由于IT技術的飛速發展，信息化建設已是一個巨大工程，比如金融和電信的數據大集中不僅僅是效率的提高，也將是管理模式和業務流量的全新變革，所以當前數據中心的建設可以用雨后春筍來比喻，據有關資料介紹，截至2012年已有數據中心機房53.2萬多個。其間的規模已不僅僅是幾十平米、幾百平米，而是幾千平幾萬平米，甚至是幾十萬平米的工業園。因此其用電量也遠遠超出了原來的想象，已成為用電大戶。

表1所示是從2009年到2012年中國數據中心耗電量的遞增情況，從表中可以明顯地看出幾乎每年都按14.8%的規律增長，圖1更直觀地示出了這幾年的遞增情況幾乎是一條直線。

表1 2009-2012年中國數據中心耗電量
 
 
圖1 2009-2012年中國數據中心耗電量上升曲線

從表1和圖1可以看出2012年用電1634億度，也就是對應186.4萬千瓦，如果用負載功率因數為0.8的400kVA工頻機 UPS就是4661臺，如果平均效率按90%計算，那么僅電源這一項就白白浪費掉163.4億度電。當前我國發電還以活了發電為主，火力發電又以煤炭為主。有資料計算每發1度電就需要1kg原煤，折算過來這就是163.4億公斤原煤，即16340噸原煤。當今節能的高頻機UPS其效率約為95%，一般比工頻機 UPS高5%，即可節約8170噸原煤。有資料介紹：燒一頓原煤可產生1600′S% kg SO2，10，000m3廢氣，這是多么大的經濟效益和社會效益啊!如果不節約這8170噸原煤，又是何等的狀況!首先這8170噸原煤
 

表2 預計2013-2014年中國數據中心耗電量

來之不易，更何況任其肆意污染環境呢!這是一個值得深思的問題。尤其是數據中心的發展并未停止，任意表2的估計規律在膨脹，到2014年用電量可望達到2210億度，如不預先采取措施，將是一個很難收拾的局面。

所以數據中心的節能問題已是刻不容緩!

節能建設第一步——選擇節能的產品

1.節能減排是我國的基本國策

國務院國有資產監督管理委員會研究局副局長楚序平在“2009綠色通信與節能創新研討會”上指出：中央通信企業在采購中要實施“三優先”：

* 優先采購節能的通信設備和產品

* 優先采購低排放的設備和產品

* 優先采購復合循環經濟理念的設備和產品

這就是選擇產品的方向，當然這不僅僅指的是通信設備，各行各業都應以此為指南。不言而喻，在當今選擇UPS產品時只有高頻機型UPS能夠滿足上述要求。同樣是100kW的容量，如果效率以相差5個百分點計算。高頻機型UPS每年就可以比工頻機型UPS節約5萬度電。

根據不完全統計，目前有300萬臺以上服務器在運行，300萬每臺耗電以400W計，總功率P就是：

P=300′104臺′400W=80000′104W=1200，000kW

以往的IT設備輸入功率因數為0.6~0.7，取中間值就是0.65，將上述功率折算過來就是：

1200，000kW/0.65?1846154kVA，如果不考慮其它因素只考慮全匹配的情況，大略比較一下：某300 kVA工頻機型UPS的重量是2.2T，而某300kVA高頻機型UPS的重量僅是830kg，相差1.4T.1846154kVA要用6154臺300kW容量的UPS，工頻機型UPS就比高頻機型UPS重了1.4T′6154=8615.6T!換言之，工頻機型UPS比高頻機型UPS多用了八千六百多噸的材料，這些材料都是鋼鐵、高純度的銅、金、銀以及稀有金屬和稀土元素，生產出這么多的材料需要花費多少人力、物力和燃料!這些材料從開采到運輸到冶煉到提純等等需要多少人力和物力!排放出多少有害的氣體!如果節約下來又是何等的經濟效益和社會效益!

