電力不足を解消する
高効率UPSシステム
Active Power CleanSource® UPS目的
本稿では、市場で入手可能なさまざまな三相無停電電源装置（UPS）システムの効率の大きな違いについて説明し、ActivePower社が製造するフライホイールベースのUPSシステムが、従来のバッテリー式のダブルコンバージョン方式のUPSよりも全体的に効率が優れていることを、ラボでの研究と実際の現場での測定を通じて実証します。この高い効率により、一般的なデータセンターでは年間数万ドルから数十万ドルのコスト削減を実現することができます。

はじめに
UPSシステムは、データセンター、放送センター、UPSは、短期間（数秒から数分）のエネルギーを貯病院などのミッションクリティカルな施設に電力調蔵し、完全な停電が発生した場合に電力調整と電力整とバックアップ電力を提供します。UPSシステム

補償をします。最も一般的で実用的な直流エネルギ

は、瞬低や電圧上昇などの電圧変動や周波数変動かー貯蔵形態は、化学電池（鉛蓄電池、NiCd蓄電池、らこれらの施設を保護し、また、停電から商用電源NiMH蓄電池など）、フライホイール、ウルトラキの復旧または非常用発電機への切り替えまでの瞬断ャパシタです。その2つの機能を実行するために、を埋めるために一時的な電力を供給します。

UPSはエネルギー、この場合は電気を必要とします。

業界では、UPSの効率は出力電力÷入力電力で測定

米国では2016年、ローレンスバークレー国立研究され、UPSは入力電力の一部を消費します。UPSに所と契約した米国エネルギー省の連邦エネルギー管

よって消費されたエネルギー量は、失われたエネル

理 プ ロ グ ラ ム が、 「 United States Data Center

ギーまたは非効率性を意味します。非効率的なUPS

Energy Usage Report」と題する調査結果を発表しは、商用電力の入力の10%以上をUPS自体で浪費すました。

る可能性があり、データセンター事業者、電力会社、および政策立案者にとって重大な懸念事項になっています。UPSの非効率性は、中規模のミッションクリティカルな負荷を保護する過程で、年間に数十万

https://eta-publications.lbl.gov/sites/default/files/
lbnl-1005775_v2.pdf
この調査では、サーバー、ストレージ、ネットワーkWhrを浪費することになります。

ク機器、インフラからのIT電力需要が測定されましActivePower社のCleanSource®UPSのような、よりた。

効率的なUPSシステムは、電気の無駄とコストを削減することができます。40%という低い負荷で少なくとも96%の効率に達することがラボと現場で証明されているCleanSource® UPSは、ダブルコンバー
ジョン方式のUPSシステムと比較して、データセンターのエネルギー損失を数メガワット、年間数十万ドル削減することができると同時に、他のトポロジー製品の電力品質とシステム信頼性を満たすまたは超えることができます。

UPSの効率の定義
国際電気標準会議（International ElectrotechnicalFigure 1. 現在のトレンドと2010年のエネルギー効率シナリオにおCommittee）によって定義されるUPSの効率は、けるデータセンターの電力消費「定義された動作条件下における（有効）入力電力に対する（有効）出力電力の比率」であり、定義された動作条件とは、特定のパーセント負荷および負荷タイプ（線形／抵抗対非線形）1を指します。

2010年エネルギー効率化シナリオでは、データセンターのエネルギー関連の設計・運用努力が2010年以降も継続されないことを想定しており、現在のトレンドであるエネルギー効率化の実践により、2010年から2020年の間に6,200億kWhの電力が節約されることを示しています。

UPSの効率の重要性

2016年の展望として、報告書は次のように述べてデータセンターの総電力使用量の測定は複雑な作業います。「過去10年間のデータセンターの設計とです。インフラの運用効率やIT負荷の性質のダイナ運用における大幅なエネルギー効率の改善により、ミックな変化と並んで、サーバー運用の電力効率に米国のデータセンターのエネルギー使用量はほぼ一おける急速な進歩が、累積エネルギー使用量の計算定に保たれ、同時にデータセンターサービスに対すを極めて困難にしています。さらに、さまざまなタる需要の大幅な増加に対応することができた。しかイプのデータセンターが登場し、市場自体も変化しし、本調査時に入手可能なデータでは、将来予測のています。

