UPS智能在线白皮书

“智领DC计划”第302号 UPS智能在线技术 白皮书 可靠节能兼备的UPS创新技术 华为数字能源技术有限公司 本报告感谢以下起草单位、人员 联合主编单位（按单位名称拼音排序） 华为数字能源技术有限公司、中国移动通信集团公司、中国信息通信研究院云计算与大数据研究所 主编人员（按姓氏拼音排序） 安真、曹国水、费珍福、郭亮、李宝宇、李会永、李俊林、梁海峰、梁贤光、万欣、王建军、王骏飞、阳必飞、张春涛、张帆、张广河、张展凡 参编单位（按单位名称拼音排序） 北京电信规划设计院有限公司、北京中金云网科技有限公司、北京中科合盈数据科技有限公司、广东省电信规划设计院有限公司、恒华数字科技集团有限公司、华信咨询设计研究院有限公司、捷通智慧科技股份有限公司、鹏博士大数据有限公司、山东国为云计算有限责任公司、山东科普电源系统有限公司、上海建筑设计研究院 有限公司、上海蓝色帛缔智能工程有限公司、上海邮电设计咨询研究院有限公司、同济大学建筑设计研究院 (集团)有限公司、香江科技股份有限公司、信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司、中国电子系统工程第四建设有限公司、中国航空规划设计研究总院有限公司、中国建筑标准设计研究院有限公司、中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司、中国移动通信集团设计院有限公司、中国中元国际工程有限公司、中联云港数据科技股份有限公司、中通服咨询设计研究院有限公司、中讯邮电咨询设计院有限公司 参编人员（按姓氏拼音排序） 包顺强、陈兴华、杜丽娜、高翔、高晓明、胡杰、李亚、李玉昇、连杰、刘波、刘健信、刘叶语、浦廷民、沈巍、王建新、吴劲松、刘敬伟、徐岢、滕达、杨威、叶向阳、张丽娟、张文利、张学德、钟歆 01 UPS智能在线技术白皮书 目录 1.前言04 2.术语和缩写 3.发展现状 ---------------------------------------------------05 ---------------------------------------------------06 3.1.双碳背景下，低PUE是数据中心的政策导向和标准要求06 3.2.数据中心供电行业现状08 3.3.UPS主流模式介绍和优劣势对比10 3.3.1.在线双变换模式10 3.3.2.ECO模式11 4.智能在线模式价值和技术原理12 4.1.智能在线模式价值12 4.1.1.运行条件：中国电网质量均满足运行条件15 4.1.2.供电架构：数据中心主流架构均可使用智能在线模式15 4.2.智能在线技术原理16 4.2.1.高低压箝位技术确保全模式0ms切换和高压浪涌抑制16 4.2.2.零电流热备份技术实现全负载范围高效率17 4.2.3.主动谐波补偿技术，实现等同于双变换模式的输入功率因数19 02 UPS智能在线技术白皮书 5.华为积极实践智能在线模式，全面验证运行可靠性20 6.常见问题FAQ26 7.总结27 附录128 1-1设置和运行状态验证28 1-2输入适应性验证 1-3输出适应性验证 ------------------------------------------------32 ------------------------------------------------36 03 UPS智能在线技术白皮书 1.前言 随着碳中和已成全球共识，各国均颁布节能政策，对产业发展提出新要求，中国对能源绿色转型提出了“3060”双碳政策， 力争实现2030年碳达峰和2060年碳中和两个目标，该政策现已在各行业落地。 数据中心作为耗能大户，其节能降耗迫在眉睫，数据中心内供电系统损耗占总体电费近10%，亟需加快向绿色节能方向迈进，UPS作为供电系统核心，是系统中损耗最大的设备。