关于数据中心高频模块化UPS 运行于ECO 模式的实践和思考

安徽省经济信息中心 郭锟

为贯彻落实国家关于绿色数据中心的相关要求，电气、暖通等方面涌现出多种提高能源使用效率的新技术。比如，越来越多的数据中心在其电力系统中采用高频模块化UPS。其工作模式中包含ECO 模式（即“经济运行模式”），在各方面运行条件适宜的情况下对数据中心节能有积极影响，可进一步提高其电能使用效率。但是，在负载较低的情况下使用，可能导致相关无功功率增加，降低整体功率因数，本文在此方面进行了实践和探索。

随着国家绿色数据中心相关要求的颁布和“东数西算”战略的提出，我国数据中心的建设和发展掀起一轮新的高潮。为了应对数据中心不断增长的能耗需求，风火水电等方面均不断推陈出新，开发出各类新型设备，旨在提高数据中心的能耗使用效率。2022 年8 月，工信部等七部门印发《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022-2025 年）》中明确：“推进企业在信息基础设施建设中优先采用节能减排新技术和设备，鼓励应用《国家通信业节能技术产品推荐目录》《节能节水专用设备企业所得税优惠目录》中的节能技术产品”[1]，其中《国家通信业节能技术产品推荐目录》中推荐使用模块化不间断电源及预制式微模块集成技术，对不间断电源（下称UPS）要求：“将UPS 系统功能部分进行模块化设计，分为机柜、旁路模块及功率模块，整机具有智能控制、绿色休眠备份功能，可提高系统运行效率和节能效果”[2]，达到“整机系统效率达到96%，最高可达97%”。不间断电源（Uninterruptible Power System，简称UPS）是为了避免数据中心中的服务器、存储等设备断电造成数据丢失，提高供电的可靠性，是设计使用的重要电力基础设施[3]。并且可以通过滤波，消除市电电网波动和电力切换间隙，提高供电质量，基本结构如图1 所示。其是由变流器、开关和储能装置组合构成的系统，在输入电源正常或故障时，输出交流或直流电能，在一定时间内，维持对负载供电的连续性。

图1 UPS 结构示意图Fig.1 UPS structure diagram

随着技术发展，目前越来越多的数据中心开始使用高频模块化UPS。其有一重要功能是支持ECO 模式，该模式在现实生产应用中，需要根据数据中心现状因地制宜。下文将从现实生产应用的角度，阐述笔者所在数据中心实际应用高频模块化UPS 在ECO 模式下运行的实践和思考，并对其优缺点进行分析，以期对该运行模式有更全面的了解。

1 高频模块化UPS 和ECO 模式简介

高频模块化UPS 采用了高频交流转换成直流再转换成低频交流的技术，转换速度更快，功率因数更高。并且通过多个模块的并联，在实现备用功率的同时，大大提高了整个UPS 系统的可靠性和容错性，其主要特点包括高可靠性、实时监控、智能化控制等，与传统UPS 相比，它有着更高的效率和更稳定的输出电压。UPS 的运行模式的一般包括市电逆变模式、电池模式、旁路模式、维修旁路模式、ECO 模式。

ECO 全称为Economy，即“经济性”运行。ECO模式基本工作原理是将输出交流电路的直流部分断开，负载直接接受交流电源的供应，逆变器不再工作，以提高能效。在该模式下，逆变器将不再输出任何功率，只有在输入电源电压低于或高于规定值时，才会通过逆变器输出纠正电压，以保证稳定的电源输出。电流流经旁路模块输出给负载供电，同时，功率模块的充电器也会工作，给电池充电。当旁路输入发生异常时，系统能在10ms 时间内快速切换回逆变模式，保证负载供电安全。其功能框图如图2 所示。

图2 ECO 模式示意图Fig.2 Schematic diagram of ECO mode

2 运行实践

笔者参与运维管理的某国标A 级数据中心，为提高能源使用效率，我们根据UPS 使用说明对某一相对独立供电区域的单路4 台500kVA 的UPS 开启ECO 模式，并持续约1 个月。

