文｜中國人民銀行清算總中心 王力堅

電力是現代工業(yè)文明的基礎，對于計算機應用單位更是如此。隨著計算機的應用日益普及，信息處理技術不斷的發(fā)展，對供電質量要求越來越高，因此，確保供電安全對計算機應用單位來說，是非?，F實而重要的事情。

1 電力質量

電力的質量是由兩個方面、兩個部分交叉構成四個方面的相關術語和概念構成的。兩個方面是指供電方與用電方，兩個部分是指技術部分和非技術部分。四個方面的相關術語和概念為：

（1）供電質量包含技術含義和非技術含義，反映供電方向用電方供給的電力是否合格。

①技術部分含義有電能質量和供電可靠性兩個方面。通常以電壓、頻率和波形等指標來衡量。主要影響為電壓偏差、電壓波動和閃變、電壓不平衡度、頻率偏差、電壓波形畸變率。

②非技術部分含義是指服務質量包括供電方對用戶的技術支持、投訴的反應速度和電力價格等。

（2）用電質量指用電方與供電方之間相互作用和影響用電方的責任，包括技術含義和非技術含義，反映用電方的用電是否合格。

（3）技術部分含義主要為電流質量即對用電方取用電流提出恒定流量、恒定頻率、正弦波形要求。主要影響開機浪涌電流、電流諧波失真、功率因數等。這個定義有助于電網電能質量的改善，并降低網損。

（4）非技術部分含義如用電方是否服從供電管理、按時、如數繳納電費等。

在供電工作中，非技術部分的因素當然也很重要。但我們今天在這對非技術的問題不做討論，主要討論技術問題。

供電質量對工業(yè)和公用事業(yè)用戶的安全生產、經濟效益和人民生活有著很大的影響。供電質量惡化會引起用電設備的效率降低、壽命縮短、處理能力下降、電子和自動化設備失靈等，這些方面我們已有了深入的認識。同樣用電質量的惡化會使供電設備損耗增加，功率因數降低等，從而同樣影響供電，在這方面我們一般認識的不夠深刻。總之，改善供電質量對于電網的安全、經濟運行，保障工業(yè)產品質量和科學實驗的正常進行以及降低能耗等均有重要意義。電能質量直接關系到國民經濟的總體效益。

供電質量的主要問題有：

（1）中斷：指市電中斷并且持續(xù)至少兩個周期到數小時的情況，主要由線路上的斷路器跳閘、市電供應中斷、線路中斷等引起。

（2）電壓偏差：供電電壓對標稱電壓的偏差。

（3）電壓波動：電壓方均根值一系列的變動或連續(xù)的改變。

（4）電壓跌落：在電氣系統某一點的電壓突然下降，經歷半個周期到幾秒鐘的短暫持續(xù)期后恢復正常。主要由大型設備開機、大型電動機啟動或大型電力變壓器接入等引起。

（5）電壓短時中斷：供電電壓消失一段時間，一般不超過1min。短時中斷可以認為是100%幅值的電壓暫降。

（6）脈沖電壓：指峰值達6000V，持續(xù)時間從萬分之一秒至二分之一周期 （10ms）的電壓，主要由于雷擊、電弧放電、靜態(tài)放電或大型設備的開關操作而產生。

（7）頻率偏差：系統頻率的實際值和標準值之差。原因為：應急發(fā)電機不穩(wěn)定運行，或由頻率不穩(wěn)定的電源供電所致。

（8）諧波：對周期性交流量進行傅立葉級數分解，得到頻率為基波頻率大于1整數倍的分量。

雜波干擾（noise） 指射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EFI）以及其他各種高頻干擾，如馬達的運行、斷電器的動作、馬達控制器的工作、廣播發(fā)射、微波幅射以及電氣風暴等。

其中諧波由于近年來大量新型電力電子元件產生，導致變流裝置的廣泛應用以及各種非線性負荷的增加，諧波干擾已成為影響供電質量的主要問題之一。

2 諧波干擾

諧波干擾分為電壓諧波和電流諧波失真干擾。其中電流諧波失真干擾目前已是供電諸多問題中的一個較為突出的問題，諧波的危害主要是使電源電壓畸變，電壓質量下降，線損增大。使電機發(fā)熱，效率下降，COSφ減少。使電機震動增大，轉速不穩(wěn)，產生抖動，噪音增大。使電路三相輸入電流不平衡度加大等。

