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目前UPS產(chǎn)品在行業(yè)應(yīng)用已有五十余年的歷史,，其為保障關(guān)鍵設(shè)備和業(yè)務(wù)的不間斷運行做出了卓越的貢獻(xiàn),。隨著信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，需要UPS保護(hù)的場景越來 越多,，其作用愈發(fā)重要,。當(dāng)前市場上存在工頻機(jī)、高頻塔式機(jī),、高頻模塊化UPS三類產(chǎn)品,，其利弊優(yōu)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(fā)展歷史及對比各類UPS的優(yōu)劣勢,，幫助用戶識別UPS產(chǎn)品發(fā)展的趨勢所在。
一,、從工頻機(jī)UPS到高頻塔式機(jī)UPS的發(fā)展
工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS技術(shù)出 現(xiàn)在上世紀(jì)70年代,，因其整流工作頻率與電網(wǎng)頻率一致而得名。受制于當(dāng)時半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)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(jī)逆變器是全橋電路,，輸出為三相火線,，無法滿足單相IT負(fù)載和三相四線制負(fù)載的需求，必須進(jìn)行Δ-Y轉(zhuǎn)換,。為解決 這些問題,，廠家在工頻機(jī)逆變器輸出端加入了變壓器用于升壓和產(chǎn)生中線，以使輸出電壓滿足負(fù)載的要求,，這便是工頻機(jī)內(nèi)置變壓器的真實目的,。圖-1所示為工頻 機(jī)的典型拓?fù)洹?/p>
圖-1 工頻機(jī)典型拓?fù)?/p>
而到上世紀(jì)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(shù)的革新。通過整流側(cè)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(jī)拓?fù)洹?/p>
圖-2 高頻機(jī)典型拓?fù)?/p>
二,、高頻UPS與工頻UPS的對比
1.工頻機(jī)輸入功率因數(shù)低、諧波高
工頻機(jī)UPS采用可控硅半控整流,，6脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)低于0.7,，諧波高達(dá) 30%；12脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)最高僅為0.8,，諧波高達(dá)15%,，即使加上諧波處理措施，功率因數(shù)最高也只能改善至0.95,。相比之下,，高頻機(jī)采 用IGBT-PFC全控整流，輸入功率因數(shù)業(yè)界均可做到0.99,，諧波電流小于3%,。嚴(yán)重的諧波污染不僅可能干擾其他設(shè)備無法工作、使控制與保護(hù)器件誤動 作外,，而且直接導(dǎo)致投資大幅增加：客戶需要購買額外的諧波處理設(shè)備降低諧波；如果前端接柴油發(fā)電機(jī)備電,，發(fā)電機(jī)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(jī)只需前端發(fā)電機(jī)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(jī)功耗大
有三個因素導(dǎo)致工頻UPS效率低于高頻UPS。一是工頻UPS整流為降壓拓?fù)?，器件工作電?大,，無論是內(nèi)部線路無論是線性損耗還是平方損耗都比高頻機(jī)高；二是因輸出需要升壓的原因工頻機(jī)比高頻機(jī)多內(nèi)置一個輸出變壓器,，致使工頻機(jī)效率下降2%-3 %左右,；三是在實際應(yīng)用中，為了提高輸入功率因數(shù)至0.95以上,，并降低其注入電網(wǎng)的諧波污染,，工頻機(jī)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(jù)英國某運營商與西班牙某運營商現(xiàn)網(wǎng)運行統(tǒng)計數(shù)據(jù),，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(dǎo)致大量的能量損失,。以400kW負(fù)載為例，工頻機(jī)將比高頻機(jī)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(shù)等導(dǎo)致配電線纜損耗增大等問題,。
