數(shù)據(jù)中心能源白皮書 01 ——UPS架構(gòu)的發(fā)展

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(tài)UPS和靜態(tài)UPS，動態(tài)UPS和靜態(tài)UPS又可以細(xì)分為后備式，在線互動式，在線雙轉(zhuǎn)換式等;從技術(shù)上有工頻高頻之分，高頻機(jī)中又細(xì)分為塔式機(jī)和模塊化。

　　1.1 動態(tài)UPS分類

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

　　動態(tài)飛輪UPS經(jīng)過幾十年的發(fā)展與改進(jìn)，在大功率UPS市場有著獨樹一幟的應(yīng)用。市場上應(yīng)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(jié)構(gòu)與在線雙變換式UPS非常相像，區(qū)別在于，使用飛輪代替了電池進(jìn)行儲能，需要搭配傳統(tǒng)UPS進(jìn)行使用，因此應(yīng)用比較局限。

　　Vycon于2002年成立，專門從事飛輪儲能研發(fā)生產(chǎn)。產(chǎn)品主要應(yīng)用在北美。該飛輪后備時間可以達(dá)到15~90s。

 

　　b).旋轉(zhuǎn)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(tǒng)UPS。

　　耦合扼流圈主要功能是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，補(bǔ)償和濾波。

　　核心部件是M/G電動-發(fā)電機(jī)(UNIBLOCK?) ，市電正常時作為電動機(jī)帶動飛輪(給飛輪充電)，市電異常時飛輪放電，作為發(fā)電機(jī)，完全是機(jī)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(wǎng)適應(yīng)性和逆變出的質(zhì)量會變差。

　　Piller是UPS領(lǐng)域的百年老店，主打產(chǎn)品UNIBLOCK-T，總部在德國。目前產(chǎn)品主要應(yīng)用在歐洲和北美。

 

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

　　該方案替代傳統(tǒng)UPS+電池方案。

　　在線互動式是目前國內(nèi)應(yīng)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(xiàn)簡單的濾波和穩(wěn)壓功能，拓?fù)浜唵?，效率較高。但是電網(wǎng)適應(yīng)性和輸出性能指標(biāo)明顯偏差。

　1.2 三種動態(tài)UPS抗電網(wǎng)干擾能力對比

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

　　表1：三種動態(tài)UPS抗電網(wǎng)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(qiáng)的，但是這種飛輪UPS必須搭配傳統(tǒng)UPS進(jìn)行使用，應(yīng)用比較局限，目前國內(nèi)應(yīng)用最多的是在線互動式飛輪UPS。

　　1.3 靜態(tài)UPS分類

　　以上介紹了動態(tài)UPS的一些常見架構(gòu)，下面對應(yīng)介紹一些靜態(tài)UPS。不同于動態(tài)UPS，靜態(tài)UPS以電池為儲能工具。從工作原理分類來說，常見的靜態(tài)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(wǎng)問題進(jìn)行調(diào)節(jié)，供電質(zhì)量相比而言較差，但其效率較高。

　　該架構(gòu)多用于容量小于3KVA的UPS，結(jié)構(gòu)簡單，一般備電時間在10分鐘左右，通常是方波輸出，主要應(yīng)用場景是PC機(jī)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(wěn)壓環(huán)節(jié)，供給負(fù)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(zhuǎn)換時間。該架構(gòu)應(yīng)用于功率容量5KVA的以下的小容量UPS ，結(jié)構(gòu)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(shè)備提供保護(hù) 。

 

　　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(bǔ)償輸入電壓,保證輸出電壓穩(wěn)定不變;

　　 控制調(diào)整輸入功率因數(shù)。

 

　　主變換器的作用為：

　　 控制并穩(wěn)定輸出電壓,是一個低內(nèi)阻正弦波電壓源;

　　 給電池充電;

　　 市電掉電時,向負(fù)載供電;

　　 市電正常時,補(bǔ)償負(fù)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(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，當(dāng)然，結(jié)構(gòu)也比在線互動式復(fù)雜。該架構(gòu)應(yīng)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(fù)載提供很完美的保護(hù)，可以濾除電網(wǎng)中基本所有的干擾和諧波，缺點是架構(gòu)復(fù)雜，一般成本較高。該架構(gòu)應(yīng)用于功率容量為1-1200 KVA的UPS;幾個 架構(gòu)對比來說可靠性最高，目前80% UPS均采用該架構(gòu)，輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，主要對IT負(fù)載或其它行業(yè)重要負(fù)載提供保護(hù)。

 

UPS工作狀態(tài)有多種，分別為主路模式，靜態(tài)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(gòu)來說還分為工頻機(jī)和高頻機(jī)，后文將會講到。

　　1.4 靜態(tài)UPS抗電網(wǎng)干擾能力對比

　　下表為以上介紹的四種靜態(tài)UPS架構(gòu)對電網(wǎng)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(tài)UPS抗電網(wǎng)干擾能力對比

　　可以看出，在線雙變換式是抗電網(wǎng)干擾能力最強(qiáng)的。

　　1.5 動態(tài)與靜態(tài)UPS的對比

　　以上分別介紹了動態(tài)和靜態(tài)UPS的一些基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，那么動態(tài)和靜態(tài)UPS對比而言又各有什么優(yōu)劣呢?