再從效率上說，如前所述，高頻機型UPS的效率要比工頻機型UPS高上5個百分點，一般工頻機型UPS的效率很難達到90%，就以90%計，按照上面的例子工頻機型UPS就要消耗120000kW，而高頻機型UPS才消耗60000kW，比工頻機型UPS少消耗了50%，即60000kW，有資料介紹說發電廠發一度電就需要1kg的原煤，一年下來這60000kW耗電就是60000kW′8765h=52，200，000度電，就是近60000噸原煤。可以看出，高頻機型UPS近九千噸高價材料和六萬噸煤的節約量是何等的奇觀!難道不讓人心動嗎!

所以高頻機UPS備受推崇就是因為它節能。如前所述，材料的節約就是對能量的節約，這是一方面;效率的提高是長期的，比如有的數據中心每年的電費就以“億”計算。所以有的用戶在招標中聲稱‘即使一個百分點的效率我也要爭’，能量節省了，有害氣體的排放也就減少了，意義也就在這里。

2.為什么高頻機UPS終究要替代工頻機UPS

從計算機誕生的那一時代開始，不間斷電源就是它的孿生兄弟。幾十年來大半部分時間就是就是這種工頻機UPS為計算機保駕護航，才使得IT技術穩步發展。可以說工頻機UPS為IT技術的發展立下了汗馬功勞。但工頻機UPS機不是文物也不是古董，而是一種技術設備，技術是要發展的。歷史的規律就是新的代替舊的，因為舊的一旦妨礙了生產力的發展就會被新的淘汰。那么工頻機UPS的哪些方面阻礙了生產力的發展呢?如前所述，首先是耗材，如圖2(a)所示，工頻機輸出端龐大的變壓器是一個典型的耗材耗能的裝置。而圖2(b)所示的高頻機UPS就取消了這個變壓器。有人說這個變壓器抗干擾，這是一種誤解。這個變壓器的作用只有兩點：產生隔離接地點和變壓，在三相中必須是D-Y(角星或角星)接法

圖2 兩種UPS逆變器后面的結構

時才可消除三次諧波。可惜逆變器輸出波形中沒有干擾可抗。

從工頻機UPS輸入電路上看，如圖3所示，一般容量的標準配置是“6脈沖”輸入整流器，如圖所示的虛線框內部分。這種結構效率可達90%以上，但此時的輸入功率因數只

圖3 12脈沖整流器輸入的UPS主電路原理圖

有0.8左右，換言之器輸入諧波電流達30%以上。這個數值標志著破壞了電網電壓的正弦波波形，對外干擾大和增加了無功功率對線路的占空比，限制了供電局對外輸出的有效功率。因此供電局一般都對用戶提出了輸入功率因數必須大于0.9的要求，否則就罰款。如果增加整流脈沖的個數就可提高輸入功率因數。因此就出現了12脈沖整流器輸入的UPS.如圖3所示。這種電路的結構特點就是在原有電路的基礎上再加一套6脈沖整流器，另外再加一個移相變壓器。這樣做了以后可將輸入功率因數提高到0.9，如果再加11次諧波濾波器，又可將輸入功率因數提高到0.95以上。這樣做的代價有多大呢?某典型300kVA的UPS在6脈沖整流器時是1600kg，變成12脈沖整流器后重量是2200kg，增加了600kg.400kVA的UPS變成12脈沖整流器后則加了650kg!而某品牌300kVA的UPS才重830kg!相差何其懸殊!

為了將輸入功率因數進一步提高，有的專家提出了24相整流方案，整流脈沖可達24個之多，輸入功率因數可達0.99以上。圖4(a)和(b)分別為采用諧波諸如型的自耦變壓

(c) 24相整流自耦變壓器結構原理圖

圖4 24相輸入整流方案

器式24相整流工頻機UPS輸入整流器和采用平衡電感的自耦變壓器式24相整流工頻機UPS輸入整流器，圖4(c)所示為24相整流自耦變壓器結構原理圖。圖4電路和變壓器的有效結合無疑可以實現0.99以上的輸入功率因數指標，但其結構復雜程度使制造的困難加大，并且仍未脫離耗電耗材的弊病。所以這種方案直至現在牙只能在實驗室內“金屋藏嬌”。