当前降低UPS损耗的方法一般为提升在线模式效率或使UPS运行在ECO节能模式下，当前业界最高在线模式效率97%左右，再向上提升会引起造价大幅提升，而ECO模式采用市电直供，效率可轻松达到99%以上，但当市电出现异常时，切换至电池有数毫秒中断，供电可靠性受影响，用户一般不使用。 推出一种既能保障可靠供电又可实现超高效率的工作模式是UPS行业发展方向，本白皮书旨在介绍UPS智能在线技术和华为UPS5000-H产品实践，阐述其核心价值、技术原理、使用场景以及全方位验证过程，目的是帮助读者进一步深入了解智能在线模式，为设计高可靠性和高效率的数据中心或行业关键供电方案提供思路和方法。 图片更新 04 2.术语和缩写 UPS智能在线技术白皮书 ECO：economiccontroloperation节能模式 DC:datacenter数据中心 PUE：powerusageeffectiveness能源利用效率 S-ECO：supereconomiccontroloperation智能在线模式VFI：voltagefrequencyindependentUPS输入输出电压频率独立VFD:voltagefrequencydependentUPS输入输出电压频率一致VI:voltageindependentUPS输入输出电压独立，频率一致 SiC:siliconcarbide碳化硅 THDi：totalharmonicdistortionofcurrent总电流畸变率THDv：totalharmonicdistortionofvoltage总电压畸变率APFC:activepowerfactorCompensator主动功率因数补偿器SVG：staticVargenerator无功发生器 MTBF：meantimebetweenfailures平均故障间隔时间 MTTR：meantimetorepair平均故障维修时间 05 UPS智能在线技术白皮书 3.发展现状 3.1.双碳背景下，低PUE是数据中心的政策导向和标准要求 人类活动带来的碳排放持续加速气候变暖，成为全球的共同威胁，应对气候变化是全球责任，2016生效的《巴黎协定》提出控制全球变暖与碳中和目标，1.5°C成为全球升温控制目标，2°C是底线，针对该目标目前已经有137个国家进行了碳中和的政策宣示或承诺，多个主要经济体发布绿色数据中心政策，构建绿色数据中心成为趋势。 中国低碳发展的基础薄弱，任务最艰巨，但目标宏伟、决心坚定，在2020年第75届联合国大会一般性辩论中国提出2030年前CO2排放量达峰，2060年争取实现碳中和，提出新时代能源革命发展战略，用电侧实行消费总量和强度双控制，法规标准和激励政策双管齐下。 目前国家低碳政策已落地到各个行业，在数据中心领域颁布了多项政策，指导绿色数据中心发展并限定PUE到具体数值。 2020年12月《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》要求：东西部数据中心实现结构性平衡，大型、超大型数据中心运行电能利用效率降到1.3以下，八大节点对PUE要求是不同的，即使在同一个地点，又有区域内平均PUE，集群内平均PUE之分。 表1八大节点数据中心能效限定值及能效等级标准 京津冀 长三角 粤港澳 成渝 甘肃 贵州 宁夏 内蒙古 区域内平均PUE 1.3 1.3 1.3 1.3 1.2 1.3 1.2 1.3 集群内平均PUE 1.25 1.25 1.25 1.25 1.2 1.2 1.2 1.2 06 UPS智能在线技术白皮书 数据中心行业标准对PUE提出了具体要求，例如GB40879-2021数据中心能效限定值及能效等级标准，规定了数据中心的能效等级与技术要求，统计范围，测试与计算方法。 该标准将数据中心能效等级分为3级，1级表示能效最高，其要求如下表。 表2GB40879-2021数据中心能效限定值及能效等级标准 能效等级 指标 1级 2级 3级 数据中心电能比 1.20 1.30 1.50 07 UPS智能在线技术白皮书 3.2.