3.工頻機(jī)體積大、重量重
因為工頻機(jī)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(jī)和高頻機(jī)對比，工頻機(jī)重量是高頻機(jī)的2.2倍,，體積是高頻機(jī)的1.5倍,，在實際運輸中可能存在機(jī)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(jī)相比高頻機(jī)在可靠性方面并無優(yōu)勢
工頻機(jī)和高頻機(jī)的主要差異體現(xiàn)在整流器和變壓器上。工頻機(jī)整流器采用SCR器件,，電壓應(yīng)力小,， 電流應(yīng)力大，高頻機(jī)主要采用IGBT器件,，電流應(yīng)力小,，電壓應(yīng)力大,。SCR與IGBT目前均為成熟器件，只要應(yīng)用得當(dāng),，可靠性并不會有差異,。事實上，工頻 機(jī)的逆變部分也是使用IGBT,，并沒有因此而降低工頻機(jī)的可靠性,，也沒有證據(jù)證明逆變器是工頻機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)。從拓?fù)渖现v,，工頻機(jī)用的是相控整流+全橋逆 變,，高頻機(jī)一般采用高頻整流+半橋逆變。這些拓?fù)渚鶠殡娏﹄娮蛹夹g(shù)上非常常用的拓?fù)?，并不存在誰原理上更可靠的問題,，其可靠度取決于設(shè)計的水平。
而對于變壓器,，業(yè)界經(jīng)?？梢月牭狡浜芏嗨^的優(yōu)點，比如抗沖擊能力強(qiáng),、降低零地電壓等,，然而真的是這樣嗎？
第一,，過載能力強(qiáng),，抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)。過載能力是IEC62040-3中要求標(biāo)稱的關(guān)鍵指標(biāo)之一,，其強(qiáng)弱可通過實際數(shù)據(jù)來衡量,。表-1所示為同一廠商的工頻機(jī)與高頻機(jī)過載能力，由表-1可知,，兩類機(jī)型過載能力并沒有區(qū)別,。
表-1 某廠商工頻機(jī)與高頻機(jī)過載能力對比
輸出變壓器并不會增強(qiáng)工頻機(jī)的抗沖擊能力，對于變壓器可以增強(qiáng)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(fù)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(jī)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(tǒng)變壓器傳遞能量的特點與磁性器件原理分 析,，當(dāng)后級負(fù)載也就是變壓器輸出側(cè)出現(xiàn)能量沖擊時，在變壓器能量傳遞能力達(dá)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(chǎn)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(yán)重,。而且,，工頻系統(tǒng)由于變壓器的磁滯特性，難以實時監(jiān)測后級動 態(tài)響應(yīng),。當(dāng)變壓器后端出現(xiàn)突變并反饋到前級時,，系統(tǒng)采取相關(guān)動作較無變壓器的高頻機(jī)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(jīng)足夠損 壞UPS甚至引發(fā)火災(zāi),。
第二,，在逆變器IGBT管直通故障時隔斷直流危險電壓。工頻機(jī)變壓器確實可以避免直流傳遞至副 邊,，但高頻機(jī)通過快速檢測與保護(hù)措施一樣可以避免直流危險電壓對負(fù)載造成危害,。當(dāng)高頻機(jī)逆變某IGBT出現(xiàn)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(guān)機(jī)及輸出端口熔絲保護(hù)等措施快速隔斷直流危險電壓到輸出端口的路徑,。在保護(hù)過程中，輸出到負(fù)載端口的電壓約為持續(xù)幾個ms的400V 直流,。對于使用開關(guān)電源供電的IT負(fù)載來說,，其輸入允許電壓可以達(dá)到276Vac，整流之后電壓也在400Vdc左右,，器件選型等均依據(jù)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(shè)備造成傷害,。而對于工頻機(jī)而言,，其原邊加載直流電壓，將導(dǎo)致電流急劇增大,，溫度快速上升,，可能 引發(fā)火災(zāi)等更嚴(yán)重故障。
