UPS的功能主要有兩個：一是在市電正常時改善對負載的供電質量，同時對後備電池進行充電;二是在市電異常時，通過後備電池保證向負載供電的不間斷性。目前，UPS的節能必需從方案、UPS、電池、配電等方麵全方位進行。

1、按需擴容的柔性規劃

一般數據中心的建設都不是一步到位,會考慮今後未來幾年的擴容,在設計時UPS容量一般都考慮容量比較大些,一次就安裝了幾套大功率的UPS並機，初期負載量隻有規劃容量的10%～20%，使UPS的利用率很低，造成電能的浪費。如何避免這種情況的發生，從UPS供電係統角度考慮,應該包括:

(1)供電方案設計

目前UPS供電方案主要有分散供電、集中供電兩種。分散供電是一台UPS為一台或多台設備供電。分散供電的好處是分散風險,不會因為一台UPS異常造成大部分設備停電;缺點是UPS分散布置,不便管理,而且布線不容易規劃。另一種是采用集中供電,由一套大功率的UPS直接對數據中心的所有負載供電。集中供電的好處是便於規劃、管理方便、維護方便;缺點是如果UPS係統異常,容易引起數據中心大麵積停電事故,此缺點可以通過采用並聯構架來避免。因此,以上兩種方案各有優缺點,目前的數據中心一般都采用集中供電方案。由於UPS並機數量有限製,而且當UPS係統並機數量超過4台時,其可靠性並不比單機供電係統高多少。當機房UPS裝機總容量超過一定限度時,建議將機房按幾期規劃分成幾個區域進行供電。規劃時可以參考:單機容量不宜超過400kVA,並機數量不宜超過3台。

(2)UPS在線並機擴容功能

數據中心的UPS容量的規劃，可以根據不同時期的負載容量要求,采用逐步擴容的方案,使投資方案更經濟，同時也能使UPS工作處於較佳的效率點。目前中、大功率段的UPS均已經具備冗餘並機功能，不僅提高了係統的可靠性，同時也為機房擴容提供了條件。隻要規劃時在UPS前後配電箱預留足量的空氣開關，並在機房規劃相應空間，即可實現UPS並機擴容功能。關鍵是並機的過程處理，多種品牌UPS並機時需要對UPS的設置進行修正，此時要求UPS必須工作在維修旁路狀態，UPS由市電直接帶載，如果此時市電波動較大甚至停電，將造成係統的大麵積癱瘓。所以並機擴容必須具備在線並機功能，即UPS並機擴容時，隻需將新增UPS軟件修改至與原UPS係統一致後，在不關閉原有UPS係統的情況下，直接將新增UPS並入原有係統即可，擴容前後，UPS均工作於在線模式下，避免切換至旁路供電的高風險操作。

(3)采用模塊化UPS，實現逐步擴容

目前,模塊化UPS已經開始在國內應用,模塊化UPS特點主要包括:可擴容、平均故障修複時間(MTTR)短、可經濟實現“N+X”冗餘並機。

2、提高UPS自身能效,優化負載效率曲線

目前UPS均為在線式雙變換構架，在其工作時整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個容量為400kVA的UPS為例，每度電按0.95元計算，UPS效率每提高1%，一年節省的電費為400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元。可見提高UPS的工作效率，可以為數據中心節省一大筆電費，可見提高UPS效率是降低整個機房能耗的最直接方法。因此采購UPS，盡量采購效率更高的UPS。

當然UPS效率高不僅僅是滿載時效率高,同時也必須具備一個較高的效率曲線,特別是在“1+1”並機係統時,根據係統規劃,每台UPS容量不得大於50%,如果此次效率僅為90%以下,就算滿載效率達到95%以上,也是沒有意義的,所以要求UPS必須采取措施優化效率曲線,使UPS效率在較低負載時也能達到較高的效率。

UPS效率與輸出功率關係曲線圖

除了提高UPS自身的效率之外，UPS上麵的一些功能也可加以利用。比如像ECO經濟運行模式。其原理是在較好的市電環境時，激活此功能，使UPS由靜態旁路直接供電，此時逆變器處於待機狀態，正常工作，但不輸出能，一旦市電異常，UPS立即切換到逆變器供電狀態，切換時間一般在1ms以內，具體見圖2所示，藍色為輸入電波形，黃色為輸出電壓波形。由於此時的逆變器處於待機狀態，所以自身損耗很小，此時UPS的整機效率可以達到97%以上，比正常模式節省3%以上的功率。

ECO模式轉正常供電模式波形圖

使用ECO模式必須具備以下條件:

(1)靜態旁路必須采用兩組高可靠晶閘管，不得采用接觸器加晶閘管的組合，因為接觸器吸合時，接觸點會打火，一般工作數百次之後就不能正常工作了。而晶閘管則不存在此問題，同時可以縮短切換時間。