範囲は2020年までと限定されていた。本報告書で最新のデータセンターのカテゴリーは、エッジデー
タセンターの出現です。しかし、従来のデータセン
ターも変わりつつあります。所有・運営されるエンタープライズデータセンターから、急成長しているコロケーションデータセンター、オンライン化または計画されているクラウド規模の施設まで、その範囲は多岐にわたります。

明らかにした主要な効率化戦略、PUEの改善、サーバー利用率の向上、電力配分の改善には、いずれも理論的・実際的な限界があり、現在の改善率からすると、遠くない将来にこれらの限界に達する可能性がある。」

本報告書は、データセンター産業が電力需要の安定効率に対する冷却要件化に成功したことを強調していますが、データセンUPSとその効率を評価する際には、「エネルギーはターサービスの将来の成長に比例した電力需要の増生成も破壊もできない」という熱力学の第一法則を加が再開する前に、成功が単なる一時的なものに終念頭に置くことが重要です。UPSシステムに関してわらないことを確認するためには、ICT機器全般には、有効入力電力と出力電力の差は、UPSが実行すわたるエネルギー効率のさらなる調査と技術的ブレる活動の結果としての熱損失を表します。電気室のークスルーが必要になるでしょう。

適切な設計には、一定の温度帯を維持するための空明らかなのは、電力系統の各ポイント、特にUPSでの省エネが重要になってきているということです。

調または精密冷却システムが含まれます。UPSの効率が低ければ低いほど、より多くの熱が発生し、室内でより多くの冷却が必要となり、資本コストと冷却システムの継続的な運用コストを押し上げます。
効率的な集中型冷却プラントの一般的な経験則として、1kWの熱を冷却するには0.33kWの電力が必要です。その結果、低効率のUPSの運用コストは、追加の冷却コストによってさらに悪化します。

UPS効率に影響を与える要因
UPSシステムの効率に影響を与える主な要因は2つあります。UPSシステム自体のトポロジーと、UPSの負荷率を決定するデータセンターの電源および配電の設計です。
Figure 2. データセンターの電力使用源

UPSトポロジー
UPSシステム自体の設計は効率に大きな影響を与え個々のデータセンターレベルでは、UPSシステムのます。簡単に言えば、いくつかのUPS設計は他のも効率を向上させることで、UPS自体で、また熱負荷のよりも本質的に効率的です。今日、ミッションクの低減や建物の変圧器損失の低減を通じて間接的に、リティカルな施設で使用されている2つの主要なト1日24時間の直接的なエネルギー節約を実現します。

ポロジーがあります。パラレルオンライン（ラインUPSシステムを通じてデータセンターの全機器負荷インタラクティブとも呼ばれます）方式とダブルコが賄われる場合、システム効率を少し改善するだけンバージョン方式です。

でも、年間コストを大幅に削減することができます。
パシフィック・ガス・アンド・エレクトリック社（PG&E）の試算によると、IT機器を1平方フィー
トあたり50Wで稼働させる15,000平方フィートのデータセンターでは、IT機器に年間6.9MWhのエネルギーが必要です。その電力を供給しているUPSシス
テムの効率がわずか5％改善された場合、年間エネ
ル ギ ー 代 は 384,000kWh 、 つ ま り 0.10 ド ル /kWh
（15円/kWh：150円/＄で計算）で約38,000ドル（5,700,000円：150円/＄で計算）削減され、さらに冷却負荷の減少による大幅な節約も可能になります。5

パラレルオンライン方式のUPSシステムは、交流商用電源と並列にインバーターと充電器回路または変圧器を配置します。この設計により、パラレルオンライン方式のUPSは、入ってくる商用電源の過電圧または電圧低下を補償し、適切な電子機器を使用して、過渡現象、電圧変動、またはその他の障害を排除することができます。商用電源が利用できないか、または許容できない域に達すると、パラレルオンラ
イン方式のUPSは蓄積エネルギーからの補償モードに入ります。UPSは商用電源から負荷を切り離し、スタティックスイッチでこの負荷をバッテリーまたはフライホイールから供給されるバックアップ電源

