随着能源日益稀缺和昂贵，电气效率正在成为大型UPS系统的指定和选型中更加重要的性能因素。有三种微妙而又重要的因素会实质性影响公司运行UPS系统的成本，特别是电费开支。遗憾的是，指定系统的人员经常认识不到这些因素，由于没有正确考虑运行效率问题， 将导致业主成本的增加。本系列文章将对UPS效率评价中常见的错误和误解进行讨论，将解释、比较UPS 效率曲线并将其对成本的影响进行量化。

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指定和选择UPS系统的传统方式几乎将重点完全放在系统的可靠性上，该指标由制造商和咨询工程师提供的平均故障间隔时间（MTBF）表示。当前，两方面的问题正将效率指标推向与可靠性同等重要的地位：

造成UPS低效率有两个主要因素：UPS模块本身的固有损耗，以及系统的实施方式（即适度配置、冗余）。在指定UPS系统时，所考虑的效率值经常只是制造商所公布的最佳状况值。这容易造成误导，将对其进行进一步解释。

假设的例子可能是证明这种惯例对企业电力开支实质性影响程度的最好方式。考虑两套来自不同制造商的1MWUPS系统。UPS系统1和UPS系统2具有相同的公布效率（满载时为93%），以2N式体系结构运行，电费成本为0.10美元/kWh，且支持一300kW负载。许多人会认为运行这两套系统的年度电力成本应该没有区别。除在紧急或维护情况下，这种说法都是站不住脚的。在2N式配置中UPS从不会以100%负载水平运行，因为“N”的每一侧均必须能够在另一侧故障时支持全部负载。因此，正常运行中每一UPS上的最大设计负载不能超过50%。实际上，在每一系统上2N式系统甚至很少达到50%的负载。一些实地调查显示，2N式数据中心仅以其2N容量的20-40%运行。对于本例，假设为典型的30%的负载，每台UPS支持150kW。系统1中每台UPS每年的电力损耗成本为10,470美元，而系统2中每台UPS则为28,322美元。由于每套系统中均有两台UPS，电力损耗成本将分别加倍至每年20,940美元和56,644美元。这些由UPS损耗的能量表现为必须由制冷系统排出的热量。假设每kW热量需要400W的制冷系统功率来排出，则每年需要的额外成本分别为8,376美元和22,651美元。在本例中，典型的数据中心寿命为10年，导致UPS系统损耗总成本分别为293,165美元和793,021美元，如表1所示。那么，这两套看似相同的UPS系统的电力损耗差距是如何达到几乎3倍的呢？

表1  以2N式体系结构、相同负载运行的两套不同系统会发生不同的成本-以美元计

答案在于两套UPS系统的效率曲线及其针对负载的选型方式。一台UPS的效率提高5个百分点可以形成 18%到84%的电力成本缩减，具体取决于UPS上有多大的负载。这一点将在后文采用当前市场上的两种UPS设计加以说明。

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如果在UPS数据单中仅列出了一个UPS效率值，则几乎理所当然地会将该值按100%负载（额定负载）以及其他各种适宜的系统状态（如蓄电池充满电、额定UPS输入电压以及可选的输入变压器和滤波器断开或未安装）下的情况进行引用。实际情况是，多数UPS制造商会引用100%负载下的UPS效率，因为它代表了UPS可以达到的最佳效率。遗憾的是，很少有客户会享受到这种效率的收益，因为他们的负载从来不会达到100%。基于铭牌效率指定UPS就像是买汽车，汽车的最高燃料效率要在高速公路上方可达到，而使用时可能主要是在城市中行驶。指定UPS的一种较好的方法是使用30%左右负载下的效率值，该负载倾向于多数中等到大规模数据中心的平均运行负载。为此，必须首先理解什么是UPS效率曲线以及它是如何绘制的。

图1示出了UPS效率曲线的基本形态。曲线上的最高点对应于最高效率（Y轴）和最高负载水平（X轴）。在此曲线中，最高的UPS效率为93%。为了以实际负载水平指定UPS，客户必须找到或测试常见负载水平（如30%）下的UPS效率（在此曲线上为89%）。在数据中心使用冗余UPS（2N）的情况下，效率会下降更多，原因是负载会在两台UPS之间分配，使效率降低至82%。这种冗余的影响将在后文中讨论。