而高頻機UPS完全克服了這些缺點

圖5 三相高頻機UPS主電路結構原理圖

3. 幾種高頻機UPS的結構的種類

(1)在線互動式

圖5.3(a)和(b)所示的兩個電路就是在線互動式電原理圖，從圖中可以看出它們是后備式的工作方式在線的效果。

圖5.3(a)所示的電路所以是在線的效果，其標志就是在任何時候它的輸出電壓波形都是正弦波，其繼電器的切換時間也很短，只有2ms.盡管其輸出電壓穩定度只有±12%，這對一般電子負載已足夠了。

圖5.3(b)所示的是通過兩個原始電壓的交叉供電使輸出電壓達到一定穩定度的電源。這里的兩個“原始電壓”一個是輸入電壓，一個是由雙向變換器產生的輸出變壓器電壓。其結構是帶數個抽頭的輸出變壓器，其交叉工作原理是：當輸入或輸出電壓范圍超出規定要求時，為了穩壓抽頭繼電器就會自動切換抽頭位置，當即電器觸點離開原來抽頭但還沒有接觸到下一個抽頭時，雙向變換器啟動產生一個輸出電壓以填補抽頭換接過程的斷電時間。抽頭換接過程完畢后雙向變換器自動關閉，重新回到市電供電模式。

(a) 兩個原始電壓加減互動方式原理圖
 
(b) 兩個原始電壓交叉互動方式原理圖

圖5.3 互動式UPS原理電路圖

(2)串并聯調整式

串并聯調整式也稱Delta變換式，這是一種由電流源(Delta變換器)與電壓源(主變換器)構成并聯連續補償向負載供電的一種在線式UPS，屬高頻機范疇。其輸出電壓穩定度是1%，如圖5.4所示。在市電正常范圍供電時作為電流源的Delta變換器主要向負載提供有功功率，而與其并聯供電的主變換器只提供無功功率和負載突變式的補償功率。當市電異常時，Delta變換器關閉而改由主變換器提供全部負載功率。在這里Delta變換器和主變換器均具雙向變換的功能。主變換器給電池充電，而充電的時機和充電電平則由Delta變換器控制。該電路最大的特點就是用20%的功率去控制100%的負載功率。

上文中提到，打造節能的數據中心供電系統，第一步就是要選擇節能的產品，在當今選擇UPS產品時只有高頻機型UPS能夠滿足這一要求。除此之外，如果再規劃簡潔的配電系統，加之設計節能的運行模式，就能夠達到更好的節能效果。

規劃簡潔的配電系統

有了節能的供電設備，如果沒有很好地規劃設備的連接和配置也得不到好的節能效果。

圖9 高頻機型UPS供電的“臃腫”系統

尤其是有的用戶認為可靠性是用錢堆起來的，認為設備越多可靠性越高。實際上設備越多增加的串聯環節就越多，相應地可靠性也越低!如圖9所示就是高頻機型UPS供電臃腫系統的一個例子，說它臃腫是因為這本來是一個很節能的供電系統，兩臺高頻機型UPS冗余并聯后給負載供電，簡單明了。可單單設計者又給UPS后面串聯了大功率變壓器，又串入了兩臺大容量STS，致使效率至少損失了4%~5%，不但投資增加很多，占地面積也大為增加。為什么會這樣規劃呢?原因是設計者機械地理解了美國的G4標準，認為只有做成所謂的雙總線，系統才可靠，這就陷入了用過多設備堆積可靠性的誤區。實際上圖9的每一路供電路徑上多了兩個故障點：變壓器和STS.可靠性下降了數倍。世界上十全十美的東西太少了，就是說，增加了這方面的功能卻犧牲了另一方面的功能，這就是有得有失的道理。

圖10 用1+2結構模式提高可靠性的方法

如果改用圖10的方案，采用1+2結構模式，這里雖多了一臺UPS，但卻少了兩臺變壓器和兩臺STS，要知道一臺STS要比同容量的UPS貴得多。而且第三臺UPS的引入，不但使系統可靠性大為增加，而且也是系統的過載能力又增加了一倍。

當然，多臺UPS冗余并聯雖是提高了可靠性，但也帶來了負面影響，那就是使系統效率降低了，因為原來兩臺工作時各為50%負載，當3臺工作時，每臺的帶載量才僅有三分之一。為此可采用圖1 1的改良式1+2節能供電方式。在這里高頻機3UPS在正常時處在轉換開關ZS的中間空檔位置，其他兩臺UPS按50%方式供電，處于效率最高點。任一臺UPS故障，3UPS就接通到故障設備的一方。提高了可靠性也提高了運行效率。

