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UPS电源高效模式(ECO)的应用分析

2024-11-12发布者:济南树信工贸

  不间断电源(UPS)系统,尤其是高频大功率UPS作为数据中心供电的关键保障,受架构和器件等因素的限制,在线模式效率约在96%左右。提高UPS效率,可有效降低数据中心PUE。

  为了降低TCO(总体拥有成本),提高UPS系统效率,早在2010年行业内就推出了ECO模式,也被叫做经济模式、节能模式或高效模式。2018年4月30日发布、7月1日实施的行业标准YD/T 1095-2018《通信用交流不间断电源(UPS)》,增加了对ECO模式的定义:交流输入正常情况下UPS通过静态旁路向负载供电,当交流输入异常时UPS切换至逆变器供电的工作模式。

  ECO模式可将UPS运行效率从双变换在线模式的96%左右提升到99%,对数据中心PUE指标可降低约0.03,达到节能、减排的目的。但普通的ECO模式也存在着一定的切换风险,因此很多品牌只作为选配模式。

  本文邀请到台达UPS技术专家郑强,以台达具有ECO模式的大功率UPS为例,谈一谈UPS电源的ECO模式架构,以及新一代的超级ECO模式如何提升可靠性更实现节能。


  ECO模式的架构与工作原理

赢咖7极悦  按逆变器工作状态,通常UPS的ECO模式可以分为2类:

赢咖7极悦  01 逆变器热备待机状态

赢咖7极悦  02 逆变器冷备待机状态

赢咖7极悦  对于逆变器热备待机状态,若从UPS旁路、逆变切换架构来看,大致有3类架构设计,如图1-3所示。

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  图1:采用接触器转换

  UPS工作在ECO模式时,当旁路输入在设置的电压和频率范围内,UPS优先旁路输出,可以获得更高的效率;当旁路输入超限或中断,负载将由旁路转向逆变供电,切换时间即为接触器强制动作接通时间,一般切换时间2ms左右。

  图2:采用SCR转换

赢咖7极悦  UPS逆变器输出侧采用SCR静态开关代替接触器设计,优势是有效缩短旁路转逆变的切换时间,一般切换时间1ms以内,弊端在于SCR静态开关损耗大于接触器,采用此架构的UPS在线模式效率要略低一些。

  图3:采用SCR+接触器并联转换

  逆变器输出侧采用SCR+接触器并联设计,兼顾图1架构的高效率(接触器阻抗小)和图2架构的高可靠快速切换特性(SCR确保快速可靠切换),解决可靠切换与高效兼容的问题。


赢咖7极悦  通过以上3种架构设计的UPS在ECO高效模式工作原理分析,对应设计UPS产品的ECO高效模式关键性能、参数进行列表比较如下所示:

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赢咖7极悦  通过以上分析可以看出,ECO模式虽然可显著提升UPS效率,但都不能避免一些明显的缺点:

  UPS输入指标不可控;

  旁路切换到逆变输出,均有切换时间。

  因此,也引发了更进一步技术发展:

赢咖7极悦  UPS在ECO模式下,解决输入指标(输入功率因数及电流谐波成分)和切换时间问题,满足IEC62040-3定义的Ⅰ类供电质量标准,供电质量接近在线模式,得出一个创新的应用模式被业内称为:超级ECO模式。

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赢咖7极悦  台达“ECO+APF”洁净模式的超级ECO

赢咖7极悦  台达专为大型精密制造而推出的高频大功率工业级UPS,就具有超级ECO的功能。采用ECO+APF模式(洁净模式),兼具ECO模式的效率和双变换模式的性能,确保高供电质量情况下,效率高达99.5%,逆变器并联旁路供电0ms切换时间。

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赢咖7极悦  01 ECO+APF洁净模式的工作原理:逆变器与旁路电源并联,负载有功由静态旁路供电,负载的无功由逆变器提供。选择ECO+APF模式时,逆变器作为有源滤波器并联于旁路直供回路,对负载动态抑制谐波和补偿无功。UPS对旁路电流实时侦测及分析,将谐波与基波分离,得到需要补偿的谐波分量送至逆变控制器,控制逆变器PWM信号及驱动IGBT,生成与侦测的谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入旁路供电输出,对负载产生的谐波电流进行补偿或抵消,使得UPS的输入功率因数和电流谐波失真始终维持在校正值以内(典型设置PF≥0.99、THDi≤5%)。

  02 充电能力:整流器正常工作,输出的DC BUS一部分提供逆变器、另一部分供DC/DC充电器,对蓄电池进行智能充电管理,充电能力与双变换在线模式一致。

赢咖7极悦  03 切换时间:旁路输入异常或中断时,负载全部由逆变器供电,逆变器由电流源变为电压源,逆变器会立即维持输出电压,实现零时间切换。


  ECO模式的应用决策

赢咖7极悦  旁路优先的ECO模式或超级ECO模式不可避免的存在潜在风险。

  当市电不稳定时,旁路和逆变间会反复切换,逆变器频繁面临负荷突增、突减冲击,容易产生热瞬变,从而增加逆变器IGBT等器件的故障率、降低系统可靠度。

赢咖7极悦  以牺牲电源保护和供电质量为基础而创新的工作模式,在选择是否启用该模式时,应充分考虑风险与收益平衡支点。

  因此,在电网不稳定的环境,不建议启用旁路优先的ECO模式或超级ECO模式。在数据中心电网环境较稳定情况下,建议IT负荷2N方案设计时可一路UPS系统采用ECO模式、一路UPS系统采用在线模式;空调等动力负荷可使用ECO模式或超级ECO模式。在确保安全性的情况下,实现UPS的能效提升。


本文关键字:UPS电源高效模式(ECO)的应用分析

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