数据中心供电行业现状 数据中心供电核心系统主要包含市电引入、高/中压配电、低压配电、不间断电源、备电系统、机架配电、油机以及管理系统等。 图1数据中心供电核心系统 本文聚焦在交流不间断电源系统，提升供电系统的效率可以有效降低PUE，以10MVA的数据中心为例，UPS每提升1%效率，可降低PUE约0.01，下表显示UPS产品主要国家/行业标准以及行业旗舰机型效率，一方面可以看出UPS的效率不是固定值，而是随负载率变化而变化，UPS行业相关标准定义的效率值如下表。 表3UPS标准中的效率要求 负载率 系统效率 当前行业旗舰机型效率 YD/T1095-2018通信用交流不间断电源行业标准 100%阻性负载 ≥95% ≥96% 50%阻性负载 ≥93% ≥97% 30%阻性负载 ≥91% ≥97% YD/T2165-2017通信用模块化交流不间断电源行业标准 100%阻性负载 ≥94% ≥96% 50%阻性负载 ≥94% ≥97% 30%阻性负载 ≥90% ≥97% GB/T14715-2017信息技术设备用不间断电源通用规范 100%阻性负载 一级：≤93.7%二级：≤93%三级：≤91.3% ≥96% 75%阻性负载 一级：≤93.7%二级：≤93%三级：≤91.3% ≥96% 25%阻性负载 一级：≤92.8%二级：≤92%三级：≤90.1% ≥96% 15%阻性负载 一级：≤90.1%二级：≤89%三级：≤86.4% ≥95% 08 UPS智能在线技术白皮书 1980-2005：工频UPS •85%-90% 2005-2010：高频 塔式UPS •90%-94% 2010-2015：高频 塔式/模块化UPS •94%-96% 2015-2022：全模 块化UPS •95%-97% 图2UPS效率发展历程 图2列出了近些年UPS效率发展历程，可以看出UPS近十多年效率突飞猛进，但受拓扑、器件和工艺限制，未来UPS的在线模式效率会在97%以上艰难前行，表现为： ①拓扑方面：三电平IGBT双变换架构已应用多年，考虑产品可靠性和器件适配性，该拓扑短期内会继续沿用。 ②器件方面：目前业界旗舰产品已经批量使用了SiC（碳化硅）部件，器件损耗已降至最低，因此通过升级器件进一步提升在线模式效率难上加难。 ③线路损耗：受欧姆定律限制，大功率UPS内部线路损耗难以降低。受以上影响，UPS需要探索新模式，突破效率瓶颈，达到更优节能收益。 09 UPS智能在线技术白皮书 3.3.UPS主流工作模式和优劣势对比 数据中心使用的UPS产品均为在线双变换式UPS，其核心单元包括整流器、逆变器、充放电器和静态旁路，分为以下两大类：在线双变换模式和ECO模式。 3.3.1.在线双变换模式 在线双变换模式是UPS最常用的模式，根据不同输入源的状态分为主路供电、旁路供电和电池供电。 在线双变换模式——主路供电 交流电输入经过整流器和逆变器的交流-直流-交流转换，同时通过充电器为电池充电，经由两级变换以后，能得到精度和质量都较好的输出电压，可以防止输入谐波、毛刺、电压瞬变等干扰影响负载。 在线双变换模式——旁路供电 图3在线双变换模式-主路供电示意图 当UPS检测到功率模块过温、过载或者其它会关闭逆变器的故障，会自动转到旁路，同时整流器处于开启状态并通过充电器为电池充电。旁路电源会直接给负载提供能量，旁路模式下负载供电质量不受UPS保护，容易受到停电、交流市电电压或频率异常等状况的影响。 图4在线双变换模式-旁路供电示意图 在线双变换模式——电池供电 当市电输入异常或者整流器发生异常时，UPS转电池模式工作，此时功率模块从电池获取能量，经逆变器变换成交流电压 输出。 10 UPS智能在线技术白皮书 3.3.2.ECO模式 图5在线双变换模式-电池供电示意图 当对UPS效率要求更高时，在线双变换模块无法满足要求，此时ECO模式可以被采用，是UPS经济运行模式，当旁路输入在ECO电压和频率范围内，且满足其他E