- 1 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(一)：UPS架構(gòu)的發(fā)展
- 2 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(二)：如何選用模塊化UPS
- 3 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(三)：如何提升UPS效率
- 4 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(四)：零地電壓的產(chǎn)生與誤區(qū)
- 5 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(五)：隔離變壓器在UPS中的作用
- 6 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(六)：數(shù)據(jù)中心常見(jiàn)的供配電接地系統(tǒng)
- 7 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(七)：如何為數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)選擇合適的UPS
數(shù)據(jù)中心能源白皮書(二)：如何選用模塊化UPS
- 2018-06-11 21:59:55
- Amber
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- 最后編輯：Amber 于 2018-06-11 22:51:06
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面對(duì)眾多UPS廠家鋪天蓋地的宣傳，以及各技術(shù)流派的不同觀點(diǎn)。如何選用一款合適的模塊化UPS，什么樣的UPS才是真正的模塊化UPS，正困擾著眾多的UPS用戶。本文將為讀者解答這一難題。
1. 為什么要用模塊化UPS?
事實(shí)上很多用戶都會(huì)問(wèn)這個(gè)問(wèn)題。業(yè)界通常的認(rèn)識(shí)是，在安裝維護(hù)、后期擴(kuò)容方面，模塊化UPS具備塔式UPS無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。而在綠色環(huán)保、高效節(jié)能等方面，則主要取決于UPS內(nèi)部電路與所使用的技術(shù)，如IGBT整流還是SCR整流、輸出是否有隔離變壓器等，與外部結(jié)構(gòu)的關(guān)系并不大。但要注意的是：與早期的工頻機(jī)相比，目前大部分模塊化UPS因?yàn)椴捎脽o(wú)變壓器設(shè)計(jì)與IGBT整流等高頻化技術(shù)，在降低諧波與提升效率方面有明顯優(yōu)勢(shì)，這同時(shí)也是高頻塔式UPS相對(duì)傳統(tǒng)工頻UPS的技術(shù)亮點(diǎn)。
1.1 模塊化UPS的優(yōu)勢(shì)
一般來(lái)說(shuō)，廠家宣傳中的模塊化UPS都具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
易用性好，安裝擴(kuò)容方便
可用性強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單
隨需擴(kuò)容，節(jié)省初期投資
模塊休眠提升效率，節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本
智能網(wǎng)管，強(qiáng)大的監(jiān)控
作為高頻機(jī)家族的一員，高頻模塊化UPS與高頻塔式UPS的共同優(yōu)點(diǎn)還包括：
綠色環(huán)保，降低諧波污染：得益于DSP控制的功率因數(shù)校正技術(shù)，高頻UPS拋棄了工頻機(jī)時(shí)代的SCR(可控硅)整流技術(shù)，輸入諧波電流進(jìn)一步降低，對(duì)電網(wǎng)的污染減小，而輸入功率因數(shù)也接近于1(大部分可做到0.99，幾乎相當(dāng)于純阻性負(fù)載)
高效節(jié)能，降低電費(fèi)開(kāi)支：變壓器的取消、低導(dǎo)通損耗的功率器件、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、新拓?fù)涞膽?yīng)用，進(jìn)一步提升了高頻UPS的效率。
體積小重量輕，運(yùn)輸安裝方便：因?yàn)槿∠溯敵龈綦x變壓器，高頻UPS的體積進(jìn)一步縮小，重量也輕了很多。無(wú)論是運(yùn)輸還是安裝，都比工頻UPS更加方便。
高功率密度，節(jié)省占地面積：大功率器件的應(yīng)用、DSP數(shù)字控制系統(tǒng)、更先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、損耗的降低、熱仿真等關(guān)鍵技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得在同等體積下，高頻UPS可以獲得更大的輸出功率。而單機(jī)架容量的大幅提升、有限的機(jī)房面積，也使得越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心更青睞高頻UPS。
無(wú)論從發(fā)展趨勢(shì)，采購(gòu)成本，還是實(shí)際的售后維護(hù)角度來(lái)看，除個(gè)別場(chǎng)景外，高頻UPS各方面指標(biāo)都優(yōu)于傳統(tǒng)的工頻UPS。高頻機(jī)取代工頻機(jī)這一發(fā)展趨勢(shì)也已經(jīng)獲得業(yè)界的廣泛認(rèn)可，目前各生產(chǎn)廠家均減少或停止了工頻機(jī)的研究。最近幾年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，海外絕大部分的新建數(shù)據(jù)中心都已經(jīng)將高頻UPS作為采購(gòu)首選。
表1：工頻UPS、高頻塔式UPS、高頻模塊化UPS的區(qū)別
1.2用戶常見(jiàn)問(wèn)題
a).工頻UPS器件少，是不是比模塊化UPS更可靠?
