【導(dǎo)讀】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(yùn)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(duì)比各類UPS的優(yōu)劣勢，幫助用戶識(shí)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(shí)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(shí)目的。圖-1所示為工頻機(jī)的典型拓?fù)洹?br/>
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?br/>
圖-2 高頻機(jī)典型拓?fù)?/p>
二、高頻UPS與工頻UPS的對(duì)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(dòng)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(shí)前級(jí)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(gè)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)洌骷ぷ麟娏鞔螅瑹o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(gè)輸出變壓器，致使工頻機(jī)效率下降2%-3%左右；三是在實(shí)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(gè)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(yùn)營商與 西班牙某運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)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(yùn)行效率和模塊化96%左右的運(yùn)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?yàn)楣ゎl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(duì)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(shí)際運(yùn)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(yùn)輸時(shí)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(huì)有差異。事實(shí)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?電力電子技術(shù)上非常常用的拓?fù)洌⒉淮嬖谡l原理上更可靠的問題，其可靠度取決于設(shè)計(jì)的水平。
而對(duì)于變壓器，業(yè)界經(jīng)常可以聽到其很多所謂的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(duì)比
輸出變壓器并不會(huì)增強(qiáng)工頻機(jī)的抗沖擊能力，對(duì)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(shí)可以平 滑電流波形延緩電流沖擊。但實(shí)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(lì)磁電感也不會(huì)太大，在大電流沖擊下 極易飽和，很難對(duì)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(diǎn)與磁性器件原理分析，當(dāng)后級(jí)負(fù)載也就是變壓器輸出側(cè)出現(xiàn)能量沖擊時(shí)，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(lì)磁電流會(huì)直接反射到前端對(duì)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(huì)比 輸出端更大，同時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測后級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)變壓器后端出現(xiàn)突變并反饋到前級(jí)時(shí)，系統(tǒng)采取相關(guān)動(dòng)作較無變壓器的高頻機(jī)來說會(huì)延遲幾十甚至幾百個(gè)ms，此時(shí)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(shí)隔斷直流危險(xiǎn)電壓。工頻機(jī)變壓器確實(shí)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(xiǎn)電壓對(duì)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(shí)，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(xiǎn)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(gè)ms的400V直流。對(duì)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(shí)輸入端口的400Vdc 不會(huì)超出器件耐受范圍，不可能對(duì)設(shè)備造成傷害。而對(duì)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(jì)的原因已無法考證，因?yàn)閺睦碚撋蟻碚f零地電壓的大小并不會(huì)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(diǎn)(TN-S系統(tǒng))或零線與地線分離點(diǎn)(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(huì)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(huì)對(duì)于零地電壓不會(huì)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(jì)。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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)真正的隔離。
實(shí)際上，變壓器的設(shè)計(jì)反而增大了環(huán)流的風(fēng)險(xiǎn)。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(gè)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(chǔ)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(jià)格一般比高頻機(jī)要高30%以上。
綜上，從性能、可靠性、價(jià)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?yàn)榧夹g(shù)能力沉寂了很長時(shí)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(duì)模塊化UPS展開深入測試，根據(jù)各地實(shí)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(duì)模塊化UPS進(jìn)行集中采購。中國移動(dòng)模塊化UPS也以單獨(dú)標(biāo)段進(jìn)行集采。
四、模塊化UPS與高頻塔式UPS的對(duì)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(duì)其一個(gè)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(gè)系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)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(shí)間在半小時(shí)之 內(nèi)，相比于傳統(tǒng)塔式機(jī)典型修復(fù)時(shí)間24小時(shí)，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(huì)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(shí)，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(shí)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(tái)UPS損壞；而對(duì)于模塊化UPS體系，以4+1為例，100%負(fù)載的時(shí)候 可靠性要低于1+1，但是75%負(fù)載率的時(shí)候，模塊化體系實(shí)際就變成了3+2，50%的時(shí)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(shí)現(xiàn)N+2、N+3這種冗余模式，僅需增加1-2個(gè)模塊即可實(shí)現(xiàn)，而塔式機(jī)要做到此模式不僅僅是增加1臺(tái)主機(jī)，機(jī)器運(yùn)輸、場地安裝、走線設(shè)計(jì)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(shí)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(tái)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(gè)步驟中不僅投資高、安裝時(shí)間長，而且在并入新機(jī)時(shí)由于整個(gè)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(xiǎn)。
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(duì)原有負(fù)載的不間斷供電。
3.模塊化UPS運(yùn)輸安裝難度低
塔式機(jī)UPS需要作為一個(gè)整體來安裝、運(yùn)輸，大型單機(jī)就會(huì)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(huì)受到運(yùn)輸通道不足、重量高難運(yùn)輸?shù)睦щy，而模塊化UPS一方面可以將模塊、機(jī)架分開搬運(yùn)，另一方面多數(shù)機(jī)型機(jī)架之間可以分開運(yùn)輸，塔式UPS可 能遇到的問題將迎刃而解。
4.模塊化UPS實(shí)際運(yùn)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?yàn)橄到y(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(dòng)或者設(shè)置自動(dòng)），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(diǎn)96%附近。圖-4即展示了休眠 提升負(fù)載率與運(yùn)行效率的原理。
圖-4 休眠可有效提升UPS負(fù)載率與運(yùn)行效率
而且有些廠家考慮到模塊老化時(shí)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(gè)模塊的老化時(shí)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(duì)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(yùn)行驗(yàn)證，模塊化UPS在這些 方面相較傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)確實(shí)具備很大優(yōu)勢。隨著能源成本持續(xù)增加及用戶對(duì)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。
本文作者：王其英 來源：C114中國通信網(wǎng)
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