Figure 4. ダブルコンバージョン方式の UPS アーキテクチャに迂回させます。
電力調整について、ダブルコンバージョン方式とパダブルコンバージョン方式のUPSではすべての電力

ラレルオンライン方式のトポロジーの違いを正しくが交流から直流に整流され、また直流から交流に変理解するためには、まずUPSシステムが何から保護換されるため、出力上の完全な正弦波と周波数保護しているのかを理解する必要があります。

が保証され、7種類のすべての障害から保護されます。このアプローチは、常に完璧に調整された負荷

米国電気電子学会（IEEE）規格1159-1995は、過渡を必要としない最新のIT機器電源の要件を上回ると現象、電圧低下、電圧上昇、周波数変動など、電力同時に、大量のエネルギーを使用します。

品質障害の7つのカテゴリーを定義しています。電力会社から需要家に供給される電力の品質によっては、これらの障害の1つ以上が頻繁に発生する可能性があります。最低限、UPS の電力調整機能は、IT負荷に伝送される出力電力が IT 電源の許容範囲内に収まるようにする必要があります7。

Bypass Contactor
Line Inductor
Input
Contactor

Static Disconnect
SwitchInverter
Fuse

OutputContactor

FilterInductor

Flywheel
MachineFlywheel
Converter

Utility
Converter

Figure 3. パラレルオンライン方式のUPSアーキテクチャ

ActivePower社が提供するパラレルオンライン方式

また、同じ定格のバッテリーの半分以下のスペースのUPSは、ダブルコンバージョン方式のUPSとほぼしか必要としません。この結果、バッテリー式UPS同じ方法でほとんどの電力障害に対応します。

システムと比較して、冷却に必要なエネルギーが大ActivePower社のCleanSource® UPSは、40マイク幅に削減されます。

ロ秒ごとに16.67ミリ秒の正弦波をサンプリングし、出力フィルタ・コンデンサで過渡現象を緩和する高速動作のマイクロプロセッサと高速電圧過渡放電ウ
ィンドウを使用しています。パラレルオンライン方式のフライホイール式UPSの簡略化された単線図を見直すと、フライホイール出力の電気経路はダブルコンバージョン方式のUPSとほぼ同じであることが分かります。(Figure2と3を参照）。

近年、UPSベンダーは効率を改善する方法として、ダブルコンバージョン方式のシステム用に「エコモード」または「ソフトモード」と呼ばれる代替動作モデルを開発しています。エコモードでは、標準的なダブルコンバージョン方式のUPSはインバーターモジュールだけをオンにしておき、有効入力電力はバイパス回路を経由させます。瞬時または長期的な停電が発生した場合のみ、UPSは入力電力をバイパ

パラレルオンライン方式のUPSの設計に対する最もスから整流器とインバーターに切り替えます。この一般的な反論は、主電源に同期しているため、周波モードを推進するベンダーは、幅広い負荷に対して数調整に関するものです。ActivePower社は、同じ98～99％の効率を主張しています。

マイクロプロセッサを使用してこの問題に対処し、このようなイベント中にフライホイールを使用して補正することにより、+/- 0.2%程度の周波数変動に抑えるように設計されています。

理論的には、この「エコモード」で動作するUPSは、より少ない処理作業で済むため、かなり大幅に損失を減らすことができます。しかし、電力調整機能をほぼ完全に放棄することによってのみ、高効率を達結果として、パラレルオンライントポロジーは、出成することができるのです。エコモードで動作する

