發布日期：2022-04-17 點擊率：112
【導讀】目前UPS產品在行業應用已有五十余年的歷史，其為保障關鍵設備和業務的不間斷運行做出了卓越的貢獻。隨著信息化建 設的不斷推進，需要UPS保護的場景越來越多，其作用愈發重要。當前市場上存在工頻機、高頻塔式機、高頻模塊化UPS三類產品，其利弊優劣眾說紛紜，令用 戶感到十分困惑。本文旨在通過闡述UPS的發展歷史及對比各類UPS的優劣勢，幫助用戶識別UPS產品發展的趨勢所在。
一、從工頻機UPS到高頻塔式機UPS的發展
工頻機結構UPS技術出現在上世紀70年代，因其整流工作頻率與電網頻率一致而得名。受制于當時半導體技 術發展，逆變器中IGBT器件耐壓只能做到600V，故母線電壓受限，逆變器輸出電壓不能做到380V；而且工頻機逆變器是全橋電路，輸出為三相火線，無 法滿足單相IT負載和三相四線制負載的需求，必須進行Δ-Y轉換。為解決這些問題，廠家在工頻機逆變器輸出端加入了變壓器用于升壓和產生中線，以使輸出電 壓滿足負載的要求，這便是工頻機內置變壓器的真實目的。圖-1所示為工頻機的典型拓撲。
圖-1 工頻機典型拓撲
而到上世紀90年代，第三代溝槽型IGBT面世，其耐壓能力提升至1200V，促使了UPS技術的革新。通過整流側高頻升壓電路將母線電壓提升至 700V左右，逆變器輸出電壓可以做到380V，輸出變壓器得以取消。而這種整流逆變電路都工作在高頻（幾kHz以上）且沒有輸出變壓器的UPS就被稱為 高頻UPS。圖-2所示為一典型的高頻機拓撲。
圖-2 高頻機典型拓撲
二、高頻UPS與工頻UPS的對比
1.工頻機輸入功率因數低、諧波高
工頻機UPS采用可控硅半控整流，6脈沖整流UPS輸入功率因數低于0.7，諧波高達30%；12脈沖整流UPS輸入功率因數最高僅為0.8，諧波 高達15%，即使加上諧波處理措施，功率因數最高也只能改善至0.95。相比之下，高頻機采用IGBT-PFC全控整流，輸入功率因數業界均可做到 0.99，諧波電流小于3%。嚴重的諧波污染不僅可能干擾其他設備無法工作、使控制與保護器件誤動作外，而且直接導致投資大幅增加：客戶需要購買額外的諧 波處理設備降低諧波；如果前端接柴油發電機備電，發電機的容量要配置為UPS容量的2-3倍，同時前級配電器件、線纜等均需要提升20%左右，而高頻機只 需前端發電機容量配置為UPS容量的1.2-1.5倍即可，配電容量和UPS容量保持一致或略高。
2.工頻機功耗大
有三個因素導致工頻UPS效率低于高頻UPS。一是工頻UPS整流為降壓拓撲，器件工作電流大，無論是內部線路無論是線性損耗還是平方損耗都比高頻 機高；二是因輸出需要升壓的原因工頻機比高頻機多內置一個輸出變壓器，致使工頻機效率下降2%-3%左右；三是在實際應用中，為了提高輸入功率因數至 0.95以上，并降低其注入電網的諧波污染，工頻機還要外置一個5次或11次諧波濾波器，效率將再次下降2%-3%。據英國某運營商與 西班牙某運營商現網運行統計數據，工頻UPS的效率一般在85%左右，相比高頻92%左右的運行效率和模塊化96%左右的運行效率，導致大量的能量損失。 以400kW負載為例，工頻機將比高頻機年多耗電41萬度，比模塊化年多耗電近58萬度。除此之外，工頻UPS還有高諧波、低功率因數等導致配電線纜損耗 增大等問題。
3.工頻機體積大、重量重