工頻UPS主要采用可控硅進(jìn)行整流(6脈沖或12脈沖)，在輸入功率因數(shù)、諧波電流等電氣指標(biāo)上性能較差，但其電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)三十余年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。而且因?yàn)閁PS一般使用年限較長(zhǎng)，一些用戶在更換時(shí)還會(huì)習(xí)慣性的選擇很多年前曾經(jīng)使用過(guò)的工頻UPS。高頻UPS推出市場(chǎng)也已經(jīng)有十多年的時(shí)間，目前各廠家的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在電路結(jié)構(gòu)上，和工頻UPS相比可靠性并無(wú)多少差別。
作為高頻UPS家族的新成員，模塊化UPS推出時(shí)間稍晚，但因?yàn)橐拙S護(hù)等特點(diǎn)，發(fā)展較為迅速，各廠家也紛紛推出自己的模塊化UPS。
圖1：6脈沖與12脈沖的電路與電流波形
早期的模塊化UPS因?yàn)榧夹g(shù)上尚未成熟，尤其是一些廠家在控制邏輯、模式轉(zhuǎn)換、故障退出等方面的設(shè)計(jì)缺陷，給部分用戶留下模塊化UPS可靠性不高的印象。而實(shí)際上，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，尤其是各種新器件、新技術(shù)的應(yīng)用，各主流廠家的模塊化UPS技術(shù)上已經(jīng)成熟，質(zhì)量上也較為可靠。越來(lái)越多的高頻塔式UPS為方便后續(xù)維護(hù)，也在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用“類模塊化”的技術(shù)。
可以說(shuō)，產(chǎn)品的形態(tài)并不是區(qū)別可靠性的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品的可靠性由廠商追求可靠性的態(tài)度和專一程度決定，如系統(tǒng)方案是否有充足的冗余、應(yīng)用電路是否成熟、器件是否保留充足裕量、生產(chǎn)工藝與制造體系是否完備、產(chǎn)品出廠測(cè)試是否全面等等。模塊化UPS的可靠性并不比工頻機(jī)差，同時(shí)因?yàn)槠淠K化的結(jié)構(gòu)，維護(hù)方便，可用性更高等特點(diǎn)越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞。因此，決定產(chǎn)品是否可靠的因素，更多的還是要看生產(chǎn)廠家本身的實(shí)力。
b).模塊化UPS均流能力怎么樣?
模塊化UPS的均流與其它形態(tài)的UPS的均流并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，性能指標(biāo)都要遵從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。參考國(guó)內(nèi)郵電部UPS的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YDT-2165，輸出功率大于4kVA時(shí)，系統(tǒng)滿載輸出不均流度小于等于5%，輸出功率小于4kVA時(shí)，系統(tǒng)滿載輸出不均流度小于等于10%。
c).模塊化UPS可靠性和塔式UPS并機(jī)系統(tǒng)一樣?
很多用戶都將模塊化UPS看做傳統(tǒng)塔式機(jī)的簡(jiǎn)單并機(jī)，但二者在工作原理上的區(qū)別，往往被人們忽視。比如，并機(jī)系統(tǒng)中一臺(tái)UPS損壞后其他UPS仍可工作，很多人認(rèn)為和模塊化UPS是一樣的。但實(shí)際上并機(jī)系統(tǒng)中一臺(tái)UPS故障后(切換到旁路模式)，為避免不同UPS輸出差異造成短路(正常模式輸出額定電壓，旁路模式輸出的是市電電壓)，系統(tǒng)會(huì)將全部并機(jī)UPS整體切換到旁路模式，此時(shí)市電直供存在掉電風(fēng)險(xiǎn)。而模塊化UPS不存在此風(fēng)險(xiǎn)—一臺(tái)功率模塊故障后會(huì)自動(dòng)退出系統(tǒng)，系統(tǒng)中的剩余功率模塊仍然可以正常工作。所以模塊化UPS的使用安全性更高。
圖2：并機(jī)UPS系統(tǒng)其中一臺(tái)故障后全部UPS轉(zhuǎn)旁路模式
d).模塊化UPS可靠嗎?常見(jiàn)的故障有哪些?
