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模塊化架構是UPS技術發展的必然趨勢

2014/9/5 14:16:36 電源在線網

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。