因為工頻機采用低頻器件且配置輸出變壓器，致使UPS體積重量大大增加。以某品牌400kVA工頻機和高頻機對比，工頻機重量是高頻機的2.2倍， 體積是高頻機的1.5倍，在實際運輸中可能存在機房門或者走道偏小、電梯載重不夠、樓層承重不足等問題，有些情況下甚至需要用吊車裝卸，然后破墻而入來安 裝工頻UPS，大大增加了運輸時間及成本。
4.工頻機相比高頻機在可靠性方面并無優勢
工頻機和高頻機的主要差異體現在整流器和變壓器上。工頻機整流器采用SCR器件，電壓應力小，電流應力大，高頻機主要采用IGBT器件，電流應力 小，電壓應力大。SCR與IGBT目前均為成熟器件，只要應用得當，可靠性并不會有差異。事實上，工頻機的逆變部分也是使用IGBT，并沒有因此而降低工 頻機的可靠性，也沒有證據證明逆變器是工頻機的薄弱環節。從拓撲上講，工頻機用的是相控整流+全橋逆變，高頻機一般采用高頻整流+半橋逆變。這些拓撲均為 電力電子技術上非常常用的拓撲，并不存在誰原理上更可靠的問題，其可靠度取決于設計的水平。
而對于變壓器，業界經常可以聽到其很多所謂的優點，比如抗沖擊能力強、降低零地電壓等，然而真的是這樣嗎？
第一，過載能力強，抗負載沖擊能力強。過載能力是IEC62040-3中要求標稱的關鍵指標之一，其強弱可通過實際數據來衡量。表-1所示為同一廠商的工頻機與高頻機過載能力，由表-1可知，兩類機型過載能力并沒有區別。
表-1 某廠商工頻機與高頻機過載能力對比
輸出變壓器并不會增強工頻機的抗沖擊能力，對于變壓器可以增強抗沖擊能力的想象來源于變壓器的電感特性，電感平滑電流的能力在負載電流激增時可以平 滑電流波形延緩電流沖擊。但實際上電感平滑電流的能力與其本身感量成正比。工頻機輸出變壓器變比小，變壓器輸出繞組的勵磁電感也不會太大，在大電流沖擊下 極易飽和，很難對逆變器的沖擊有明顯的緩沖作用。而按照傳統變壓器傳遞能量的特點與磁性器件原理分析，當后級負載也就是變壓器輸出側出現能量沖擊時，在變 壓器能量傳遞能力達到飽和上限之前，后端的尖峰勵磁電流會直接反射到前端對UPS的IGBT產生沖擊，并且由于變壓器的變比問題前端所受到的沖擊電流會比 輸出端更大，同時造成的損害也更為嚴重。而且，工頻系統由于變壓器的磁滯特性，難以實時監測后級動態響應。當變壓器后端出現突變并反饋到前級時，系統采取相關動作較無變壓器的高頻機來說會延遲幾十甚至幾百個ms，此時流過IGBT的沖擊電流已經足夠損壞UPS甚至引發火災。
第二，在逆變器IGBT管直通故障時隔斷直流危險電壓。工頻機變壓器確實可以避免直流傳遞至副邊，但高頻機通過快速檢測與保護措施一樣可以避免直流 危險電壓對負載造成危害。當高頻機逆變某IGBT出現直通故障時，UPS控制器可立即檢測輸出電流異常，并通過整流單元關機及輸出端口熔絲保護等措施快速 隔斷直流危險電壓到輸出端口的路徑。在保護過程中，輸出到負載端口的電壓約為持續幾個ms的400V直流。對于使用開關電源供 電的IT負載來說，其輸入允許電壓可以達到276Vac，整流之后電壓也在400Vdc左右，器件選型等均依據母線電壓選型。此時輸入端口的400Vdc 不會超出器件耐受范圍，不可能對設備造成傷害。而對于工頻機而言，其原邊加載直流電壓，將導致電流急劇增大，溫度快速上升，可能引發火災等更嚴重故障。
