上海UPS不间断电源负载功率因数的演变
时间：2024-10-28 阅读：41
上海UPS不间断电源为数据中心的服务器、路由器和存储提供不间断电源保护，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。为了适应负载变化，新一代UPS的负载功率因数逐渐提高到0.9甚至1。
随着节能和低碳经济的到来，计算机负载的内部电源发生了变化。十年前计算机电源的拓扑如图1所示。
图1传统计算机电源的拓扑图
这是典型的全桥整流器电路图。交流由一个由四个二极管组成的全桥整流，DC侧电容起平滑作用，为计算机负载提供所需的DC能量。这种拓扑成本低，功率因数只有0.7 ~ 0.8，谐波电流60%，产生大量无功损耗和电网污染，不利于设备节能，不符合绿色供电要求。电压和电流波形如图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，世界各国单位都把节能减排放在了战略高度，对计算机负载的节能要求也有了显著提高。计算机和服务器的电源设计有LC滤波器波电路(见图3)，以提高负载功率因数和减少电流谐波，从而降低能耗和电网污染。
图3新型计算机负载电源拓扑图
新计算机负载的测量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(上海张江，某金融企业实测波形)
根据测得的波形，此时的功率因数0.93(电流相先于电压相)。为什么功率因数先？这是因为在设计计算机电源时，滤波电容是根据满负荷容量来选择的，通常计算机设备的实际平均功耗在满负荷设计量的50%-80%之间。很多计算机设备由UPS系统供电，相当于很多滤波电容并联，很多过度设计的滤波电容使总电流相位前移，输入电流超前于电压，造成过校正的负结果，使整体负载容性。
新的计算机负载：有两个重要变化
(1)功率因数提高到0.9以上；
(2)负载由传统的感性变为容性。
因此功率因数为0.8的UPS已经不能满足负载需求。通常UPS的过载是用额定容量(kVA)和额定功率(kW)的双重标准来判断的，任何参数过载都判定为过载。视在功率为例如，100千伏安不间断电源的负载功率因数为0.8，满载容量为100千伏安或80千瓦。如果任何参数超过额定值，将判断不间断电源过载。传统UPS设计主要针对感性负载，其逆变器配备一定容量的输出电容。当负载功率因数滞后(感性负载)时，电容起到输出滤波和提供平衡无功功率的双重作用。电容器本身具有无功功率的特点。如果负载感性滞后无功功率，两者极性相反，相互抵消。UPS逆变电源装置主要提供有功功率，此时UPS的输出容量不会降额。如果有容性负载，UPS的负载和内置电容都表现出的无功特性，并且相互叠加，表现出更大的电容特性。此时，UPS逆变器需要提供容性负载的无功电流，UPS逆变器功率器件的电流容量有限。如果一部分电流被容性无功负载消耗，其输出有功功率(kW)和总输出容量(kVA)将明显降低。比如负载功率因数为0.8的传统UPS品牌：在电容负载为0.9的情况下，功率因数降低了30%。它的承载能力如图5底部的第三条曲线所示。以PF=0.8的100千伏安不间断电源为例(见表1):
一家金融企业出现了惊心动魄的一幕。数据中心使用双总线系统供电。系统扩容时，一台UPS电源中断，但另一台UPS很快出现过载报警，切换到旁路电源。原因是该设备的负载由双路，提供，正常供电时每个设备承担40%的负载。当一个不间断电源电路的电源中断时，另一个不间断电源电路承担80%的满载容量。按照正常的设计，UPS可以长时间承受80%甚至99%的负荷，但为什么会转移到旁路？呢因为实际负荷功率因数提前0.9，UPS的负荷能力下降了30%，只能承载满负荷能力的70%。UPS系统不堪重负，求助旁路供电，使负载处于无保护的危险境地。综上所述，负载功率因数为0.8的UPS已经不能满足新数据中心的需求，在实际使用中需要降额。
图5各种不间断电源负载能力图
随着节能和低碳经济的到来，计算机负载的内部电源发生了变化。十年前计算机电源的拓扑如图1所示。
图1传统计算机电源的拓扑图
