臺達UPS技術(shù)專家鄭強,以臺達具有ECO模式的大功率UPS為例,談一談UPS電源的ECO模式架構(gòu),以及新一代的超級ECO模式如何提升可靠性更實現(xiàn)節(jié)能。


  ECO模式的架構(gòu)與工作原理

  按逆變器工作狀態(tài),通常UPS的ECO模式可以分為2類:

  01 逆變器熱備待機狀態(tài)

  02 逆變器冷備待機狀態(tài)

  對于逆變器熱備待機狀態(tài),若從UPS旁路、逆變切換架構(gòu)來看,大致有3類架構(gòu)設(shè)計,如圖1-3所示。

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  圖1:采用接觸器轉(zhuǎn)換

  UPS工作在ECO模式時,當旁路輸入在設(shè)置的電壓和頻率范圍內(nèi),UPS優(yōu)先旁路輸出,可以獲得更高的效率;當旁路輸入超限或中斷,負載將由旁路轉(zhuǎn)向逆變供電,切換時間即為接觸器強制動作接通時間,一般切換時間2ms左右。

  圖2:采用SCR轉(zhuǎn)換

  UPS逆變器輸出側(cè)采用SCR靜態(tài)開關(guān)代替接觸器設(shè)計,優(yōu)勢是有效縮短旁路轉(zhuǎn)逆變的切換時間,一般切換時間1ms以內(nèi),弊端在于SCR靜態(tài)開關(guān)損耗大于接觸器,采用此架構(gòu)的UPS在線模式效率要略低一些。

  圖3:采用SCR+接觸器并聯(lián)轉(zhuǎn)換

  逆變器輸出側(cè)采用SCR+接觸器并聯(lián)設(shè)計,兼顧圖1架構(gòu)的高效率(接觸器阻抗小)和圖2架構(gòu)的高可靠快速切換特性(SCR確??焖倏煽壳袚Q),解決可靠切換與高效兼容的問題。


  通過以上3種架構(gòu)設(shè)計的UPS在ECO高效模式工作原理分析,對應(yīng)設(shè)計UPS產(chǎn)品的ECO高效模式關(guān)鍵性能、參數(shù)進行列表比較如下所示:

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  通過以上分析可以看出,ECO模式雖然可顯著提升UPS效率,但都不能避免一些明顯的缺點:

  UPS輸入指標不可控;

  旁路切換到逆變輸出,均有切換時間。

  因此,也引發(fā)了更進一步技術(shù)發(fā)展:

  UPS在ECO模式下,解決輸入指標(輸入功率因數(shù)及電流諧波成分)和切換時間問題,滿足IEC62040-3定義的Ⅰ類供電質(zhì)量標準,供電質(zhì)量接近在線模式,得出一個創(chuàng)新的應(yīng)用模式被業(yè)內(nèi)稱為:超級ECO模式。

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  臺達“ECO+APF”潔凈模式的超級ECO

  臺達專為大型精密制造而推出的高頻大功率工業(yè)級UPS,就具有超級ECO的功能。采用ECO+APF模式(潔凈模式),兼具ECO模式的效率和雙變換模式的性能,確保高供電質(zhì)量情況下,效率高達99.5%,逆變器并聯(lián)旁路供電0ms切換時間。

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  01 ECO+APF潔凈模式的工作原理:逆變器與旁路電源并聯(lián),負載有功由靜態(tài)旁路供電,負載的無功由逆變器提供。選擇ECO+APF模式時,逆變器作為有源濾波器并聯(lián)于旁路直供回路,對負載動態(tài)抑制諧波和補償無功。UPS對旁路電流實時偵測及分析,將諧波與基波分離,得到需要補償?shù)闹C波分量送至逆變控制器,控制逆變器PWM信號及驅(qū)動IGBT,生成與偵測的諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入旁路供電輸出,對負載產(chǎn)生的諧波電流進行補償或抵消,使得UPS的輸入功率因數(shù)和電流諧波失真始終維持在校正值以內(nèi)(典型設(shè)置PF≥0.99、THDi≤5%)。

  02 充電能力:整流器正常工作,輸出的DC BUS一部分提供逆變器、另一部分供DC/DC充電器,對蓄電池進行智能充電管理,充電能力與雙變換在線模式一致。

  03 切換時間:旁路輸入異?;蛑袛鄷r,負載全部由逆變器供電,逆變器由電流源變?yōu)殡妷涸?,逆變器會立即維持輸出電壓,實現(xiàn)零時間切換。


  ECO模式的應(yīng)用決策

  旁路優(yōu)先的ECO模式或超級ECO模式不可避免的存在潛在風(fēng)險。

  當市電不穩(wěn)定時,旁路和逆變間會反復(fù)切換,逆變器頻繁面臨負荷突增、突減沖擊,容易產(chǎn)生熱瞬變,從而增加逆變器IGBT等器件的故障率、降低系統(tǒng)可靠度。

  以犧牲電源保護和供電質(zhì)量為基礎(chǔ)而創(chuàng)新的工作模式,在選擇是否啟用該模式時,應(yīng)充分考慮風(fēng)險與收益平衡支點。

  因此,在電網(wǎng)不穩(wěn)定的環(huán)境,不建議啟用旁路優(yōu)先的ECO模式或超級ECO模式。在數(shù)據(jù)中心電網(wǎng)環(huán)境較穩(wěn)定情況下,建議IT負荷2N方案設(shè)計時可一路UPS系統(tǒng)采用ECO模式、一路UPS系統(tǒng)采用在線模式;空調(diào)等動力負荷可使用ECO模式或超級ECO模式。在確保安全性的情況下,實現(xiàn)UPS的能效提升。


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