諧波還會干擾計算機系統正常工作，使電子設備工作不穩(wěn)定，嚴重時甚至無法工作或設置參數過大影響正常工作。

UPS是機房IT設備的供電設備，也是向機房供電的變壓器、發(fā)動機等的最大用電設備，是機房供電諧波失真的主要產生源。經過分析和測試，UPS的電流諧波失真主要產生在UPS的整流器部分，采用傳統6脈或12脈整流方式的UPS，視帶載功率的高低等不同情況，會產生15%～35%的電流諧波。如圖1所示。

安裝濾波裝置是解決諧波干擾的一種方式，但用濾波器對已產生電流的諧波濾波屬后治理的方式，有很多的缺陷。在實際工程中采用有源濾波器，價格高，要額外耗能，濾波器一般不能內置，要另占安裝空間。采用無源濾波器，濾波效果隨UPS的帶載率變化，在現場測量中，發(fā)現在負載率較小的情況下（負載20%～30%），無源濾波器多設置為不啟動狀態(tài)，如果此時啟動濾波器，在降低輸入電流諧波干擾的同時，會降低輸入功率因數，使供電的問題此消彼長。

解決電流諧波干擾最好、最徹底的方式是UPS的整流器采用IGBT整流技術。完整的的講IGBT是一種晶體管的名稱，IGBT管的性能優(yōu)良，使用它后，整流方式可以用PWM脈寬調制，模擬正弦電流的波形，使輸入電流諧波失真降到3%以下，輔助以PFC功率因數校正技術，可以使輸入功率因數提高到98%～99%。這就徹底解決了諧波干擾問題，IGBT整流技術是上述技術集成的俗稱。

不是采用了IGBT作為整流元件，就一定解決諧波干擾問題，采用IGBT作為整流元件和采用IGBT整流技術不能混談。在實際測量中，實測到一些IGBT作為整流元件的UPS，在負載率10%～15%時，諧波失真大于13%，這與采用IGBT整流技術的UPS有實質性的差異。

3 直流供電

直流UPS 供電的優(yōu)點是很多的。

圖1 6脈整流方式電流諧波失真圖

（1）節(jié)能：現在的數據中心都配有具備蓄電裝置的不間斷電源裝置（UPS）。因此，電網提供的交流電經過一次AC-DC轉換，變成直流電供給蓄電裝置后，還要經過DC-AC轉換成交流電，供給服務器等設備。若提供直流電，就會產生明顯的節(jié)電效果。如果利用高效AC-DC轉換器對電網的供電進行一次性轉換，然后供蓄電池和設備使用，轉換損失就會大幅減少。直流UPS 把普通的UPS的雙變換（交-直/直-交）簡化為交-直一次變換，理論上可降低一半的能耗。

圖2 交流UPS的基本電路結構圖

（2）提高可靠性：大型交流UPS一般多采用在線式，它主要是由整流器、逆變器、靜態(tài)旁通開關裝置和蓄電池構成的系統如圖2所示。在電網正常供電時，UPS首先將市電交流電源變?yōu)橹绷麟娫?，然后逆變器將直流電源變成脈寬調制脈沖（PWM），再經逆變器的輸出濾波器，重新變成正弦波電源向負載提供。蓄電池在交流電正常供電時儲存能量，這時它維持在一個正常的充電電壓上。一旦市電供電中斷時，蓄電池立即對逆變器供電，以保證不間斷電源交流輸出電壓供電的連續(xù)性。

和交流UPS一樣，直流UPS的關鍵是輸入電壓中斷后的續(xù)能問題，但直流UPS是將變換后的直流電壓直接送給用電負載。實現直流UPS最簡單的方法是電網電壓經過整流濾波穩(wěn)壓后與蓄電池并聯。直流UPS在市電供電中斷時可以直接用電池供電，減少了逆變器這個中間環(huán)節(jié)，理論上可以提高一個數量級， 如圖3所示。