第三,，可以降低零地電壓,。許多服務(wù)器等設(shè)備都有零地電壓的要求，盡管這樣設(shè)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(shè)備的正常工作,。在數(shù)據(jù)中心中，IT設(shè)備只允許使用TN-S或TN-C-S供電制式,，那么IT設(shè)備輸入 端口的零地電壓主要由零線接地點(TN-S系統(tǒng))或零線與地線分離點(TN-C-S系統(tǒng))至IT輸入端口的零線阻抗與零線電流及系統(tǒng)中三次諧波電流決定,。 在相同的系統(tǒng)中，無論是工頻機(jī)還是高頻機(jī)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(fù)載配置與負(fù)載特性有關(guān),，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(tǒng)的設(shè)計。如果需要改善零地電壓,，最好是從配電系統(tǒng)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(fù)載的列頭柜內(nèi)置隔離變壓器,。需要注意的是在應(yīng)用時有將工頻機(jī)變壓器副邊直接接地的做法,，這是一種不規(guī)范的做法。工頻機(jī)變壓器N線并未隔 離,，對于TN-S系統(tǒng)和N與PE已經(jīng)分開的TN-C-S系統(tǒng),，N線重新接地也將導(dǎo)致PE線有電流流過，可能干擾設(shè)備正常工作,。國標(biāo)還是IEC標(biāo)準(zhǔn)均不允許 此種不規(guī)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(wěn)切換，工頻 UPS輸出N線由旁路引入,，也即工頻機(jī)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(xiàn)真正的隔離,。
實際上,，變壓器的設(shè)計反而增大了環(huán)流的風(fēng)險。圖-3所示為兩類機(jī)型的環(huán)流路徑,。工頻機(jī)UPS的并聯(lián)就是變壓器的直接并聯(lián),，整條回路上沒有器件限制，電壓的偏差很容易產(chǎn)生環(huán)流,。而高頻機(jī)的環(huán)流路徑上具備多個二極管,，小于2V的電壓差根本形不成環(huán)流。
圖-3 工頻機(jī)與高頻機(jī)并機(jī)環(huán)流路徑
5.工頻機(jī)增加用戶投資
由于工頻機(jī)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(jī)要高30%以上,。
綜上,，從性能、可靠性,、價格上講,，高頻機(jī)比工頻機(jī)均具備優(yōu)勢。從各主要廠家的系列來看,，業(yè)界主要廠商均已不推出新工頻機(jī)型,，部分廠商已全面轉(zhuǎn)向高頻機(jī)的研發(fā)與銷售。工頻機(jī)被高頻機(jī)取代已是大勢所趨,。
三、從高頻塔式機(jī)UPS到模塊化UPS的發(fā)展
模塊化UPS早在上世紀(jì)九十年代即已出現(xiàn),，但因為技術(shù)能力沉寂了很長時間,。而自2000年起，由于DSP,、數(shù)字控制等技術(shù)的發(fā)展,，多功率模塊并聯(lián)均流控制問題得以逐步解決，模塊化UPS技術(shù)開始蓬勃發(fā)展,。2009-2010年中國電信對模塊化UPS展開深入測試,，根據(jù)各地實際使用單位的反饋，中國電信認(rèn)為業(yè)界主流模塊化UPS已滿足通信行業(yè)的使用要求,，并于2011年底開始對模塊化UPS進(jìn)行集中采購,。中國移動模塊化UPS也以單獨標(biāo)段進(jìn)行集采。
四,、模塊化UPS與高頻塔式UPS的對比
1.模塊化UPS系統(tǒng)可用性高
供配電系統(tǒng)作為現(xiàn)在信息系統(tǒng)極為重要的一環(huán),，對其一個基本的要求就是該系統(tǒng)必須能連續(xù)工作。而 要達(dá)到連續(xù)工作這一目的,，首先是系統(tǒng)應(yīng)具備較高的可靠性,，其次該系統(tǒng)必須做到能夠快速修復(fù)。如果不能快速修復(fù),，就可能面臨二次故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓的風(fēng) 險,，客戶的負(fù)載就不能保障連續(xù)工作。
在快速修復(fù)方面,，模塊化UPS具備天生優(yōu)勢,。首先，在修復(fù)時間上,，由于快速插拔這一特性,，模塊 化UPS現(xiàn)場即可完成更換，平均的修復(fù)時間在半小時之內(nèi),，相比于傳統(tǒng)塔式機(jī)典型修復(fù)時間24小時,，修復(fù)速度明顯提升。其次，在修復(fù)質(zhì)量上,，模塊化UPS的 修復(fù)形式是將故障模塊更換,，而傳統(tǒng)塔式機(jī)需要原廠派專業(yè)工程師到現(xiàn)場進(jìn)行故障定位，然后拆機(jī)修復(fù)故障電路,、單板,，修復(fù)周期長，而且存在溝通和定位過程,，易 造成重復(fù)工作,，影響故障處理效率。