这是典型的全桥整流器电路图。交流由一个由四个二极管组成的全桥整流，DC侧电容起平滑作用，为计算机负载提供所需的DC能量。这种拓扑成本低，功率因数只有0.7 ~ 0.8，谐波电流60%，产生大量无功损耗和电网污染，不利于设备节能，不符合绿色供电要求。电压和电流波形如图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，世界各国单位都把节能减排放在了战略高度，对计算机负载的节能要求也有了显著提高。计算机和服务器的电源设计有LC滤波器波电路(见图3)，以提高负载功率因数和减少电流谐波，从而降低能耗和电网污染。
图3新型计算机负载电源拓扑图
新计算机负载的测量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(上海张江，某金融企业实测波形)
根据测得的波形，此时的功率因数0.93(电流相先于电压相)。为什么功率因数先？这是因为在设计计算机电源时，滤波电容是根据满负荷容量来选择的，通常计算机设备的实际平均功耗在满负荷设计量的50%-80%之间。很多计算机设备由UPS系统供电，相当于很多滤波电容并联，很多过度设计的滤波电容使总电流相位前移，输入电流超前于电压，造成过校正的负结果，使整体负载容性。
新的计算机负载：有两个重要变化
(1)功率因数提高到0.9以上；
(2)负载由传统的感性变为容性。
因此功率因数为0.8的UPS已经不能满足负载需求。通常UPS的过载是用额定容量(kVA)和额定功率(kW)的双重标准来判断的，任何参数过载都判定为过载。视在功率为例如，100千伏安不间断电源的负载功率因数为0.8，满载容量为100千伏安或80千瓦。如果任何参数超过额定值，将判断不间断电源过载。传统UPS设计主要针对感性负载，其逆变器配备一定容量的输出电容。当负载功率因数滞后(感性负载)时，电容起到输出滤波和提供平衡无功功率的双重作用。电容器本身具有无功功率的特点。如果负载感性滞后无功功率，两者极性相反，相互抵消。UPS逆变电源装置主要提供有功功率，此时UPS的输出容量不会降额。如果有容性负载，UPS的负载和内置电容都表现出的无功特性，并且相互叠加，表现出更大的电容特性。此时，UPS逆变器需要提供容性负载的无功电流，UPS逆变器功率器件的电流容量有限。如果一部分电流被容性无功负载消耗，其输出有功功率(kW)和总输出容量(kVA)将明显降低。比如负载功率因数为0.8的传统UPS品牌：在电容负载为0.9的情况下，功率因数降低了30%。它的承载能力如图5底部的第三条曲线所示。以PF=0.8的100千伏安不间断电源为例(见表1):
一家金融企业出现了惊心动魄的一幕。数据中心使用双总线系统供电。系统扩容时，一台UPS电源中断，但另一台UPS很快出现过载报警，切换到旁路电源。原因是该设备的负载由双路，提供，正常供电时每个设备承担40%的负载。当一个不间断电源电路的电源中断时，另一个不间断电源电路承担80%的满载容量。按照正常的设计，UPS可以长时间承受80%甚至99%的负荷，但为什么会转移到旁路？呢因为实际负荷功率因数提前0.9，UPS的负荷能力下降了30%，只能承载满负荷能力的70%。UPS系统不堪重负，求助旁路供电，使负载处于无保护的危险境地。综上所述，负载功率因数为0.8的UPS已经不能满足新数据中心的需求，在实际使用中需要降额。
图5各种不间断电源负载能力图
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的负载功率因数一般提高到0.9，甚至高达1。比如艾默生公司推出的Hipulse U和NXr系列的负载功率因数为0.9，APM系列的负载功率因数为1。除了艾默生，一些国际UPS制造商也推出了负载功率因数为0.9的新一代产品。
考虑到大部分机房功率因数提前的实际情况，新一代上海UPS不间断电源充分考虑了提前负荷的特点，对设计进行了改变和优化，UPS可以在0.9 ~ 0.9滞后范围内满负荷运行。其承载能力如图5中的首先和第二条曲线所示。同样，以100kVA负载PF=0.9为例(见表2):可以看到，在新增电脑负载的情况下，负载功率因数为0.9的UPS比负载功率因数为0.8的UPS多负载42%。因此，在为数据中心选择UPS时，应优先选择负载功率因数为0.9或1的新一代UPS。