前言

    近年來，隨著大數據、云計算等技術的快速發展，傳統的數據中心也迎來了一個飛速變革的時期。作為數據中心供配電系統的重要組成部分，UPS也開始發生變化。可靠，高效，易用易維護成為越來越多UPS廠家關注的重點特性。

    那么從UPS產生至今，共經過了哪些變化？是什么引起了這些變化？現在市場上主流的產品有哪些？本文將對這幾個問題進行解答。

    1、UPS分類方法

    UPS的分類方法有很多，從儲能方式可以大致分為動態UPS和靜態UPS，動態UPS和靜態UPS又可以細分為后備式，在線互動式，在線雙轉換式等；從技術上有工頻高頻之分，高頻機中又細分為塔式機和模塊化。

    1.1動態UPS分類

    動態UPS的不間斷供電是通過旋轉部件釋放動能，靜態UPS以蓄電池為儲能工具，動態UPS的典型代表是飛輪UPS，靜態UPS目前市場應用最多的是雙在線轉換式UPS。

    動態飛輪UPS經過幾十年的發展與改進，在大功率UPS市場有著獨樹一幟的應用。市場上應用的飛輪UPS主要有如下幾種。

    a).在線雙變換式飛輪UPS（典型代表：Vycon解決方案)

    這種結構與在線雙變換式UPS非常相像，區別在于，使用飛輪代替了電池進行儲能，需要搭配傳統UPS進行使用，因此應用比較局限。

    Vycon于2002年成立，專門從事飛輪儲能研發生產。產品主要應用在北美。該飛輪后備時間可以達到15~90s。

    b).旋轉在線式飛輪UPS（典型代表：Piller解決方案）

    不同于以上的Vycon解決方案，該解決方案替代傳統UPS。

    耦合扼流圈主要功能是實現電能轉換，補償和濾波。

    核心部件是M/G電動-發電機（UNIBLOCK?)，市電正常時作為電動機帶動飛輪(給飛輪充電），市電異常時飛輪放電，作為發電機，完全是機械式取代電力電子變換，沒有電力電子變換的精確控制，電網適應性和逆變出的質量會變差。

    Piller是UPS領域的百年老店，主打產品UNIBLOCK-T，總部在德國。目前產品主要應用在歐洲和北美。

    c).在線互動式飛輪UPS（典型代表：ActivePower解決方案）

    該方案替代傳統UPS+電池方案。

    在線互動式是目前國內應用最多的方案。工作原理同在線互動式UPS，類似一個有源濾波器，可實現簡單的濾波和穩壓功能，拓撲簡單，效率較高。但是電網適應性和輸出性能指標明顯偏差。

    1.2三種動態UPS抗電網干擾能力對比

    以上是三種比較典型的動態UPS，下面表格對這三種動態UPS抗電網干擾能力做一個簡單的對比。

表1：三種動態UPS抗電網干擾能力對比

    通過以上表格可以看出，在線雙變換式飛輪UPS是抗干擾能力最強的，但是這種飛輪UPS必須搭配傳統UPS進行使用，應用比較局限，目前國內應用最多的是在線互動式飛輪UPS。

    1.3靜態UPS分類

    以上介紹了動態UPS的一些常見架構，下面對應介紹一些靜態UPS。不同于動態UPS，靜態UPS以電池為儲能工具。從工作原理分類來說，常見的靜態UPS主要有后備式，在線互動式，Delta變換式以及在線變換式雙四種。

    a).后備式UPS

    后備式UPS只有在供電異常才啟動逆變器，正常供電時無法對市電電網問題進行調節，供電質量相比而言較差，但其效率較高。

    該架構多用于容量小于3KVA的UPS，結構簡單，一般備電時間在10分鐘左右，通常是方波輸出，主要應用場景是PC機等。

    b).在線互動式UPS

    在線互動式UPS相比后備式而言，增加了穩壓環節，供給負載改良過的市電。其成本低，電路比較簡單，但是無法消除輸入失真和干擾。并且切換時有轉換時間。該架構應用于功率容量5KVA的以下的小容量UPS，結構簡單，通常是方波輸出或模擬正弦波輸出。多用于對PC或辦公設備提供保護。

