UPS电源高效模式（ECO）的应用分析

　　不间断电源(UPS)系统，尤其是高频大功率UPS作为数据中心供电的关键保障，受架构和器件等因素的限制，在线模式效率约在96%左右。提高UPS效率，可有效降低数据中心PUE。

　　为了降低TCO(总体拥有成本)，提高UPS系统效率，早在2010年行业内就推出了ECO模式，也被叫做经济模式、节能模式或高效模式。2018年4月30日发布、7月1日实施的行业标准YD/T 1095-2018《通信用交流不间断电源(UPS)》，增加了对ECO模式的定义：交流输入正常情况下UPS通过静态旁路向负载供电，当交流输入异常时UPS切换至逆变器供电的工作模式。

　　ECO模式可将UPS运行效率从双变换在线模式的96%左右提升到99%，对数据中心PUE指标可降低约0.03，达到节能、减排的目的。但普通的ECO模式也存在着一定的切换风险，因此很多品牌只作为选配模式。

　　本文邀请到台达UPS技术专家郑强，以台达具有ECO模式的大功率UPS为例，谈一谈UPS电源的ECO模式架构，以及新一代的超级ECO模式如何提升可靠性更实现节能。

　　ECO模式的架构与工作原理

　　按逆变器工作状态，通常UPS的ECO模式可以分为2类：

　　01 逆变器热备待机状态

　　02 逆变器冷备待机状态

　　对于逆变器热备待机状态，若从UPS旁路、逆变切换架构来看，大致有3类架构设计，如图1-3所示。

　　图1：采用接触器转换

　　UPS工作在ECO模式时，当旁路输入在设置的电压和频率范围内，UPS优先旁路输出，可以获得更高的效率;当旁路输入超限或中断，负载将由旁路转向逆变供电，切换时间即为接触器强制动作接通时间，一般切换时间2ms左右。

　　图2：采用SCR转换

　　UPS逆变器输出侧采用SCR静态开关代替接触器设计，优势是有效缩短旁路转逆变的切换时间，一般切换时间1ms以内，弊端在于SCR静态开关损耗大于接触器，采用此架构的UPS在线模式效率要略低一些。

　　图3：采用SCR+接触器并联转换

　　逆变器输出侧采用SCR+接触器并联设计，兼顾图1架构的高效率(接触器阻抗小)和图2架构的高可靠快速切换特性(SCR确保快速可靠切换)，解决可靠切换与高效兼容的问题。

　　通过以上3种架构设计的UPS在ECO高效模式工作原理分析，对应设计UPS产品的ECO高效模式关键性能、参数进行列表比较如下所示：

　　通过以上分析可以看出，ECO模式虽然可显著提升UPS效率，但都不能避免一些明显的缺点：

　　UPS输入指标不可控;

　　旁路切换到逆变输出，均有切换时间。

　　因此，也引发了更进一步技术发展：

　　UPS在ECO模式下，解决输入指标(输入功率因数及电流谐波成分)和切换时间问题，满足IEC62040-3定义的Ⅰ类供电质量标准，供电质量接近在线模式，得出一个创新的应用模式被业内称为：超级ECO模式。

　　台达“ECO+APF”洁净模式的超级ECO

　　台达专为大型精密制造而推出的高频大功率工业级UPS，就具有超级ECO的功能。采用ECO+APF模式(洁净模式)，兼具ECO模式的效率和双变换模式的性能，确保高供电质量情况下，效率高达99.5%，逆变器并联旁路供电0ms切换时间。

　　01 ECO+APF洁净模式的工作原理：逆变器与旁路电源并联，负载有功由静态旁路供电，负载的无功由逆变器提供。选择ECO+APF模式时，逆变器作为有源滤波器并联于旁路直供回路，对负载动态抑制谐波和补偿无功。UPS对旁路电流实时侦测及分析，将谐波与基波分离，得到需要补偿的谐波分量送至逆变控制器，控制逆变器PWM信号及驱动IGBT，生成与侦测的谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入旁路供电输出，对负载产生的谐波电流进行补偿或抵消，使得UPS的输入功率因数和电流谐波失真始终维持在校正值以内(典型设置PF≥0.99、THDi≤5%)。

　　02 充电能力：整流器正常工作，输出的DC BUS一部分提供逆变器、另一部分供DC/DC充电器，对蓄电池进行智能充电管理，充电能力与双变换在线模式一致。

　　03 切换时间：旁路输入异常或中断时，负载全部由逆变器供电，逆变器由电流源变为电压源，逆变器会立即维持输出电压，实现零时间切换。

　　ECO模式的应用决策

　　旁路优先的ECO模式或超级ECO模式不可避免的存在潜在风险。

　　当市电不稳定时，旁路和逆变间会反复切换，逆变器频繁面临负荷突增、突减冲击，容易产生热瞬变，从而增加逆变器IGBT等器件的故障率、降低系统可靠度。

　　以牺牲电源保护和供电质量为基础而创新的工作模式，在选择是否启用该模式时，应充分考虑风险与收益平衡支点。

　　因此，在电网不稳定的环境，不建议启用旁路优先的ECO模式或超级ECO模式。在数据中心电网环境较稳定情况下，建议IT负荷2N方案设计时可一路UPS系统采用ECO模式、一路UPS系统采用在线模式;空调等动力负荷可使用ECO模式或超级ECO模式。在确保安全性的情况下，实现UPS的能效提升。