ECO 模式试运行1 个月后，供电部门反馈数据中心功率因数较低。开启ECO 模式当月，数据中心功率因数约为0.43，低于其要求的力调标准0.85。其中有功电量100160kWh，无功电量211840kWh。此数据包括数据中心内其他业务用能，如照明、取暖、电梯、公共区域监控等，下面仅对开启ECO 模式的部分机房区域能耗进行分析。

我们通过数据中心智能化监控平台对部分关键数据收集（如表1 所示），可以看到该区域内总有功功率为13.1kW，总无功功率为-144.91kvar，总视在功率为145.69kVA，总功率因数约为0.09。未开启ECO 模式前，各UPS 详细数据如表2 所示。

表1 开启ECO 模式时UPS 主要参数Tab.1 Main parameters of UPS when ECO mode is enabled

表2 未开启ECO 模式时UPS 主要参数Tab.2 Main parameters of UPS when ECO mode is not enabled

可见开启ECO 模式对无功功率产生较大影响。

3 思考

若要求开启ECO 模式后功率因数达到力调标准0.85，假定无功功率为144.91kvar，根据三相电中有功功率、无功功率、视在功率、功率因数的计算公式，如下：

有功功率：P=3UpIpcosφ（其中Up 表示相电压，Ip 表示相电流，cosφ 表示功率因数）

无功功率：Q=3UpIp sinφ（其中Up 表示相电压，Ip 表示相电流，sinφ 功率因数角的正弦值）

功率因数：cosφ=P/S。（其中cosφ 表示功率因数，P 为有功功率，S 为视在功率）

计算如下：

根据以上，可以看到负载需达到233.88kW。考虑其他容性负载的补偿影响，实际在该区域功率因数达到0.75，预计负载为164.18kW，区域单路UPS 总负载率达到约11%时，可考虑使用ECO 模式。计算如下：

S=P/cosφ=164.18kW/0.75=218.67kVA（功率因数cosφ 以0.75 计）

负载率=实际负载÷UPS 额定容量×100%=218.67 kVA÷（500 kVA×4）×100%=10.93%

关闭ECO 模式后，供电局提供的当月用电数据如下：有功电量119200kWh，无功电量121600kWh，功率因数0.7，较上月提高了63%。以下是本次部分UPS 开启ECO模式前后数据中心整体用电数据的对比，如表3 所示。

表3 开启ECO 模式前后数据中心用电对比Tab.3 Comparison of data center power consumption before and after ECO mode is enabled

实际生产应用中，高频模块化UPS 运行在ECO 模式下，由于UPS 直接将输入电源交给负载，避免了变换能量的损失，使UPS 的能效得到了显著提高；而且由于ECO 模式下基本不会输出任何功率，因此不需要风扇进行冷却，从而降低了噪音；另外，UPS 电池寿命通常受到充放电周期的限制，ECO 模式下可减少充放电周期的次数，从而延长UPS 电池的寿命。但由于ECO 模式下将输入电源直接交给负载，输出电压将与输入电压保持一致，因此输出电压变化较大，对于市电质量不高的场景下需斟酌使用。

目前，高频模块化UPS 在ECO 模式下的应用正在逐步推广。在实践应用中，我们需要根据实际需求对其进行应用，同时也需要对其优缺点进行适当的评估。在以下情况可以考虑采用ECO 模式：

（1）负载适宜：当负载提高到一定程度时，能有效保证UPS 的有功功率，从而提高其功率因数，ECO 模式的节能效果将更加显著。

（2）长时间应用：当需要长时间运行电源的情况下，ECO 模式可以提高能效，减少能量损失。

（3）电网质量较高：当ECO 模式运行的电网质量不满足IT 设备的电压要求时，UPS 系统将由ECO 模式切换到其他保护模式，如正常模式，其效率要低于预期的ECO 模式[4]。

4 结语

高频模块化UPS 作为一种新型UPS 系统，在电力设施中得到了广泛应用。将其运行于ECO 模式下，可以提高UPS 的能效，减少能量损失，降低噪音，延长UPS电池寿命，同时，也存在输出电压不稳定、限制UPS 功率范围等问题。因此，在使用UPS 时，应该根据实际负载情况选择合适的工作模式，以最大程度地提高UPS 效率，减少能源损失。