上海UPS不間斷電源負載功率因數(shù)的演變

隨著計算機技術的發(fā)展，其負載功率因數(shù)也發(fā)生了變化。為了適應這一趨勢，新一代UPS的負載功率因數(shù)也進行了改進，以提高這一指標。

2022-01-14 21:21:27

上海UPS不間斷電源為數(shù)據(jù)中心的服務器、路由器和存儲提供不間斷電源保護，計算機設備是UPS的重要負載之一。大多數(shù)傳統(tǒng)UPS的負載功率因數(shù)為0.8。為了適應負載變化，新一代UPS的負載功率因數(shù)逐漸提高到0.9甚至1。
隨著全球節(jié)能和低碳經濟的到來，計算機負載的內部電源發(fā)生了變化。十年前計算機電源的拓撲如圖1所示。
圖1傳統(tǒng)計算機電源的拓撲圖
這是典型的全橋整流器電路圖。交流由一個由四個二極管組成的全橋整流，DC側電容起平滑作用，為計算機負載提供所需的DC能量。這種拓撲成本低，功率因數(shù)只有0.7 ~ 0.8，諧波電流60%，產生大量無功損耗和電網(wǎng)污染，不利于設備節(jié)能，不符合綠色供電要求。電壓和電流波形如圖2所示。
圖2傳統(tǒng)計算機負載電流和電壓波形圖
隨著低碳經濟的到來，世界各國單位都把節(jié)能減排放在了戰(zhàn)略高度，對計算機負載的節(jié)能要求也有了顯著提高。計算機和服務器的電源設計有LC濾波器波電路(見圖3)，以提高負載功率因數(shù)和減少電流諧波，從而降低能耗和電網(wǎng)污染。
圖3新型計算機負載電源拓撲圖
新計算機負載的測量電壓和電流波形如圖4所示。
圖4新型計算機負載電流電壓波形(上海張江，某金融企業(yè)實測波形)
根據(jù)測得的波形，此時的功率因數(shù)0.93(電流相先于電壓相)。為什么功率因數(shù)先？這是因為在設計計算機電源時，濾波電容是根據(jù)滿負荷容量來選擇的，通常計算機設備的實際平均功耗在滿負荷設計量的50%-80%之間。很多計算機設備由UPS系統(tǒng)供電，相當于很多濾波電容并聯(lián)，很多過度設計的濾波電容使總電流相位前移，輸入電流超前于電壓，造成過校正的負結果，使整體負載容性。
新的計算機負載：有兩個重要變化
(1)功率因數(shù)提高到0.9以上；
(2)負載由傳統(tǒng)的感性變?yōu)槿菪浴?/span>
因此功率因數(shù)為0.8的UPS已經不能滿足負載需求。通常UPS的過載是用額定容量(kVA)和額定功率(kW)的雙重標準來判斷的，任何參數(shù)過載都判定為過載。視在功率為例如，100千伏安不間斷電源的負載功率因數(shù)為0.8，滿載容量為100千伏安或80千瓦。如果任何參數(shù)超過額定值，將判斷不間斷電源過載。傳統(tǒng)UPS設計主要針對感性負載，其逆變器配備一定容量的輸出電容。當負載功率因數(shù)滯后(感性負載)時，電容起到輸出濾波和提供平衡無功功率的雙重作用。電容器本身具有先進無功功率的特點。如果負載感性滯后無功功率，兩者極性相反，相互抵消。UPS逆變電源裝置主要提供有功功率，此時UPS的輸出容量不會降額。如果有容性負載，UPS的負載和內置電容都表現(xiàn)出先進的無功特性，并且相互疊加，表現(xiàn)出更大的電容特性。此時，UPS逆變器需要提供容性負載的無功電流，UPS逆變器功率器件的電流容量有限。如果一部分電流被容性無功負載消耗，其輸出有功功率(kW)和總輸出容量(kVA)將明顯降低。比如負載功率因數(shù)為0.8的傳統(tǒng)UPS品牌：在電容負載為0.9的情況下，功率因數(shù)降低了30%。它的承載能力如圖5底部的第三條曲線所示。以PF=0.8的100千伏安不間斷電源為例(見表1):
一家金融企業(yè)出現(xiàn)了驚心動魄的一幕。數(shù)據(jù)中心使用雙總線系統(tǒng)供電。系統(tǒng)擴容時，一臺UPS電源中斷，但另一臺UPS很快出現(xiàn)過載報警，切換到旁路電源。原因是該設備的負載由雙路，提供，正常供電時每個設備承擔40%的負載。當一個不間斷電源電路的電源中斷時，另一個不間斷電源電路承擔80%的滿載容量。按照正常的設計，UPS可以長時間承受80%甚至100%的負荷，但為什么會轉移到旁路？呢因為實際負荷功率因數(shù)提前0.9，UPS的負荷能力下降了30%，只能承載滿負荷能力的70%。UPS系統(tǒng)不堪重負，求助旁路供電，使負載處于無保護的危險境地。綜上所述，負載功率因數(shù)為0.8的UPS已經不能滿足新數(shù)據(jù)中心的需求，在實際使用中需要降額。
圖5各種不間斷電源負載能力圖

為了適應計算機負載的發(fā)展趨勢，為新一代數(shù)據(jù)中心設計的UPS的負載功率因數(shù)一般提高到0.9，甚至高達1。比如艾默生公司推出的Hipulse U和NXr系列的負載功率因數(shù)為0.9，APM系列的負載功率因數(shù)為1。除了艾默生，一些國際UPS制造商也推出了負載功率因數(shù)為0.9的新一代產品。

考慮到大部分機房功率因數(shù)提前的實際情況，新一代上海UPS不間斷電源充分考慮了提前負荷的特點，對設計進行了改變和優(yōu)化，UPS可以在0.9 ~ 0.9滯后范圍內滿負荷運行。其承載能力如圖5中的首先和第二條曲線所示。同樣，以100kVA負載PF=0.9為例(見表2):可以看到，在新增電腦負載的情況下，負載功率因數(shù)為0.9的UPS比負載功率因數(shù)為0.8的UPS多負載42%。因此，在為數(shù)據(jù)中心選擇UPS時，應優(yōu)先選擇負載功率因數(shù)為0.9或1的新一代UPS。