新一代UPS负载功率因数的演变

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。■