力上のミッションクリティカルな負荷にダブルコン

UPSは、商用電力入力の完全な遮断に対してのみ保バージョン方式のUPSと同レベルの保護を提供しな護します。電力調整が行われないため、IEEEで定義がら、本質的により効率的でより少ないコンポーネされた他の6つの電力障害は補正されません。バイントでよりシンプルな設計となっています。ダブルパス経路の有効電力検知により、UPSは有効入力電コンバージョン方式のUPSシステムは、効率を犠牲力をサンプリングしますが、通常、中断がなければ、にして、近年のIT機器が必要とする以上の補償を提ほとんどの電力はそのまま供給されます。UPS入力供します。以下に示すように、フライホイールベーに中断が発生した場合、高速スイッチングにより、スのパラレルオンライン方式のUPSシステムは、すバイパス経路からインバーターを通して直流電力源べての負荷係数にわたってダブルコンバージョン方（通常はバッテリー）から直接電力を供給するよう式のシステムよりも実質的に高いエネルギー効率をに切り替わります。しかし、他の障害には対処も改持っていることがラボや現場の研究で証明されてい善もされないため、有効出力電力の品質は劇的に低ます。

下し、ミッションクリティカルな負荷が危険にさらされたままとなり、保護された負荷に長期的なダメUPSトポロジーの効率が高いことに加え、フライホージを与える可能性があります。

イールシステムは、バッテリーを備えた従来のダブルコンバージョン方式のUPSよりも、温度やその他また、エコモードの信頼性に関して見落とされがちなの環境条件を維持するために使用するエネルギーが点は、商用電力が途絶えた場合の信頼性です。

少 な く て 済 み ま す 。 ActivePower 社 が 提 供 す る
CleanSource® UPS は 、 広 い 温 度 動 作 範 囲 （ 0 ～40℃）を可能にしているため、温度制御されたバッテリールームに設置する必要がありません。

通常、UPSはバイパスモードからバッテリーのような直流電力源に切り替わり、短い時間内で電力を供給します。しかし、電気スイッチング装置がUPSの故障の最も可能性の高い唯一の原因であることは、一般的に理解されていることです。リスク評価のコンサルティング会社である MTechnology, Inc.は、確率論的リスク評価（PRA）を用いて、例えば自動転送スイッチは単一故障点であるため、予想されるシステム故障の約 95% に関与すると結論付けています8 。これは、複雑な電気機械部品の平均故障間隔（MTBF）100,000 時間に相当します。
MTechnologyの分析を適用すると、エコモードUPSN+1構成では、1つまたは複数のUPSシステムが予のアプローチの信頼性に重大な疑問が生じることに備として機能し、UPSシステムのいずれかが故障しなるのです。

た場合に全負荷をサポートする冗長性を提供します。
3つのUPSモジュールを持つN+1システムでは、設結果として、標準的なダブルコンバージョン方式の計負荷は設置されたUPS容量の66%を超えることは

UPSは、ActivePower社のUPSのようなパラレルオできず、現在の設計基準では、データセンターがフンライン方式のシステムと比較して、電力を調整すル稼働している場合、通常はその90%、または設置るために多くのエネルギーを浪費します。一方で、された容量の60%を超えることはありません。デー

エコモードは、多くの機能を犠牲にすることによっタセンターがフル稼働していない場合、負荷は40てのみ、ActivePower社のUPSと同等の効率を達成～60%の範囲になることがあります。

します。故障の確率が高くなり、電力調整機能がない「エコモード」で動作するダブルコンバージョン

UPSの効率は、負荷に供給される有効電力量によっ方 式 の UPS は 、 ActivePower 社 の CleanSource®て変化し、部分負荷では低下する傾向があります。

UPSのようなパラレルオンライン方式のUPSトポロ

UPSは一般的に、アイドリング状態の自動車に似た、ジーに劣るのです。

電力使用の基本消費量または固定の「オーバーヘッUPS負荷率ド」を持っているため、効率は低負荷で大幅に低下します。基本消費電力は、制御回路、空気循環、おミッションクリティカルな環境におけるUPSシステ

よび充電電流によって駆動され、負荷に関係なく実ムは、通常、電気システムに設計された冗長性のレ質的に一定です。有効出力電力の調整に使用されるベルに応じて、定格容量の30%から80%の間で動作電力は、保護される負荷にほぼ正比例するため、負しています。

