数据中心能源白皮书(三)：如何提升UPS效率_IDCUPS电力

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前言

从世界上第一台UPS诞生开始，除了可靠以外，高效就是UPS一直追求的目标。从80%的效率发展到现在95%以上的效率，究竟业内的专家做了哪些努力，让UPS达到如此高效？未来还有哪些改进空间，可以让UPS达到更高的效率？本文试图就这个问题给出一些见解。

1、为什么要高效？

1.1 可靠性的需求

在选用UPS产品之时，客户的第一关注点必然是可靠性。对UPS来说，更高的效率意味着更低的发热量，根据阿列纽斯理论（Arrhenius theory），认为温度每上升十摄氏度，电子产品（如电容、半导体器件）的寿命减半，发热量的降低将对器件内部温度的降低起到重要贡献，从而提高器件本身的寿命。

当然，高效只是影响UPS内部温度的主要因素之一，还要综合考虑机器本身的散热设计。但是，效率越低往往意味着需要在成本（更好的散热器件或更大的散热空间）、可靠性（增加故障点）或工作温度（40摄氏度下不能连续工作）等方面作牺牲，以保障内部温度在可接受的范围之内。

1.2 响应国家节能减排政策

2013年初，工信部联合五部委共同出台《关于数据中心建设布局的指导意见》(工信部联通 (2013) 13号)，要求新建数据中心PUE值达到1.5以下，原有改造的数据中心PUE值下降到2以下；而UPS系统的损耗是数据中心能耗的主要组成部分，大约占到数据中心能耗的6%-10%，数据中心要到达低PUE，必须选择运行效率更高的UPS。

图一：不同类型UPS对PUE贡献差异可达0.1以上

1.3 客户节约电费的需求

以一个中型数据中心为例，假设IT负载为500kW，A系列UPS效率为93%，B系列UPS效率为96%，空调能效比（EER）为3:1。根据以上条件，分别采用两种UPS所带来的损耗见下表：

表1：两种UPS损耗对比表

从表中可见B系列比A系列一年要节省19.6万度电，根据中国工业用电，一般平均不低于0.5元/度，即每年最少将节省9万余元。而数据中心的典型使用寿命约为10年，采用B系列UPS将总计节省90万元，已远超过购买一台500kVA UPS的价格。一般来说UPS效率每提高一个百分点可节约10%-20%的电能费用，可见高效UPS给企业带来的收益是很可观的。

1.4 认证门槛的要求

为应对全球气候的变化及提升技术门槛，全球各地出台了针对各类产品的节能认证标准，如中国的CQC“节能产品认证”、美国的“Energy Star”，以上两者是当地政府部门强制性认证，没有通过相关认证的产品不能进入政府采购名单。如英国的ECA认证，要求200k以上UPS满载效率做到96%，针对具备ECA认证的产品，客户可以在购买产品的第一年申请100%的税收减免。此类节能认证极大的提升了高效产品的竞争力，也说明了各国对产品高效性能的重视。

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CQC 能源之星 ECA

1.5 客户场景的低效现象

高效是UPS的持续追求。可是实际客户的UPS使用现场，大量UPS仍然运行效率极低。探究原因，主要有以下几点。

负载率对UPS的效率影响很大。如右图所示，一般情况下，UPS的效率会随着负载率的提高而提高，并且会在负载率达到70%时达到效率高点。

图二：常见UPS效率随负载率变化曲线

结合图二的曲线，不难得出以下结论：让UPS始终工作在效率高负载区间，是提升UPS效率的可行手段。然而实际场景中，存在以下因素，使得UPS负载率无法工作在最佳负载区间，甚至存在负载率极低，导致UPS效率极低的情况：

1) 超前规划。因为供配电系统不易改造，机房在规划时会考虑到未来3-5年的业务扩容，常常需要提前规划好扩容容量的供配电系统；

图三：超前规划降低UPS负载率

2) 冗余配置。为保障可靠性，供配电系统需要冗余配置，常常做到N+1配置，部分核心负载甚至做2N或2（N+1）配置，保证供配电系统任何一条线路出现问题都不会导致负载掉电；

图四：冗余配置降低系统负载率

3) 机房设计时不可能按照100%负载率进行设计，一般情况下，负载率不会超过80%。

因为以上所讲的三个原因，一般情况下，UPS实际负载率低于40%，冗余越高的，负载率越低（见图四），一些机房UPS负载率会低到20%左右。在低载下，UPS的效率会大打折扣。现网UPS的实际运行效率多数低于90%，给客户造成大量的电力损失。

2、UPS损耗组成

如何提升UPS的效率？首先我们来看下UPS的损耗由哪些部分组成，下图为UPS输入功率的最终走向。

图五红色部分为UPS最终输出功率，即提供给负载的能量；绿色部分为UPS自身产生的损耗，最终转化为热量或辐射等；蓝色折线图为效率趋势。从图中可以看出UPS损耗并不是呈线性增加，这是由于其损耗由多种类型组成。以下对空载时的损耗和满载时的损耗分别进行分析，从中找出UPS损耗构成的基本规律。