　　靜態(tài)UPS與動態(tài)UPS最大的區(qū)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(yōu)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(yōu)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(tài)UPS與動態(tài)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Active Power為例。

　　表4：在線雙變換式與飛輪UPS參數(shù)對比

　　從以上對比來看，除效率外，其他參數(shù)UPS5000要優(yōu)于Active Power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。

通過以上兩個對比我們可以得出如下結(jié)論：

　　 與傳統(tǒng)UPS相比，飛輪UPS在節(jié)能、環(huán)保等方面具備一定優(yōu)勢;

　　 飛輪UPS由于固有的缺陷，應(yīng)用存在一定的局限性：

　　 備電時間短，僅15S，油機(jī)啟動失敗會造成嚴(yán)重停電事故;

　　 價格昂貴，且必須與油機(jī)配合使用，增加了初始投資;

　　 系統(tǒng)復(fù)雜，需要原廠專業(yè)維護(hù)，維護(hù)成本高;

　　 電網(wǎng)適應(yīng)性差，輸入輸出性能指標(biāo)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(shù)，綠色環(huán)保型供電系統(tǒng);

　　電網(wǎng)質(zhì)量很好，較少斷電事故，系統(tǒng)可靠性要求不高的場合

　　2、高頻機(jī)與工頻機(jī)的對比分析

　　靜態(tài)UPS目前應(yīng)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(qiáng)的靜態(tài)UPS，而在線雙變換式UPS從產(chǎn)生至今也經(jīng)過了從工頻機(jī)到高頻機(jī)的變化，那么什么是工頻機(jī)，為何又會有高頻機(jī)產(chǎn)生?

　　2.1 工頻與高頻介紹

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

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

　　工頻UPS在發(fā)展過程中，從SCR整流變?yōu)镮GBT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(yè)內(nèi)一般用有無隔離變壓器來做區(qū)別。

　　2.2 工頻UPS變化

　　工頻UPS從出現(xiàn)至今，經(jīng)歷過如下幾次發(fā)展與變化。

　　表5：工頻UPS拓?fù)浒l(fā)展

　　現(xiàn)代工頻UPS已經(jīng)是使用IGBT整流的高頻UPS，加了隔離變壓器。

　　2.2 工頻到高頻發(fā)展的原因

　　從工頻到高頻，探究其發(fā)展原因，主要有以下兩個主要原因：

　　1、市場的需求。隨著節(jié)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(hù)更方便，這些因素推動整個UPS架構(gòu)的發(fā)展;

　　2、技術(shù)的進(jìn)步。一方面是器件技術(shù)的進(jìn)步，硅進(jìn)銅退，在經(jīng)歷了MOSFET、IGBT等功率器件的更新?lián)Q代、DSP與數(shù)字電路的廣泛應(yīng)用、LLC、軟開關(guān)、三電平逆變等新拓?fù)涞闹饾u成熟后，高頻化、數(shù)字化、智能化已成為電子產(chǎn)品的主流趨勢。“銅”所代表的變壓器、濾波電感等傳統(tǒng)模擬電路器件正逐漸被“硅”所代表的各種單片機(jī)、控制芯片、新型半導(dǎo)體功率器件等數(shù)字電路器件所代替。另一方面軟件的迅速發(fā)展也使得數(shù)字電路技術(shù)可以替代部分模擬技術(shù)的功能。

　　2.3 工頻與高頻對比

　　可以從以下幾方面對工頻機(jī)與高頻機(jī)進(jìn)行對比：

　　可靠性，高頻機(jī)的可靠性不弱于工頻機(jī)

　　高頻機(jī)發(fā)展至今，在可靠性上已經(jīng)不弱于工頻機(jī)，甚至猶有勝之。如下表：

　　表6：工頻與高頻UPS可靠性對比

　　環(huán)境適應(yīng)性，高頻機(jī)要優(yōu)于工頻機(jī)

　　高頻機(jī)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(huán)境影響小。

　　投資角度，高頻機(jī)要優(yōu)于工頻機(jī)

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

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

　　節(jié)能角度，高頻機(jī)要優(yōu)于工頻機(jī)

　　現(xiàn)在市場上各廠商產(chǎn)品，普遍高頻機(jī)的半載效率要優(yōu)于工頻機(jī)，通常高頻機(jī)半載效率可達(dá)94%，而工頻機(jī)半載效率一般為88%左右。

　　工頻機(jī)體積重量大，安裝施工困難

　　由于變壓器的存在，工頻機(jī)的占地面積和重量大大超過同功率下的高頻機(jī)，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(jī)廠家宣傳的高頻機(jī)的零地電壓問題，本文不做過多討論，具體可參考數(shù)據(jù)中心能源白皮書《零地電壓的產(chǎn)生與誤區(qū)》

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

　　3、總結(jié)

　　從UPS的整個發(fā)展歷程來看，總體來說是在保證可靠性的基礎(chǔ)上，朝著效率越來越高，維護(hù)安裝越來越方便的方向發(fā)展的。工頻機(jī)發(fā)展到高頻機(jī)后，在高頻機(jī)的基礎(chǔ)上又有很多分支，比如塔式機(jī)，類模塊化機(jī)器以及模塊化機(jī)器。以UPS的整個發(fā)展趨勢來看，未來高頻模塊化UPS是其主要發(fā)展方向。那么高頻模塊化和高頻塔式又有什么區(qū)別，如何選擇模塊化UPS?這部分內(nèi)容可參考數(shù)據(jù)中心能源白皮書《如何選擇模塊化UPS》