采用绿色休眠在线UPS技术提升数据中心的PUE指标

根据上一节的分析，IT负载自身的输入电源具有“AC-DC、DC-AC、AC-AC和AC-DC的四个变换级”，而且其变换的频率是当前所有UPS的开关变换频率的10~20倍以上，因此其变换输出的精度也几乎是UPS的10～20倍，而且IT电源自身也允许输入交流电源在一定范围内波动，可见在绝大部分的工作时间内，UPS的双变换对于IT负载来说是完全没有必要的多余重复，这就如同一个十岁的孩子不再需要预先嚼细的食物一样。其次，从数据中心机房的输入供电系统看，通常都配置了专用的大容量10KV/380V隔离变压器、补偿电容柜、防雷防浪涌抑制器等，其输入市电的品质也得到了较好的保证。笔者曾对某企业数据中心的输入市电进行了长达三个月的电能质量检测，测量结果看出市电的电能质量是非常优秀的，其电压纯净度、稳定度，频率稳定度及其它干扰、瞬时电压畸变等的数据甚至优于UPS供电输出。

所以，在这样的市电及IT负载电源背景下，为了进一步提高节能水平，考虑对数据中心机房UPS供电系统引入效率高达99%的绿色休眠技术，并依据输入市电的品质设置自动分级运行模式，直接用IT负载内部电源的“高精度四变换”代替UPS电源的“双变换”，消除多余的“重复变换”，是完全可行和必要的。

五、UPS绿色休眠在线模式的原理

与双变换在线工作模式刚好相反，绿色休眠在线模式的工作原理是在输入市电品质较好的情况下，将市电通过UPS旁路直接供电给数据中心的IT负载，而UPS内部的逆变器处于在线备份状态，从而使整个UPS系统的供电效率高达惊人的99%，而且这一休眠效率不受UPS负载率的影响，实现了“UPS基本不耗能”的节能降耗总目标；同时通过微秒级的快速跟踪及DSP技术，始终保持逆变器在线备份的电压、频率、相位参数完全与旁路输入同步，保证了分级切换的“不间断”。

根据输入市电的品质，这一UPS系统的工作可分成下列三级：

第一级――绿色休眠在线模式。如下图所示，当UPS检测到市电的电压与频率落在最里边的圆内时（圆的大小即第一级模式时的电压U1与频率F1可依据负载的性质　及输入市电的状况改变与设置），UPS自动进入绿色休眠节能模式运行。在这一模式下，UPS内部的整流器、逆变器、充电器均处于在线休眠状态，不仅基本不损耗电能，而且使主功率器件也处于电休眠状态，提高了这些UPS内部核心部件工作的可靠性并延长其使用寿命。

图3　UPS分级运行模式

第二级――双变换在线模式。当市电的电压与频率波动加剧，超出最内部的圆形界线落在图3中间的圆环型带区时，UPS立刻转换到整流、逆变的双变换模式，此时的UPS40%负载工作效率通常在85~94%左右,与目前数据机房UPS的工作模式完全相同。

第三级――电池放电逆变模式。当市电的电压与频率越出中间的圆时或者停电时，即超出了UPS整流输入所允许的电压与频率范围时，UPS将关断整流器，进入电池放电工作模式，此模式下UPS的满载工作效率约为86～95%左右。

根据国内典型的数据中心实际电能质量数据统计，对于进行上述分级运行的UPS系统，如果设定U1=240V,F1=51HZ，其一年的95%时间将运行在休眠模式，小于5%的时间工作在双变换模式，不到1%的时间工作在电池放电模式。如果以一个负载容量为5000KW的中等规模IDC机房采用老 式12脉冲相控整流UPS为例，假设其40%负载率下的效率为达到了国家能效III级UPS标准的87%为计算依据，其每年的电费节约将高达460多万元，如表1所示。

表1　采用分级运行模式后的节能数据

四、绿色休眠在线模式的安全切换问题

采用UPS绿色休眠在线模式对数据中心机房的节能效果是非常显著的，但是很多用户担心分级转换的时间间隙问题，是否会因切换时间过长导致负载断电呢？

实际上这种担心对于伊顿公司的产品与技术而言是多余的，以伊顿公司的最新一代UPS――9395为例，由于采用了专利的休眠技术、同步跟踪技术及多DSP数字锁相技术等诸多业界领先的技术，不仅保证了分级的安全性和稳定性，也保证了切换时间的快速性。

图4　输出电压动态偏离曲线

首先是分级切换时的电压变动数据，其实测的三相电压变动曲线如图4所示，UPS输出三相电压动态偏离值远小于UPS标准CLASS1及计算机安全标准ITIC曲线的输入电源安全要求，标明切换瞬间的电压波动很小，完全优于IT负载对输入电压波动的容差；其次是切换间隙时间，实际测量的三相电压波动的切换时间最大