圖11 1+2節能工作方式

另外，雙總線采用STS還有另一層意思，那就是當一臺UPS故障時就可以利用STS將另一臺UPS轉接過來，如圖12雙機雙總線1所示。但為了這一點功能就采用兩臺STS未免小題大做。

圖12 雙總線結構方式兩臺UPS互相轉換方案

可以采用圖12雙機雙總線2的方法，用一只母聯開關即可。在兩路UPS正常工作時，母聯開關是斷開狀態。當其中一臺UPS故障時，母聯開關閉合，也達到了上述目的。這一改變也并非無足輕重。如果母聯開關采用電子式，即靜態開關，其設備量大為減少，如圖13所示。

圖13 母聯開關與兩臺STS設備量的比較

從圖中可以看出，同樣的大功率可控硅，兩臺STS就用了24支，而一個母聯開關只用了6只，節約了18支的設備量和功耗，也極大地減小了占地面積。

設計節能的運行模式

有了節能的產品，設計了簡潔的供配電系統，如果再規劃出節能的運行模式，這樣步步為營、步步節能的供配電方式就可得出很好的節能效果。圖14所示為一個500kVA的負載用雙總線供電的例子。這里采用了2臺550kVA的模塊化UPS，每臺550kVA的模塊化UPS機殼中有兩臺275 kVA的模塊化UPS，為了提高效率，在正常供電時就可以令其中一臺275 kVA的模塊化UPS休眠，形成2+1工作模式。而且隨著負載的減小還可以工作在1+1模式。

圖14 模塊化UPS節能運行模式

圖15的節能運行方式是在電網電壓穩定在指定范圍時接通旁路開關，和ECO工作方式不同的是，此時逆變器并不關機，而是出于一種類似休眠地等待狀態，它的功能類似于無功功率補償，能把電網中突變之類的干擾抑制掉。這時的效率可達97%以上，又進一步節約了能量。

好多IT設備都是雙電源供電，所以往往雙總線供電方式有不少是采用兩套塔式單機供電，如圖15所示。在此情況下大都采用兩臺UPS各供50%的配電方式，這樣做的結果不能使效率達到最高點。一般效率最高點往往不是在100%功率，而是在70%~100%之間。如果兩臺UPS均分負載，那么各自的負載量均小于50%，這樣一來，效率就更低了。這就可以改變一下供電分配方式。比如令圖15中的UPS1全額供電，一般都小于額定負載量。而令UPS2休眠，但處于熱備份狀態。這樣一來，UPS1此時幾乎處于效率最高點。當然會有的提出這樣的問題，將原來的一般負載改成全額負載豈不是UPS的壽命降低了?非也。任何一臺UPS的壽命都是設計在全額負載情況下的選定的，全額負載運行是UPS的本分，如果UPS沒有這個能力，那就是這臺UPS不合格。

圖15 塔式UPS節能運行模式

又有的人可能提出第二個問題，如果UPS1過載時UPS2接續不上怎么辦?首先在選擇UPS容量時，一般都選擇UPS的容量要大于額定負載一定量，所以一般不會過載;另一方面，可設定UPS2在UPS1帶載量超過90%時蘇醒，這只是一個設置問題。況且UPS2是休眠而不是關機，是在熱備份，所以投入工作很快。第三，任何一臺UPS都有過載到125%額定負載可堅持10min和過載到150%堅持30s的能力，這對于UPS2的投入運行速度打開方便之門。

當然，節能運行方式很多。總之，實現節能供電的要點就是：

要具有正確的節能意識，那種用種種借口拒絕使用節能設備的做法應該慎重。

選擇節能的供電設備，不要聽外界的一些貶低節能設備的說法，自己要有主意或請專家咨詢，當然這里指的是真正的專家。

規劃簡潔(而不是臃腫)的供配電方式。慎重聽取各方面的意見，一般廠家作的方案要慎重考慮，結合自己的應用特點，以簡潔為佳。

設計節能的運行方式。并不是所有設備都有這種節能運行方式，節能運行方式一般是設計在UPS上的，是標配的功能。