荷が増加するにつれて、基本消費電力がエネルギー最も高い冗長性が要求される施設では、UPSシステ効率に与える影響は小さくなります。

ムは2N構成で導入されます。施設の負荷は2つのActivePower社のCleanSource UPSシステムとバッUPSシステムで共有され、片方が故障してももう片テリーを備えた典型的なダブルコンバージョン方式方がデータセンターの重要な負荷を供給します。このUPSシステムの様々な負荷におけるエネルギー効の構成では、ミッションクリティカルな負荷全体が率を、以下の Figure 5にまとめます。

設置されたUPS容量の半分を超えることはありません。通常の動作条件下では、UPS装置が50%以上の負荷で動作することはありません。
通常、このような設計では、UPS容量の30%から40%で動作することになります。これは、一般的な慣習として、特別な動作状態であってもUPSシステムを100%の容量で動作させるべきではなく、データセンターは通常、時間の経過に伴う成長を許容するために余剰容量で設計されているためです。

Figure 5. UPSの効率の比較

ベンダーの主張

事実と作り話

多くの UPS ベンダーは、製品仕様の一部としてエネルギー効率を公表しています。ほとんどのベンダーは、理想的な条件下でのシステムの「最大」効率定格を公表しており、一般的には定格有効出力の75～100%です9。ユーザーや事業者が購入プロセスにおいて非常にエネルギーに対する意識が高いため、一部のUPSベンダーは、購入者を引き付けるために、UPSシステムのあまりにも楽観的な効率を掲載しています。これは、その主張が真実でないということではなく、エンドユーザーの現場で適切に設計されたミッションクリティカルな インフラにおいて、それを再現することは事実上不可能であるということです。オプション（バッテリー式ダブルコンバー
ジョン方式のUPSの場合はフィルターや変圧器など）が追加されるとさらに劇的に変化する可能性があるため、提供されるデータには慎重かつ批判的になる必要があります。
ベンダーが負荷の範囲にわたる効率定格を提供している場合でも、その定格は、制御された状況での試験や、以下に説明するような現場での測定では再現できないことがよくあります。対照的に、
ActivePower社のフライホイールUPSは、以下に示
すように、100%負荷で98%、2N冗長/40%負荷で96%の効率を実証しています。

実証結果：ラボテスト
ローレンスバークレー国立研究所（LBNL）による研究では、様々な負荷条件における様々なUPSトポロジーのエネルギー効率が調査されました10。

ActivePower社のフライホイール式UPSシステムは、33%の負荷で95%の効率を示し、70%以上の負荷では98%まで上昇しました。対照的に、ダブルコンバージョン方式のUPSシステムは、33%負荷で80～90%、50%負荷で85～94%という、かなり低い効率の幅を示しました。最も効率的なダブルコンバージ
ョン方式のUPSは、負荷が75%を超えて初めて95%に近づきましたが、そのほとんどはまだ85～92%の効率に留まっていました11。
これらの結果から、LBNL と PG&E の両社は、データセンターのエネルギー効率を改善するためにフライホイール UPS 技術を強く支持することになりました12。

実証結果：現地評価
フライホイール式UPSトポロジーのエネルギー効率は、実際のデータセンター展開においてラボの結果と一致することが示されており、これはダブルコンバージョン方式のUPSシステムよりも優れています。
シリコンバレーリーダーシップグループ（SiliconValley Leadership Group：SLVG）は、同程度の負荷率を持つ4つの大規模な生産データセンター（2つはダブルコンバージョン方式のUPSシステム、1つはフライホイール式UPSシステム、1つは機械的に結合されたロータリー式UPSシステム）で、実際のUPS電気損失を比較しました13。
Yahoo のサイトに導入されたダブルコンバージョン方式のバッテリーシステムは、ラボの理想を大きく下回る性能を示しました。スペースパークの施設では、負荷58%でUPS効率は91%でした。ワシントン州ワナチーのデータセンターでは、負荷が44%に低下したとき、ダブルコンバージョン方式のUPSの効率は77%にすぎませんでした（これも94%の主張に対して）。このサイトのUPSでは、入力エネルギーの29％以上が失われことになります。
こ れ と は 対 照 的 に 、 NetApp が 導 入 し た Active
Power社のUPSシステムは、わずか45.5%の負荷で96%以上の効率という、ラボテストの期待通りの性能を発揮しました。
SLVGの調査では、2つのバッテリーベースのシステムの電気料金と、より効率的なフライホイールシステムを使用していた場合に削減できた電気料金を比較しました。