    c).Delta變換式UPS

    Delta變換UPS的核心為Delta變換器和主變換器。

    Delta變換器的作用為：

    控制輸入電流，是一個高阻正弦波電流源；

    控制電流充電；

    補償輸入電壓,保證輸出電壓穩定不變；

    控制調整輸入功率因數。

    主變換器的作用為：

    控制并穩定輸出電壓,是一個低內阻正弦波電壓源；

    給電池充電；

    市電掉電時,向負載供電；

    市電正常時,補償負載電流中的無功和諧波成分。

    從Delta變換器和主變換器的作用可以看出，Delta變換式UPS對輸入調節能力更強，當然，結構也比在線互動式復雜。該架構應用于功率容量20-200KVA的UPS，輸出為正弦波。

    d).在線變雙換式UPS

    在線雙變換式UPS可以為負載提供很完美的保護，可以濾除電網中基本所有的干擾和諧波，缺點是架構復雜，一般成本較高。該架構應用于功率容量為1-1200KVA的UPS；幾個架構對比來說可靠性最高，目前80%UPS均采用該架構，輸出為標準正弦波，主要對IT負載或其它行業重要負載提供保護。

    UPS工作狀態有多種，分別為主路模式，靜態旁路模式，電池模式以及維修旁路模式。在線雙變換式UPS從架構來說還分為工頻機和高頻機，后文將會講到。

    1.4靜態UPS抗電網干擾能力對比

    下表為以上介紹的四種靜態UPS架構對電網干擾能力的對比。

○：可以抵抗 ╳：可以部分抵抗 △：無法抵抗

    表2：靜態UPS抗電網干擾能力對比

    可以看出，在線雙變換式是抗電網干擾能力最強的。

    1.5動態與靜態UPS的對比

    以上分別介紹了動態和靜態UPS的一些基本拓撲結構，那么動態和靜態UPS對比而言又各有什么優劣呢？

    靜態UPS與動態UPS最大的區別在于其儲能方式，一個是電池儲能，一個是飛輪儲能，下表對比這兩種儲能方式的優劣。

表3：蓄電池儲能與飛輪儲能對比

    可以看出蓄電池儲能與飛輪儲能各有優劣，但是飛輪儲能的后備時間一般僅有15秒，這使得其使用場景受到很大的局限。

    以下再對比以下目前主流的靜態UPS與動態UPS，分別為在線雙變換式與在線互動式飛輪UPS，其中在線雙變換式以華為UPS5000系列為例，在線互動式飛輪UPS以ActivePower為例。

表4：在線雙變換式與飛輪UPS參數對比

    從以上對比來看，除效率外，其他參數UPS5000要優于ActivePower飛輪UPS，并且在UPS通常工作的低載段（40%）效率并不輸給飛輪UPS。表4：在線雙變換式與飛輪UPS參數對比

    通過以上兩個對比我們可以得出如下結論：

    -與傳統UPS相比，飛輪UPS在節能、環保等方面具備一定優勢；

    -飛輪UPS由于固有的缺陷，應用存在一定的局限性：

    備電時間短，僅15S，油機啟動失敗會造成嚴重停電事故；

    價格昂貴，且必須與油機配合使用，增加了初始投資；

    系統復雜，需要原廠專業維護，維護成本高；

    電網適應性差，輸入輸出性能指標都弱于在線雙變換式UPS。

    基于上述分析，飛輪UPS僅適用于以下場景：

    可接受新技術，綠色環保型供電系統；

    電網質量很好，較少斷電事故，系統可靠性要求不高的場合

    2、高頻機與工頻機的對比分析

    靜態UPS目前應用最廣泛的是在線雙變換式UPS，前文介紹了，這也是抗干擾能力最強的靜態UPS，而在線雙變換式UPS從產生至今也經過了從工頻機到高頻機的變化，那么什么是工頻機，為何又會有高頻機產生？

