UPS電源高效模式（ECO）的應(yīng)用分析

　　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(jì)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(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1095-2018《通信用交流不間斷電源(UPS)》，增加了對(duì)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(fù)載供電，當(dāng)交流輸入異常時(shí)UPS切換至逆變器供電的工作模式。

　　ECO模式可將UPS運(yùn)行效率從雙變換在線模式的96%左右提升到99%，對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)可降低約0.03，達(dá)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(xiǎn)，因此很多品牌只作為選配模式。

　　本文邀請(qǐng)到臺(tái)達(dá)UPS技術(shù)專家鄭強(qiáng)，以臺(tái)達(dá)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(jí)ECO模式如何提升可靠性更實(shí)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(jī)狀態(tài)

　　02 逆變器冷備待機(jī)狀態(tài)

　　對(duì)于逆變器熱備待機(jī)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(jì)，如圖1-3所示。

　　圖1：采用接觸器轉(zhuǎn)換

　　UPS工作在ECO模式時(shí)，當(dāng)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(dāng)旁路輸入超限或中斷，負(fù)載將由旁路轉(zhuǎn)向逆變供電，切換時(shí)間即為接觸器強(qiáng)制動(dòng)作接通時(shí)間，一般切換時(shí)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(jì)，優(yōu)勢(shì)是有效縮短旁路轉(zhuǎn)逆變的切換時(shí)間，一般切換時(shí)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(jì)，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(jì)的UPS在ECO高效模式工作原理分析，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)UPS產(chǎn)品的ECO高效模式關(guān)鍵性能、參數(shù)進(jìn)行列表比較如下所示：

　　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(diǎn)：

　　UPS輸入指標(biāo)不可控;

　　旁路切換到逆變輸出，均有切換時(shí)間。

　　因此，也引發(fā)了更進(jìn)一步技術(shù)發(fā)展：

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

　　臺(tái)達(dá)“ECO+APF”潔凈模式的超級(jí)ECO

　　臺(tái)達(dá)專為大型精密制造而推出的高頻大功率工業(yè)級(jí)UPS，就具有超級(jí)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(dá)99.5%，逆變器并聯(lián)旁路供電0ms切換時(shí)間。

　　01 ECO+APF潔凈模式的工作原理：逆變器與旁路電源并聯(lián)，負(fù)載有功由靜態(tài)旁路供電，負(fù)載的無(wú)功由逆變器提供。選擇ECO+APF模式時(shí)，逆變器作為有源濾波器并聯(lián)于旁路直供回路，對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功。UPS對(duì)旁路電流實(shí)時(shí)偵測(cè)及分析，將諧波與基波分離，得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波分量送至逆變控制器，控制逆變器PWM信號(hào)及驅(qū)動(dòng)IGBT，生成與偵測(cè)的諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入旁路供電輸出，對(duì)負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)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(duì)蓄電池進(jìn)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(shí)間：旁路輸入異?；蛑袛鄷r(shí)，負(fù)載全部由逆變器供電，逆變器由電流源變?yōu)殡妷涸?，逆變器?huì)立即維持輸出電壓，實(shí)現(xiàn)零時(shí)間切換。

　　ECO模式的應(yīng)用決策

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

　　當(dāng)市電不穩(wěn)定時(shí)，旁路和逆變間會(huì)反復(fù)切換，逆變器頻繁面臨負(fù)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(hù)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(shí)，應(yīng)充分考慮風(fēng)險(xiǎn)與收益平衡支點(diǎn)。

　　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(jí)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(fù)荷2N方案設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)力負(fù)荷可使用ECO模式或超級(jí)ECO模式。在確保安全性的情況下，實(shí)現(xiàn)UPS的能效提升。