不間斷電源(UPS)系統(tǒng)，尤其是高頻大功率UPS作為數(shù)據(jù)中心供電的關(guān)鍵保障，受架構(gòu)和器件等因素的限制，在線模式效率約在96%左右。提高UPS效率，可有效降低數(shù)據(jù)中心PUE。

　　為了降低TCO(總體擁有成本)，提高UPS系統(tǒng)效率，早在2010年行業(yè)內(nèi)就推出了ECO模式，也被叫做經(jīng)濟模式、節(jié)能模式或高效模式。2018年4月30日發(fā)布、7月1日實施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1095-2018《通信用交流不間斷電源(UPS)》，增加了對ECO模式的定義：交流輸入正常情況下UPS通過靜態(tài)旁路向負載供電，當(dāng)交流輸入異常時UPS切換至逆變器供電的工作模式。

　　ECO模式可將UPS運行效率從雙變換在線模式的96%左右提升到99%，對數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)可降低約0.03，達到節(jié)能、減排的目的。但普通的ECO模式也存在著一定的切換風(fēng)險，因此很多品牌只作為選配模式。

　　本文邀請到臺達UPS技術(shù)專家鄭強，以臺達具有ECO模式的大功率UPS為例，談一談UPS電源的ECO模式架構(gòu)，以及新一代的超級ECO模式如何提升可靠性更實現(xiàn)節(jié)能。

　　ECO模式的架構(gòu)與工作原理

　　按逆變器工作狀態(tài)，通常UPS的ECO模式可以分為2類：

　　01 逆變器熱備待機狀態(tài)

　　02 逆變器冷備待機狀態(tài)

　　對于逆變器熱備待機狀態(tài)，若從UPS旁路、逆變切換架構(gòu)來看，大致有3類架構(gòu)設(shè)計，如圖1-3所示。

　　圖1：采用接觸器轉(zhuǎn)換

　　UPS工作在ECO模式時，當(dāng)旁路輸入在設(shè)置的電壓和頻率范圍內(nèi)，UPS優(yōu)先旁路輸出，可以獲得更高的效率;當(dāng)旁路輸入超限或中斷，負載將由旁路轉(zhuǎn)向逆變供電，切換時間即為接觸器強制動作接通時間，一般切換時間2ms左右。

　　圖2：采用SCR轉(zhuǎn)換

　　UPS逆變器輸出側(cè)采用SCR靜態(tài)開關(guān)代替接觸器設(shè)計，優(yōu)勢是有效縮短旁路轉(zhuǎn)逆變的切換時間，一般切換時間1ms以內(nèi)，弊端在于SCR靜態(tài)開關(guān)損耗大于接觸器，采用此架構(gòu)的UPS在線模式效率要略低一些。

　　圖3：采用SCR+接觸器并聯(lián)轉(zhuǎn)換

　　逆變器輸出側(cè)采用SCR+接觸器并聯(lián)設(shè)計，兼顧圖1架構(gòu)的高效率(接觸器阻抗小)和圖2架構(gòu)的高可靠快速切換特性(SCR確保快速可靠切換)，解決可靠切換與高效兼容的問題。

　　通過以上3種架構(gòu)設(shè)計的UPS在ECO高效模式工作原理分析，對應(yīng)設(shè)計UPS產(chǎn)品的ECO高效模式關(guān)鍵性能、參數(shù)進行列表比較如下所示：

　　通過以上分析可以看出，ECO模式雖然可顯著提升UPS效率，但都不能避免一些明顯的缺點：

　　UPS輸入指標(biāo)不可控;

　　旁路切換到逆變輸出，均有切換時間。

　　因此，也引發(fā)了更進一步技術(shù)發(fā)展：

　　UPS在ECO模式下，解決輸入指標(biāo)(輸入功率因數(shù)及電流諧波成分)和切換時間問題，滿足IEC62040-3定義的Ⅰ類供電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，供電質(zhì)量接近在線模式，得出一個創(chuàng)新的應(yīng)用模式被業(yè)內(nèi)稱為：超級ECO模式。

　　臺達“ECO+APF”潔凈模式的超級ECO

　　臺達專為大型精密制造而推出的高頻大功率工業(yè)級UPS，就具有超級ECO的功能。采用ECO+APF模式(潔凈模式)，兼具ECO模式的效率和雙變換模式的性能，確保高供電質(zhì)量情況下，效率高達99.5%，逆變器并聯(lián)旁路供電0ms切換時間。

　　01 ECO+APF潔凈模式的工作原理：逆變器與旁路電源并聯(lián)，負載有功由靜態(tài)旁路供電，負載的無功由逆變器提供。選擇ECO+APF模式時，逆變器作為有源濾波器并聯(lián)于旁路直供回路，對負載動態(tài)抑制諧波和補償無功。UPS對旁路電流實時偵測及分析，將諧波與基波分離，得到需要補償?shù)闹C波分量送至逆變控制器，控制逆變器PWM信號及驅(qū)動IGBT，生成與偵測的諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入旁路供電輸出，對負載產(chǎn)生的諧波電流進行補償或抵消，使得UPS的輸入功率因數(shù)和電流諧波失真始終維持在校正值以內(nèi)(典型設(shè)置PF≥0.99、THDi≤5%)。

　　02 充電能力：整流器正常工作，輸出的DC BUS一部分提供逆變器、另一部分供DC/DC充電器，對蓄電池進行智能充電管理，充電能力與雙變換在線模式一致。

　　03 切換時間：旁路輸入異常或中斷時，負載全部由逆變器供電，逆變器由電流源變?yōu)殡妷涸矗孀兤鲿⒓淳S持輸出電壓，實現(xiàn)零時間切換。

　　ECO模式的應(yīng)用決策

　　旁路優(yōu)先的ECO模式或超級ECO模式不可避免的存在潛在風(fēng)險。

　　當(dāng)市電不穩(wěn)定時，旁路和逆變間會反復(fù)切換，逆變器頻繁面臨負荷突增、突減沖擊，容易產(chǎn)生熱瞬變，從而增加逆變器IGBT等器件的故障率、降低系統(tǒng)可靠度。

　　以犧牲電源保護和供電質(zhì)量為基礎(chǔ)而創(chuàng)新的工作模式，在選擇是否啟用該模式時，應(yīng)充分考慮風(fēng)險與收益平衡支點。

　　因此，在電網(wǎng)不穩(wěn)定的環(huán)境，不建議啟用旁路優(yōu)先的ECO模式或超級ECO模式。在數(shù)據(jù)中心電網(wǎng)環(huán)境較穩(wěn)定情況下，建議IT負荷2N方案設(shè)計時可一路UPS系統(tǒng)采用ECO模式、一路UPS系統(tǒng)采用在線模式;空調(diào)等動力負荷可使用ECO模式或超級ECO模式。在確保安全性的情況下，實現(xiàn)UPS的能效提升。