第三，可以降低零地電壓。許多服務器等 設備都有零地電壓的要求，盡管這樣設計的原因已無法考證，因為從理論上來說零地電壓的大小并不會影響IT設備的正常工作。在數據中心中，IT設備只允許使 用TN-S或TN-C-S供電制式，那么IT設備輸入端口的零地電壓主要由零線接地點(TN-S系統)或零線與地線分離點(TN-C-S系統)至IT輸入 端口的零線阻抗與零線電流及系統中三次諧波電流決定。在相同的系統中，無論是工頻機還是高頻機均不會影響零線阻抗，而零線電流及三次諧波電流主要是與三相 負載配置與負載特性有關，即UPS的類型不會對于零地電壓不會有明顯的影響。真正決定零地電壓的是配電系統的設計。如果需要改善零地電壓，最好是從配電系 統入手，著手減少線路阻抗與零線電流。減少線路阻抗最有效的方式即在負載的列頭柜內置隔離變壓器。需要注意的是在應用時有將工頻機變壓器副邊直接接地的做 法，這是一種不規范的做法。工頻機變壓器N線并未隔離，對于TN-S系統和N與PE已經分開的TN-C-S系統，N線重新接地也將導致PE線有電流流過， 可能干擾設備正常工作。國標還是IEC標準均不允許此種不規范做法。
而第四，工頻UPS的變壓器可以起到隔離作用，可以保障人身安全。為了保障主旁平穩切換，工頻UPS輸出N線由旁路引入，也即工頻機的變壓器并不能 起到電氣隔離作用，也不能重新接地。在需要隔離場合的場景，即使使用工頻UPS，其旁路也必須加一變壓器用于隔離N線，以實現真正的隔離。
實際上，變壓器的設計反而增大了環流的風險。圖-3所示為兩類機型的環流路徑。工頻機UPS的并聯就是變壓器的直接并聯，整條回路上沒有器件限制，電壓的偏差很容易產生環流。而高頻機的環流路徑上具備多個二極管，小于2V的電壓差根本形不成環流。
圖-3 工頻機與高頻機并機環流路徑
5.工頻機增加用戶投資
由于工頻機整流工作在市電頻率，需要更大的電感儲能。其更大體積的電感與無法省掉的變壓器均由銅和磁性材料組成，成本難以下降，價格一般比高頻機要高30%以上。
綜上，從性能、可靠性、價格上講，高頻機比工頻機均具備優勢。從各主要廠家的系列來看，業界主要廠商均已不推出新工頻機型，部分廠商已全面轉向高頻機的研發與銷售。工頻機被高頻機取代已是大勢所趨。
三、從高頻塔式機UPS到模塊化UPS的發展
模塊化UPS早在上世紀九十年代即已出現，但因為技術能力沉寂了很長時間。而自2000年起，由于DSP、數字控制等技術的發展，多功率模塊并聯均流控制問題得以逐步解決，模塊化UPS技術開始蓬勃發展。2009-2010年中國電信對模塊化UPS展開深入測試，根據各地實際使用單位的反饋，中國電信認為業界主流模塊化UPS已滿足通信行業的使用要求，并于2011年底開始對模塊化UPS進行集中采購。中國移動模塊化UPS也以單獨標段進行集采。
四、模塊化UPS與高頻塔式UPS的對比
1.模塊化UPS系統可用性高
供配電系統作為現在信息系統極為重要的一環，對其一個基本的要求就是該系統必須能連續工作。而要達到連續工作這一目的，首先是系統應具備較高的可靠 性，其次該系統必須做到能夠快速修復。如果不能快速修復，就可能面臨二次故障導致整個系統癱瘓的風險，客戶的負載就不能保障連續工作。
在快速修復方面，模塊化UPS具備天生優勢。首先，在修復時間上，由于快速插拔這一特性，模塊化UPS現場即可完成更換，平均的修復時間在半小時之 內，相比于傳統塔式機典型修復時間24小時，修復速度明顯提升。其次，在修復質量上，模塊化UPS的修復形式是將故障模塊更換，而傳統塔式機需要原廠派專 業工程師到現場進行故障定位，然后拆機修復故障電路、單板，修復周期長，而且存在溝通和定位過程，易造成重復工作，影響故障處理效率。