    2.1工頻與高頻介紹

    工頻UPS即基于變壓器的UPS(Transformer-basedUPS),因早期使用SCR半控器件整流，工作頻率與電網頻率一致而得名。

    高頻UPS即無需變壓器的UPS（Transformer-lessUPS），高頻UPS相比于傳統工頻UPS，因整流頻率在10kHz以上而得名。

    工頻UPS在發展過程中，從SCR整流變為IGBT整流，并且不再使用隔離變壓器。因此雖然從名稱上看工頻與高頻是基于頻率來命名，但是業內一般用有無隔離變壓器來做區別。

    2.2工頻UPS變化

    工頻UPS從出現至今，經歷過如下幾次發展與變化。

表5：工頻UPS拓撲發展

    現代工頻UPS已經是使用IGBT整流的高頻UPS，加了隔離變壓器。

    工頻到高頻發展的原因

    從工頻到高頻，探究其發展原因，主要有以下兩個主要原因：

    1、市場的需求。隨著節能減排，綠色等要求的提出，要求UPS更高效，另一方面也要求安裝維護更方便，這些因素推動整個UPS架構的發展；

    2、技術的進步。一方面是器件技術的進步，硅進銅退，在經歷了MOSFET、IGBT等功率器件的更新換代、DSP與數字電路的廣泛應用、LLC、軟開關、三電平逆變等新拓撲的逐漸成熟后，高頻化、數字化、智能化已成為電子產品的主流趨勢。“銅”所代表的變壓器、濾波電感等傳統模擬電路器件正逐漸被“硅”所代表的各種單片機、控制芯片、新型半導體功率器件等數字電路器件所代替。另一方面軟件的迅速發展也使得數字電路技術可以替代部分模擬技術的功能。

    2.3工頻與高頻對比

    可以從以下幾方面對工頻機與高頻機進行對比：

    可靠性，高頻機的可靠性不弱于工頻機

    高頻機發展至今，在可靠性上已經不弱于工頻機，甚至猶有勝之。如下表：

表6：工頻與高頻UPS可靠性對比

    環境適應性，高頻機要優于工頻機

    高頻機是以微處理器作為處理控制中心,將繁雜的硬件模擬電路燒錄于微處理器中,以軟件程序的方式來控制UPS的運行。因此,體積、重量等方面都有明顯的降低,噪音也較小,對空間、環境影響小。

    投資角度，高頻機要優于工頻機

    從設備本身投資角度考慮，二者相差不大（部分廠家高頻機價格好，部分廠家工頻機價格有優勢）,但綜合考慮二者的效率、柴油機配比等問題，從整體投資角度，高頻機要優于工頻機。

    如，某著名廠商的工頻機，12脈沖＋11次諧波濾波器情況下，其建議的和柴油發電機組的最低配比為1：1.4，而同樣該廠商的高頻機，和柴油發電機組的配比理想狀態為1：1（通常考慮1：1.1）

    節能角度，高頻機要優于工頻機

    現在市場上各廠商產品，普遍高頻機的半載效率要優于工頻機，通常高頻機半載效率可達94％，而工頻機半載效率一般為88％左右。

    工頻機體積重量大，安裝施工困難

    由于變壓器的存在，工頻機的占地面積和重量大大超過同功率下的高頻機，由此造成安裝施工困難，增加安裝施工成本。

    注：對于一些工頻機廠家宣傳的高頻機的零地電壓問題，本文不做過多討論，具體可參考數據中心能源白皮書《零地電壓的產生與誤區》

    從以上對比可以看出，高頻機在各方面的表現都優于工頻機，相信在未來會逐步取代市面上的工頻機。

    3、總結

    從UPS的整個發展歷程來看，總體來說是在保證可靠性的基礎上，朝著效率越來越高，維護安裝越來越方便的方向發展的。工頻機發展到高頻機后，在高頻機的基礎上又有很多分支，比如塔式機，類模塊化機器以及模塊化機器。以UPS的整個發展趨勢來看，未來高頻模塊化UPS是其主要發展方向。<