新一代UPS负载功率因数的演变.docx

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 拓扑电源拓扑图 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°・。