圖3 直流UPS的基本電路結構圖

（3）減小UPS體積和造價：直流UPS中，逆變器和旁路裝置都可以省略不用，體積和造價當然降低，這是一個很直觀就能得出的結論。

還有電子產品通常容量增加一倍，價格并不需要增加一倍，生活中這種例子很多，兩個250G的硬盤一般會比一個500G的硬盤貴；電力產品剛好相反，通常容量增加一倍，價格增加要多于一倍，比如一個500A的開關的價格遠高于兩個250A的開關價格。

交流UPS中，有多大功率的交流輸出，就需要多大功率的整流器，大功率的UPS造價（包括其中的整流器）都很昂貴。

直流UPS，由于并聯不需要考慮頻率、相位等復雜問題，并聯實現非常簡單，有多大直流輸出，并不需要對應功率的整流器，而是以多組整流器并聯而成，所以造價可以大大減低，如圖4所示。

圖4 直流UPS的內部電路結構圖

（4）提高供電質量

交流供電中所特有的頻率偏差、功率因數、諧波干擾等復雜問題，在直流供電中都不存在。

頻率偏差，因為直流供電電壓不會隨時間周期變化，所以沒有頻率偏差。

功率因數，因為直流供電電壓與電流之間沒有相位差。功率因數的定義是有功功率與視在功率的比值，這在直流供電電路里是不存在的。

諧波干擾，因為諧波對周期性交流量進行傅立葉級數分解，得到頻率為基波頻率大于1整數倍的分量。直流電路沒周期性交流量，也就沒有諧波問題。

當然直流供電還是存在電壓偏差、紋波等問題，但相對交流簡單的多，供電質量容易保證。

采用了直流UPS實際上解決了目前UPS的很多學術之爭，比如高頻機和工頻機誰好誰壞的問題、比如塔式機和模塊化機孰優(yōu)孰劣的問題。直流機沒頻率問題，也就不存在高頻工頻的問題。直流機一定是模塊化的，但現在模塊化機的同步問題，環(huán)流問題等難題直流機上基本都不存在。直流UPS實際應用目前也取得了很大進展，在國外發(fā)達國家，機房采用大規(guī)模直流供電已取得了成功。在我國經過科學家和工程技術人員的不斷探索，試點工作也取得了很大成功。

直流UPS 供電的前景是無限開闊的，目前推廣中遇到的主要問題有：

（1）人們的觀念問題，絕大多數至今還認為，直流供電需要專用的直流IT設備，實踐已經證明，只要選擇合適的直流電壓，絕大多數現有的IT設備不經任何改造就可以在直流環(huán)境下穩(wěn)定運行。

（2）標準和規(guī)范問題，缺乏相應的標準和規(guī)范，直流供電就只能停留在實驗和試點階段，無法標準化的設計和施工改造，應用工作難以大面積推廣。

（3）產品的質量和品牌問題，有技術的優(yōu)勢，不代表有產品優(yōu)勢。但如果直流UPS產品上市一窩蜂，質量沒保證，人們就很容易把產品的問題混同于技術的問題，從而削弱直流供電的技術優(yōu)勢，使直流供電的推廣受到阻礙。

技術的發(fā)展是螺旋式前進的，直流供電技術目前相對交流有很大的技術優(yōu)勢，但這也不是一成不變的。就像模塊化UPS，幾年前因為可以保持很高的帶載率，在用電效率方面對塔式UPS有很大的技術優(yōu)勢。但隨著UPS休眠技術的發(fā)展，塔式UPS的負載率也可以保持到很高，模塊化UPS效率方面的優(yōu)勢已不太明顯。直流供電技術應該抓住舉國注重節(jié)能與低碳減排這一大好的發(fā)展時機，發(fā)揮自己的優(yōu)勢，克服自己的不足，吸取一些技術上一度占有優(yōu)勢，但不能把優(yōu)勢變成勝勢的前車之鑒，加快發(fā)展自己。