Figure 6. UPS効率の工場試験結果

出展：LBNL

ダブルコンバージョン方式のスタティックUPSの両方のサイトで97%の効率のフライホイールシステムに移行した場合、Yahooのエネルギーコストは年間822,426ドル（123,363,900円：150円/＄で計算）以上削減され、UPSのエネルギーコストは80%以上削減される計算となりました。

サイト名ベンダー/設計

出力

UPS負荷率UPS効率Yahoo Space ParkA社 12× 750 kVA static UPS

4.6 MW

58.6%

91.1%

Yahoo Wenatchee

A社 8×750 kVA static UPS

2.4 MW

44.4%

77.1%

Yahoo! Quincy

B社 5× 1625 kVA rotary UPS

3.4 MW

43.6%

91.1%

NetApp Building 11

ActivePower社 2 ×900 kVA flywheel UPS

570 kW

45.5%

96.1%

Table 1:ケーススタディ データセンターの効率比較

出典： SLVG（一部改変）

UPS年間電力損失
サイト名

コスト/kWh

UPS年間電力損失

年間電気代

フライホイール

年間電気代（効率97％）

年間削減額

年間削減額

(削減率 %)（日本円換算）※YahooSpace Park

$0.10

3.9MW

$391,172

1.2MW$123,836$267,336 (68%)

￥40,100,400

YahooWenatchee

$0.10

6.2MW

$619,609

0.6MW$64,519$555,090 (90%)

￥83,263,500$188,355$822,426 (81%)

￥123,363,900

Total$1,010,781

Table 2: ケーススタディ ActivePower社のUPSを導入した場合の削減率

出展： SLVG（一部改変）※150円/＄とした

結論
データセンターのエネルギー消費は、事業者、電力ラボや実際の現場において、40%という低い負荷で会社、および政策立案者にとって重要かつ増大しつ少なくとも96%の効率に達することが証明されていつある懸念事項です。非効率的なUPSシステムは、るCleanSource® UPSは、他のトポロジーの電力品商用入力電力の10％以上がUPS自体の電気的な無質とシステム信頼性を満たし、または上回る一方で、駄になっており、この懸念の一因となっています。

ダブルコンバージョン方式のUPSシステムと比較しActivePower社のCleanSource® UPSのようなフラて、データセンターのエネルギー損失を数MW、年イホイール式のパラレルオンライン方式のUPSシス間数十万ドル削減することができるのです。

テムは、ソリューションの一部となり得ます。
123456789111213

IEC 62040-3, Testing Procedures for UPS Systems. International Electrotechnical Committee. April, 30, 2004, at 52.
U.S. EPA, Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency, Public Law 109-431, Aug. 2, 2007, at 7.
Id. at 53, Table 3-5.
M. Ton, B. Fortenberry, and W. Tschudi, Lawrence Berkeley National Laboratories, DC Power for Improved Data Center Efficiency, MarchPG&E, High Performance Data Centers, Jan. 2006, at 55. http://hightech.lbl.gov/documents/data_centers/06_datacenters-pge.pdf
The industry rule of thumb is that every 10°C increase in temperature doubles the component failure rate of IT equipment.
These tolerances are defined in the Information Technology Industry Council (ITIC) power acceptability curve.
See Active Power White Paper #103, Reliability Assessment of Integrated Flywheel UPS versus Double-Conversion UPS with Batteries.
See, e.g., Liebert’s NX and Series 610 products highlights at http://www.liebert.com/product_pages/SecondaryCategory.aspx?id=4&hz=60;
See also id. at 21, Table 4. Note double conversion UPS systems were tested in standard operating mode only; eco-mode claims were not evaluated.
Id. at 21; PG&E, High Performance Data Centers, Jan. 2006, at 53.
R. Pfefer, Silicon Valley Leadership Group, Data Center Benchmarking.

activepower.com