可能有的用戶會質(zhì)疑,，認(rèn)為模塊化UPS的N+1體系結(jié)構(gòu)不如1+1并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定,。確實，從理論上來講,，N+1并機(jī)系統(tǒng)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(jié)論忽略了負(fù)載率這一情況,，作為1+1并機(jī)系統(tǒng),，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(fù)載的時候可靠性要低于1+1，但是75%負(fù)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(yuǎn)大于1+1并機(jī),。在常見應(yīng)用場景中,，UPS負(fù)載率是在20~40%左右的，在這種情況下模塊化的優(yōu)勢具有非常明顯的優(yōu)勢,。
其次,，不同于傳統(tǒng)單機(jī)，模塊化UPS可以輕易實現(xiàn)N+2,、N+3這種冗余模式,，僅需增加1-2個模塊即可實現(xiàn)，而塔式機(jī)要做到此模式不僅僅是增加1臺主機(jī),，機(jī)器運輸,、場地安裝、走線設(shè)計以及相應(yīng)的配電,、電池都需變更,，導(dǎo)致投資大幅增加,。
綜上，UPS模塊化在實際場景中可靠性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)塔式并機(jī),；再加上UPS快速維護(hù),、擴(kuò)容的特性，模塊化UPS的可用性更是大大高于傳統(tǒng)塔式機(jī),。
2.模塊化UPS的擴(kuò)展性更好
塔式機(jī)擴(kuò)容需要購買整臺新機(jī),、將機(jī)器安裝到位、將系統(tǒng)中其他UPS轉(zhuǎn)旁路后把新機(jī)接入系統(tǒng),，整個步驟中不僅投資高,、安裝時間長，而且在并入新機(jī)時由于整個系統(tǒng)處于旁路狀態(tài),，存在市電中斷導(dǎo)致負(fù)載掉電的風(fēng)險,。
而模塊化只要初期規(guī)劃好配電系統(tǒng)，就可以通過增加模塊來匹配負(fù)載的提升,，且在擴(kuò)容過程中保障對原有負(fù)載的不間斷供電。
3.模塊化UPS運輸安裝難度低
塔式機(jī)UPS需要作為一個整體來安裝,、運輸,，大型單機(jī)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(jī)UPS會受到運輸通道不足、重量高難運輸?shù)睦щy,，而模塊化UPS一方面可以將模塊,、機(jī)架分開搬 運，另一方面多數(shù)機(jī)型機(jī)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(fù)載率在50%以上才 能達(dá)到的,。而前面提到,，因為系統(tǒng)冗余及超前規(guī)劃，常見工況下UPS負(fù)載率在20~40%左右,。高頻塔式機(jī)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(tǒng)冗余的基礎(chǔ)上，可以休眠一定數(shù)量的模塊（可以手動或者設(shè)置自動）,，讓UPS系統(tǒng)工作在效率比較高的區(qū) 域,，即保持在效率最高點96%附近。圖-4即展示了休眠提升負(fù)載率與運行效率的原理,。
圖-4 休眠可有效提升UPS負(fù)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(jìn)一步開發(fā)了“輪換休眠功能”：即每隔一段設(shè)定好的周期,，休眠模塊進(jìn)行輪換，以平均每個模塊的老化時間,，提升整體UPS系統(tǒng)壽命,。圖-5展示了輪換休眠的典型過程。
圖-5 輪換休眠技術(shù)
五,、結(jié)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(tǒng)的可用性、可靠性,、可維護(hù)性及節(jié)能等 方面的需求,。經(jīng)過長期的運行驗證，模塊化UPS在這些方面相較傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)確實具備很大優(yōu)勢,。隨著能源成本持續(xù)增加及用戶對供電系統(tǒng)的靈活性,、可用性等 要求的進(jìn)一步提高，模塊化UPS必將得到更廣泛的應(yīng)用,。