图1   UPS效率曲线

图2 标识了所有功率的去向，有助于更好地理解图 1的效率曲线。

图2  显示功率最终去向的UPS总输入功率明细

在图中，绿色条表示送至IT负载的所有功率，而红色条表示确定图1中效率曲线的UPS内部损耗。如果UPS具有理想的效率，则供给UPS的所有功率将被送至数据中心负载，使得在所有负载水平下均完全为绿色条（无损耗）。在此情况下，效率“曲线”将呈现为水平线（在所有负载下均为100%）。然而如红色条所示，有些输入功率是被UPS直接使用的。有三种类型的UPS损耗：空载损耗、比例损耗和平方损耗。

在0%负载下，所有输入功率均被UPS使用，因此定名为“空载”损耗。也可以采用其他名称，如“自有”（tare）、“恒定”、“固定”、“分流”（shunt）及“并联”损耗。这些损耗与负载无关，是由向变压器、电容器、逻辑电路板以及通信卡等设备供电所致。空载损耗可占到所有UPS损耗的40%以上，其提高UPS效率的潜力远高于其他类型的损耗。这一点将在附录中进行更为详细的讨论。

随着UPS所承担负载的增加，更大量的功率必须在其功率路径上被各种组件进行“消耗”。例如，晶体管的开关损耗以及随负载成比例增加的半导体和整流器的导通损耗都会增加系统的比例损耗量。

随着UPS所承担负载的增加，流经其组件的电流也将增大。这将导致UPS中的损耗随电流的平方而变化，这种损耗有时被称为“I²R”损耗。以热量形式耗散的功率损耗与电流的平方成正比。平方损耗在较高的UPS负载下将变得明显（1-4%）。

两台或更多UPS间效率比较的特定性质意味着只有其损耗（图2中的红色条）会被评价。效率曲线本身就可以表达关于UPS的大量信息，包括对其比例、空载和平方损耗在所有负载水平上的量化。绘出这三类损耗相对UPS负载百分比的关系将得出类似图3的功率损耗图。应注意空载损耗如何在整个负载谱内保持恒定，同时比例损耗会随着UPS所承载IT设备的增加而沿斜坡增加。

图3  功率损耗图

指定UPS系统的人很容易会不考虑一种UPS相比其他产品的效率改进。表2列出了各种理由以及这些理由不足之处。

表2  不考虑UPS效率的理由

企业将按照电表测量的用电量支付电费。这是指定任何设备的最终基准。这就是制造商的效率曲线数据应以实际客户设施为依据的原因。此外，数据中心电源系统的设计应考虑到对整个动力系而非单纯对UPS的效率影响。一个例证就是去除输入滤波器以提高测得的UPS效率。按其本身的性质，UPS会产生谐波或有害电流，使上游导线和变压器的热损耗增加，因此会降低效率。UPS输入滤波器通过削弱交流电的谐波分量，可以是这些负面影响最小化。通过去除输入滤波器以提高测得的UPS效率，制造商实质上是将热损耗及其相关电气损耗推到了更上游的地方。最后，最终用户将不知不觉地支付一笔额外的效率成本，在满载下其值将超过0.5到1个百分点。这是因为UPS通常加载约为30%，滤波器的固定损耗在其中占有很大比重。例如，在电价为0.10美元/kWh条件下，假设负载为30%的1MWUPS的最佳可能效率为89%。如果在这一负载水平上增加一个滤波器，并将效率降低三个百分点，年度电费成本将由32,481美元升至42,781美元，升幅接近32%。

按效率指定UPS的最有效方法可能就是要求制造商提供可以完全描述其UPS相比其他产品的节能优势的效率曲线。注意该曲线应配有输入和输出功率数据，以便可以采用简单的数据表在0%至100%负载之间的每个点上计算出节能量。重要的是该制造商曲线要基于与被指定方式类似的配置。本系列文章的附录将通过对各种情境的研究，提供对UPS效率比较的深度讨论。

下期我们来看提高大型UPS效率的设计手段。