可能有的用戶會質疑，認為模塊化UPS的N+1體系結構不如1+1并機系統穩定。確實，從理論上來講，N+1并機系統中1+1的可靠性肯定是最高的。但是實際的場景中往往不是這么簡單：
首先，此結論忽略了負載率這一情況，作為1+1并機系統，最多只能允許一臺UPS損壞；而對于模塊化UPS體系，以4+1為例，100%負載的時候 可靠性要低于1+1，但是75%負載率的時候，模塊化體系實際就變成了3+2，50%的時候就變成了2+3，可靠性要遠大于1+1并機。在常見應用場景 中，UPS負載率是在20~40%左右的，在這種情況下模塊化的優勢具有非常明顯的優勢。
其次，不同于傳統單機，模塊化UPS可以輕易實現N+2、N+3這種冗余模式，僅需增加1-2個模塊即可實現，而塔式機要做到此模式不僅僅是增加1臺主機，機器運輸、場地安裝、走線設計以及相應的配電、電池都需變更，導致投資大幅增加。
綜上，UPS模塊化在實際場景中可靠性遠高于傳統塔式并機；再加上UPS快速維護、擴容的特性，模塊化UPS的可用性更是大大高于傳統塔式機。
2.模塊化UPS的擴展性更好
塔式機擴容需要購買整臺新機、將機器安裝到位、將系統中其他UPS轉旁路后把新機接入系統，整個步驟中不僅投資高、安裝時間長，而且在并入新機時由于整個系統處于旁路狀態，存在市電中斷導致負載掉電的風險。
而模塊化只要初期規劃好配電系統，就可以通過增加模塊來匹配負載的提升，且在擴容過程中保障對原有負載的不間斷供電。
3.模塊化UPS運輸安裝難度低
塔式機UPS需要作為一個整體來安裝、運輸，大型單機就會比較困難。如容量400kVA的UPS重量一般為1500kg左右，體積超過3m3，塔式 機UPS會受到運輸通道不足、重量高難運輸的困難，而模塊化UPS一方面可以將模塊、機架分開搬運，另一方面多數機型機架之間可以分開運輸，塔式UPS可 能遇到的問題將迎刃而解。
4.模塊化UPS實際運行效率高
目前高頻塔式UPS與模塊化UPS均可做到最高96%的效率值，但這是在負載率在50%以上才能達到的。而前面提到，因為系統冗余及超前規劃，常見 工況下UPS負載率在20~40%左右。高頻塔式機在此工況下只能做到94~95%的效率，而主流模塊化UPS普遍具備“模塊休眠”特性在保證一定系統冗 余的基礎上，可以休眠一定數量的模塊（可以手動或者設置自動），讓UPS系統工作在效率比較高的區域，即保持在效率最高點96%附近。圖-4即展示了休眠 提升負載率與運行效率的原理。
圖-4 休眠可有效提升UPS負載率與運行效率
而且有些廠家考慮到模塊老化時間可能不同，更進一步開發了“輪換休眠功能”：即每隔一段設定好的周期，休眠模塊進行輪換，以平均每個模塊的老化時間，提升整體UPS系統壽命。圖-5展示了輪換休眠的典型過程。
圖-5 輪換休眠技術
五、結束語
自其誕生之日起，模塊化UPS就旨在滿足用戶對于供電系統的可用性、可靠性、可維護性及節能等方面的需求。經過長期的運行驗證，模塊化UPS在這些 方面相較傳統UPS系統確實具備很大優勢。隨著能源成本持續增加及用戶對供電系統的靈活性、可用性等要求的進一步提高，模塊化UPS必將得到更廣泛的應 用。
本文作者：王其英 來源：C114中國通信網
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