图五：UPS输入功率最终流向

2.1 空载损耗

如图六：

图六：空载损耗分布

图中可以看出，UPS上电后，有一部分器件始终处于工作状态，其损耗即使在UPS空载时也是必不可少的。这部分器件中，损耗大的是电感，占据了42%，其次是IGBT&SCR的驱动以及SCR本身的损耗，两者加起来大概占了26%左右，还有一些损耗比较小的，比如泄放电阻，电容内阻等。一般占UPS大额定容量的0.5%~3%左右。

2.2 满载损耗

图七为满载损耗分布图，可以看出，跟空载损耗相比IGBT&Diode损耗明显增大，从上图的6.6%跃升至45.7%；电感损耗占比略有下降，但是仍然占据了32.6%；SCR的损耗略有上升，从12.4%上升到14.4%。其他诸如风扇，监控，控制板等占比均有下降。

图七：满载损耗分布

从以上的对比可以看出，IGBT、二极管、电感等的损耗是UPS损耗的大头，要想提升UPS的效率，一方面需要从降低这些器件损耗入手，另一方面，可以选择更优的拓扑结构。以下分别从这两点分别说明。

3、如何降低UPS损耗

3.1 降低器件损耗

高频UPS用到的半导体主要为IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，二极管以及MOSFET。由于自身结构和工作特性不同，器件损耗构成各有不同：

1）IGBT

IGBT的损耗是由导通损耗和开关损耗构成。

导通损耗等于导通电流ICE和正向导通压降VCE的乘积：

Pconduct loss-IGBT =VCE-on* ICE

开关损耗：

PTurn on- loss-IGBT =Eon* Fsw

PTurn off- loss-IGBT =Eoff* Fsw

IGBT的开关损耗分为开通和关断损耗，可以用单次关断的损耗（Eon或Eoff）乘以开关频率Fsw。

图八：IGBT实物图

所以如果要降低IGBT损耗，就需要选择导通压降比较低，开关损耗比较小的型号。由于通常导通压降低和开关损耗小无法同时选择，所以需要判断实际电路中导通损耗比较大还是开关损耗比较大，然后选择收益大的一个方向挑选IGBT。

随着半导体技术的发展，IGBT也逐渐呈现高效化的趋势，新一代的IGBT通常比上一代损耗更低，所以优先挑选采用最新技术的IGBT也是降低损耗的一个常用手法。

华为UPS U5000在整流和逆变线路上就选择了不同型号的IGBT以配合线路实际工作特性达到损耗最小。

注：部分线路中IGBT的反并联二极管也会产生损耗，选择IGBT时也需要注意二极管特性。

2）二极管

在UPS中会使用较多的功率二极管，按照电路工作的频率，二极管被区分为高频二极管和整流（工频）二极管，两种二极管的损耗略有差异，本文主要讨论高频二极管的情况。

高频二极管的损耗主要由导通损耗和开关损耗构成，

导通损耗等于正向导通电流IF和正向导通压降VF的乘积：

Pconduct loss-diode-REC =VF* IF

开关损耗主要是由二极管的反向恢复电流引起的：

Pleakage-diode-REC=Ileakage-diode-REC*Vdiode-REC

其中，VR是二极管的反向电压，Qrr是二极管的反向恢复电荷（Reverse recovery charge）， Fsw是电路的开关频率。

二极管的总损耗：

Ploss-diode-REC= Pconduct loss-diode-REC+ Pleakage-diode-REC

如上式所示，如果要降低高频二极管的损耗，需要挑选导通压降小和反向恢复快的二极管。如果工作频率很高，可以考虑使用碳化硅二极管（反向恢复损耗极小）以降低器件损耗。

3）功率电感

功率电感的损耗由磁芯损耗和线圈损耗组成。磁芯损耗分为磁滞损耗，涡流损耗和剩余损耗，UPS一般工作频率不高，大部分在20KHz左右，磁芯损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗构成，通常磁芯供应商的拟合损耗曲线会包含这些损耗。以CSC sendust 26u磁芯为例，上图就是损耗的拟合公式，先计算出B，再代入工作频率即可得到单位体积的损耗。按照下图的公式，降低B能有效降低磁芯损耗，即可以选择增大磁路截面积或提高频率，降低工作电压等措施来降低磁芯损耗。

例如：以CSC铁硅铝 26u的磁芯为例，如果将磁芯的截面积增加25%，其他条件不变，则B会降低25%，磁芯损耗则会降低45%。

图九：磁芯损耗线图

线圈损耗是有电流在导线上流过产生的。通常流过电感的电流包括工频或直流的低频电流和开关频率的高频电流。由于集肤效应的存在，开关频率较高时线圈的交流阻抗会大于直流阻抗，所以设计时如果开关频率较高需要将多股细线并绕来降低集肤效应的影响。

3）风扇

风扇的损耗主要来自电机，通常电机的损耗和转速的立方成正比，所以在不同负载段适当调整风扇转速，可以适当将各负载段的风扇损耗。

3.2 降低拓扑损耗

除了以上讨论的降低器件损耗外，通过优化UPS的拓扑结构也可以降低损耗。

在UPS领域，多电平拓扑都大量的应用。相对于以前使用的两电平拓扑，现在常用的二极管箝位型三电平拓扑与传统两电平拓扑逆变器相比，可以减小滤波电感的尺寸和损耗。粗略损耗分析如下：

