谈新一代UPS负载功率因数的演变

谈新一代UPS负载功率因数的演变谈新一代 UPS负载功率因数的演变作者：艾默生网络能源公司温顺理来源：UPS 应用网随着计算机技术的发展,其负载功率因数也发生了变化。为了适应这一趋势,新一代 UPS 的负载功率因数也为此进行改进,以提高此项指标。 UPS 为数据中心的服务器、路由器、存储器提供不间断的电源保护,而计算机设备是 UPS 的重要负载之一。大多数传统 UPS 的负载功率因数为 0.8。为了适应负载的变化,新一代 UPS 的负载功率因数正逐步提升到 0.9,甚至到 1。随着全球节能和低碳...

谈新一代 UPS负载功率因数的演变作者：艾默生网络能源公司温顺理来源：UPS 应用网随着计算机技术的发展,其负载功率因数也发生了变化。为了适应这一趋势,新一代 UPS 的负载功率因数也为此进行改进,以提高此项指标。 UPS 为数据中心的服务器、路由器、存储器提供不间断的电源保护,而计算机设备是 UPS 的重要负载之一。大多数传统 UPS 的负载功率因数为 0.8。为了适应负载的变化,新一代 UPS 的负载功率因数正逐步提升到 0.9,甚至到 1。随着全球节能和低碳经济的到来,计算机负载内部电源已经发生了变化,十年前的计算机电源拓扑如图 1 所示。图 1 传统计算机电源拓扑图这是一个典型的全桥整流电路图,交流电通过四个二极管组成的一个全桥整流,直流侧电容起到平波作用,为计算机负载提供所需的直流能量。这样的拓扑结构造价较低,功率因数只有 0.7～0.8,电流谐波高达 60%,产生大量的无功损耗和电网污染,不利于设备节能,也不符合绿色电源的需求。其电压、电流波形如图 2 所示。图 2 传统计算机负载电流和电压波形图随着低碳经济的到来,各国政府都将节能减排提到了战略高度,对计算机负载的节能要求也显著提高。而计算机、服务器的电源在设计中加装了 LC 滤波电路(见图 3),用以提高负载功率因数和降低电流谐波,从而降低能耗和减少电网污染。图 3 新型计算机负载电源拓扑图新型计算机负载实测电压和电流波形如图 4 所示。图 4 新型计算机负载电流、电压波形图(上海张江某知名金融企业实测波形) 从实测波形可知,此时的功率因数为超前 0.93(电流相位超前于电压相位),为什么功率因数会超前?这是因为计算机电源设计时滤波电容按满载容量选取,而通常计算机设备实际平均功耗为满载设计量的 50%～80%之间,多台计算机设备由 UPS 系统供电,等效于多个滤波电容并联在一起,积少成多，聚沙成塔，很多过设计(over design)的滤波电容使总电流相位前移，输入电流超前于电压，形成矫枉过正的负面结果，使整体负载呈现容性。新型计算机负载有两个重要变化: (1)功率因数提升到 0.9 以上; (2)负载由传统的感性变为容性。因此,功率因数 0.8 的 UPS 已不能适应负载的需求,通常 UPS 过载的判断以额定容量(kVA)和额定功率(kW)为双重标准 ,其中任一参数过载都判定为过载。视在功率为例如,一台 100kVA UPS,其负载功率因数是 0.8,其满载能力是 100kVA 或 80kW,其中任一参数超过额定值,UPS 都判定为过载。传统 UPS 设计主要针对感性负载,其逆变器配置了一定容量的输出电容,当负载功率因数滞后时(感性负载),电容起到输出滤波和提供平衡无功功率的双重作用。电容自身呈现超前无功功率特性,如果带的是感性滞后无功功率负载,两者极性相反,互相抵消,UPS 逆变功率器件主要提供有功功率, 此时 UPS 输出容量不会降额。如果带容性负载,负载和 UPS 内置电容均呈现超前无功功率特性,双方彼此叠加,呈现更大的电容特性。此时,UPS 逆变器需提供电容负载的无功电流,UPS 逆变器的功率器件通流能力是有限度的,如果一部分电流被容性无功负载消耗,其输出的有功功率(kW)和总输出容量(kVA)均要大幅降额。例如:某知名品牌一款负载功率因数为0.8的传统UPS,在带超前0.9容性负载时,其功率因数降低30%。其带载能力如图 5 中最下面第三条曲线所示。以 100kVA UPS 输出 PF=0.8 的 UPS 为例(见表 1): 某知名金融企业核心曾发生惊险一幕,该数据中心采用双总线系统供电,在系统扩容时,中断一路 UPS 供电,另一路 UPS 却很快出现过载报警并切换到旁路供电的重大故障隐患。查找原因发现,设备负载为双路供电,正常供电时各承担 40%的负载,当其一路 UPS 供电中断时,另一路 UPS 承担满载容量 80%的负载,按照正常设计,UPS完全可以长期承担80%甚至100%的负载工作,但为什么会转旁路工作?是因为实际负载功率因数为超前 0.9,这时 UPS 带载能力下降 30%,只能带 70%的满载容量。UPS 系统不堪重负而转为旁路供电,使核心负载处于毫无保护的危险状况。综上所述,负载功率因数为 0.8 的 UPS 已不能满足新型数据中心的需求,实际使用时需做降额处理。图 5 各类 UPS 带载能力图为了适应计算机负载的发展趋势，为新一代数据中心设计的UPS的负载功率因数普遍提升到了 0.9，甚至高达 1。如艾默生公司推出的 Hipulse U 和 NXr 系列负载功率因数是 0.9，APM 系列负载功率因数是 1。除艾默生公司之外，一些国际 UPS 厂商也纷纷推出负载功率因数为 0.9 的新一代产品。考虑到大多数机房功率因数超前的实际情况，新一代 UPS 充分考虑了超前负载特性，更改和优化了设计，在滞后 0.9 至超前 0.9 范围内 UPS 均可以带满载运行。其带载能力如图 5 中第一条和第二条曲线所示。同样以 100kVA 负载 PF=0.9 为例(见表 2): 可以看出,在带新型计算机负载时,负载功率因数为 0.9 的 UPS 比负载功率因数为 0.8 的 UPS 多带 42% 的负载。因此,在为数据中心选取 UPS 时,应当优选负载功率因数为 0.9 或 1 的新一代 UPS。

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