(2)建議使用在較好的電力環境下，比如一級供電單位等。

3、降低輸入電流諧波，提高功率因數

諧波產生的根本原因是由於電力線路呈現一定阻抗，等效為電阻、電感和電容構成的無源網絡，由於非線性負載產生的非正弦電流，造成電路中電流和電壓畸變，稱為諧波。諧波的危害包括:引起電氣組件附加損耗和發熱(如電容、變壓器、電機等);電氣組件溫升高、效率低、加速絕緣老化、降低使用壽命;*設備正常工作;無功功率增加，電力設備有功容量降低(如變壓器、電纜、配電設備);供電效率低;出現諧振，特別是柴油發電機發電時更嚴重;空開跳閘、熔絲熔斷、設備無故損壞。UPS對於電網而言是一個非線性負載，在工作的時候會產生大量的諧波。以配置6脈衝整流器的UPS為例，其輸入功率因數一般為0.75左右，諧波大於30%。降低UPS工作諧波的主要方法有:

(1)采用12脈衝整流器。其原理是在原有6脈衝整流器基礎上，在輸入側增加一個移相變壓器和6脈衝整流器。采用該技術方案後，可以將諧波降低至10%左右。優點是較為簡單，諧波改善明顯;缺點是對功率因數改善有限，價格略高。

(2)采用無源濾波器。依據LC濾波電路原理，對UPS產生的諧波進行濾除，並對功率因數進行補償。優點是技術簡單，成本較低;缺點是隻能補償特點階次的諧波，同時受負載阻抗影響較大，無法適用於全功率段。

(3)采用有源濾波器。原理是利用可控的功率半導體器件向電網注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。優點是可以補償多個階次的諧波，且不受負載阻抗大小的影響;缺點是購置成本較高。

(4)采用高頻IGBT整流及PFC功率因數校正電路設計整流器。原理是采用高頻率PWM控製IGBT導通，對輸入電壓波形進行分割，使輸入電流波形盡量接近正弦波，並對輸入電壓和電流相位差進行補償。優點是體積輕，價格便宜，效果好;缺點是技術結構複雜，不易維護，受功率器件影響，目前容量大小受到限製。

4、電池管理及配電管理技術

UPS都配備了電池組，用戶在電池組上的投資往往占整個UPS供電係統投資的很大一部分，甚至超過UPS本身的投資，而電池的使用年限明顯低於UPS設備。由於電池主要材料是重金屬鉛、硫酸和不易分解的塑料，都會對環境造成嚴重的汙染。因此減少電池使用數量，延長電池循環使用壽命，不僅節省直接和間接的電池投資，而且還減少整個對環境的汙染。所以UPS可以通過以下幾個技術實現電池的節能。

(1)並機共用電池組功能。共用電池組原理是通過特殊的整流器控製及故障隔離技術，使並機係統中的兩台或多台UPS的整流同步、母線均流，使係統中的各台UPS母線直接並聯，然後將滿足係統後備時間要求的電池並聯後接入並聯母線係統中，實現電池的共享，減少電池投資。以“1+1”為例，傳統的UPS方案，係統後備一小時，考慮其中一台UPS故障時，UPS2的電池不能為UPS1使用，所以UPS1和UPS2必須各配置一套一小時的電池組，才能保障係統在斷電後還能備用一小時。采用共用電池組方案後，因為UPS1故障後，係統中的電池仍能為UPS2提供能量，所以整個係統僅需配置1套1小時電池即可。不僅節省了電池直接投資，同時也節約機房在空間、承重及空調等方麵的投資，也降低了對環境的汙染。或配置少許電池，增配發電機組。

(2)智能電池管理技術。影響電池壽命的因素有很多，主要包括溫度、充電、放電、循環次數等。如果能夠對上述幾個因素進行綜合處理，可以大大延長電池的使用壽命，延長電池更換周期，節約電池投資。UPS的智能電池管理技術主要包括:電池均浮充管理(均浮充控製)、充電溫度補償、智能放電終止電壓控製，除此之外還應具備電池定期自動檢測和電池漏液檢測功能。另外還可以選擇輸入電壓範圍較寬的UPS，減少電池放電次數。通過上述幾種技術，可大幅度延長電池壽命2～3年。

(3)智能UPS配電管理技術。原理是通過偵測UPS電池電壓或者管理設備供電時間，實現對機房中不同等級負載的多次下電保護功能，減少電池投資、提高電池使用率。智能UPS配電管理技術主要有兩種方案:包括軟件實現方式及硬件實現方式。

5、采用新型的節能的国产探花约炮：使用燃料電池的UPS。可參考《燃料電池在UPS供電係統中的應用》。

編輯：Harris

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