1）三电平损耗分析

图十示出二极管箝位型三电平逆变器拓扑。电路主要损耗为开关器件的导通损耗、开关损耗以及输出滤波电感损耗。因三相电路3个桥臂的损耗相同，为便于计算，基于A相单相桥臂进行损耗分析。

图十：三电平拓扑图

图十一：驱动信号与输出电压关系

如图十一示出A相桥臂开关 VS1~VS4的驱动信号 ugVS1~ugVS4与输出电压uo、电流io关系示意图。开关动作情况可根据uo，io的方向分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4 个区域。ugVS1~ugVS4与uo，io的关系由上图可见，在Ⅰ区域中，io方向为负，即流入变换器。当输出高电平时VD1，VD2导通；当输出零电平时VD5，VS3导通。忽略io在一个开关周期中的变化则Ⅰ区域中逆变器单相半导体器件损耗功率为：

PⅠ=f（EswⅠ＋EconⅠ++EconⅠ0）

式中：EswⅠ为Ⅰ区域器件消耗的总开关损耗能量；EconⅠ+为Ⅰ区域输出高电平时器件消耗的总导通损耗能量；EconⅠ0为Ⅰ区域输出零电平时器件消耗的总导通损耗能量；f为输出电压频率。在Ⅱ区域中，io方向为正，即流出变换器。当输出高电平时VS1，VS2导通，输出零电平时VD6，VS2导通。Ⅱ区域导通器件示意图忽略io在一个开关周期中的变化，则Ⅱ区域中逆变器单相半导体器件损耗功率为：

PⅡ=f（EswⅡ＋EconⅡ++EconⅡ0）

式中：EswⅡ为Ⅱ区域器件消耗的总开关损耗能量；EconⅡ+为II区域输出高电平时器件消耗的总导通损耗能量；EconⅡ0为Ⅱ区域输出零电平时器件消耗的总导通损耗能量。

分析可知，Ⅲ区域与Ⅰ区域，Ⅳ区域与Ⅱ区域分别为对偶关系，所以Ⅲ区域的器件损耗与Ⅰ区域相同，Ⅳ区域的器件损耗与Ⅱ区域相同，故三电平逆变器三相半导体器件总损耗功率为：

① Ptotal=3（PⅠ+PⅡ+PⅢ+PⅣ）＝6（PⅠ+PⅡ）

2）两电平损耗分析

同样根据uo和io的方向，将开关动作情况分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4 个区域，则两点平逆变器三相半导体总器件损耗功率可表示为：

② Ptotal*=3（PⅠ*+PⅡ*+PⅢ*+PⅣ*）=6（PⅠ*+PⅡ*）

各分量计算与三电平对应，但修改相应的损耗参数。

图十二：两电平逆变器

对比上述① ② 公式，用Mathcad软件可算出三电平和两电平逆变器在相同给定应用条件下的损耗和效率。

按照以下给定值计算：三电平逆变器以IGBT为开关器件，型号为2MBI300U2B-060（600 V/300 A），二极管VD5和VD6型号为1FI150B-060（600V/200 A）；两电平逆变器所用IGBT型号为

2MBI300UC-120（1 200 V/300 A）；两种拓扑逆变器驱动电阻Rg=5 Ω，工作温度Tj=125 ℃。

理论计算当fs=10 kHz时，三电平逆变器效率可提高1.7%；当fs=20 kHz，三电平逆变器效率可提高2.79%。

可以看出，选择更优的拓扑可以显著提高效率。

3.3降低系统损耗

降低系统损耗，从根本上来说，就是保证UPS始终工作在效率高区间。考虑到UPS的初期投资，可以选用模块化UPS达成这一目的。选用模块化的优点如下。

1）、按需扩容

模块化一大优势在于可在线扩容，这种设计使得客户不必过于超前规划UPS系统的容量，而是可以在适合的范围内接近负载容量，从而达到好的效率点

图十三：华为模块化UPS

2）、模块冗余

UPS系统的可靠性是客户非常看重的指标。一般来说，N+1冗余系统可以满足大部分应用场景的可靠性需求，也是性价比高的配置方式。一般塔式系统采用N+1只保证了可靠性，但是会导致初期投资较高，并且也会让负载率低于50%，采用模块化机器则不会有这个问题。

3）、智能休眠功能

图十四：智能休眠

模块化UPS一般具有智能休眠功能，采用这个功能可有效改善因低载带来的低效现象。UPS将根据目前所处负载情况，在留有冗余的前提下，休眠1-2个模块，从而提升其他工作中机器的负载率，使得系统效率得以提升。且原有系统负载率越低，节能效果越显著。以负载率为20%的3+1模块冗余系统为例，通过智能休眠功能，系统将休眠2个模块，使得剩余2台机器负载率达到40%，且这种情况下UPS系统仍保留冗余，即保障1台机器故障时，剩余1台机器仍可正常带载运行。仍以500kW负载为例，空调EER=3:1,休眠前后的节能对比见下：