UPS的故障大部分發(fā)生在功率轉(zhuǎn)換部分(整流與逆變電路)。從模塊化UPS的設(shè)計(jì)理念上來(lái)看，因?yàn)椴捎昧斯β誓K冗余技術(shù)，功率轉(zhuǎn)換部分的可靠性顯著提升，其他部分如旁路、輸入輸出配電、監(jiān)控等部分因電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件較少，本身可靠性較高。所以模塊化UPS的整體可用性比塔式UPS更高。從部分用戶的反饋來(lái)看，模塊化UPS容易出現(xiàn)的故障情況一般是：功率模塊故障后不能退出系統(tǒng)、主控模塊故障后備用模塊無(wú)法快速接替工作、模塊間通訊故障造成的系統(tǒng)故障、各種通訊線干擾造成的誤告警、功率模塊之間無(wú)法均流等。
e).模塊化UPS沒(méi)有隔離變壓器是否可靠?
傳統(tǒng)的工頻UPS因?yàn)殡娐吠負(fù)渑c早期功率器件的局限性，需要在輸出端內(nèi)置變壓器來(lái)進(jìn)行升壓，以便達(dá)到負(fù)載需要的工作電壓。同時(shí)輸出端的變壓器也能一定程度上緩沖負(fù)載對(duì)UPS的影響。相當(dāng)于隔離變壓器對(duì)系統(tǒng)多形成了一層隔離。在現(xiàn)今的模塊化UPS中功率模塊一般在輸入/輸出都配有保險(xiǎn)絲，輸出也有繼電器隔離，可以起到與工頻機(jī)隔離變壓器相同的作用。同時(shí)一旦功率模塊故障，DSP能快速做出反應(yīng)，將故障模塊隔離出系統(tǒng)。所以，模塊化UPS并不會(huì)因?yàn)槿鄙倭烁綦x變壓器就會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。相反，傳統(tǒng)工頻機(jī)的隔離變壓器因?yàn)轶w積大、重量重等因素越來(lái)越難以適應(yīng)高密高效、靈活安裝等新型數(shù)據(jù)中心的需求。同時(shí)變壓器本身的損耗在降低系統(tǒng)效率的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量熱量，縮短UPS內(nèi)部器件的壽命。
目前各大UPS主流廠家均將無(wú)輸出隔離變壓器的高頻UPS產(chǎn)品作為主打產(chǎn)品進(jìn)行推廣。除一些特殊場(chǎng)景外，需要隔離變壓器的場(chǎng)景已經(jīng)越來(lái)越少了。
2. 模塊化UPS與塔式UPS對(duì)比
模塊化UPS相比傳統(tǒng)塔式UPS有很多優(yōu)點(diǎn)，但在不同的地區(qū)和行業(yè)，因?yàn)檎J(rèn)知的不同也存在一些爭(zhēng)議。本文不做過(guò)多比較，僅列舉相關(guān)特性對(duì)比如下。投資對(duì)比僅供參考，各廠家產(chǎn)品價(jià)格不同，應(yīng)以實(shí)際情況為準(zhǔn))
表2：塔式UPS與模塊化UPS的可靠性對(duì)比
表3：塔式UPS與模塊化UPS的易用性對(duì)比
表4：塔式UPS與模塊化UPS的投資對(duì)比
3. 如何選擇一款合適的模塊化UPS?
對(duì)于模塊化UPS，各廠家都宣稱自己的產(chǎn)品是真正的模塊化UPS，那么什么樣的UPS才是模塊化UPS?對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，哪些參數(shù)特性才是需要關(guān)注的?哪些指標(biāo)又是必須要滿足的?筆者認(rèn)為，對(duì)用戶而言，主要可以從外部特性、電氣性能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、易用性設(shè)計(jì)、制造工藝、售后服務(wù)這6個(gè)方面來(lái)進(jìn)行考量。
3.1 通過(guò)產(chǎn)品外部特性選擇：體積、模塊重量、走線方式、并柜方式等
體積：隨著大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的發(fā)展，出于大規(guī)模數(shù)據(jù)運(yùn)算與降低能耗的考慮，數(shù)據(jù)中心將越來(lái)越呈現(xiàn)集中化的趨勢(shì)。因此也要求UPS具備更小的體積、更高的功率密度、更靈活的安裝方式。占地面積小、單柜功率密度高的UPS將為用戶節(jié)省更多的機(jī)房租金。目前一般的模塊化UPS都可以做到功率柜單柜支持200kVA以上容量(約0.5~0.7m2，不包括配電開(kāi)關(guān)柜)。
系統(tǒng)容量：系統(tǒng)容量與模塊大小以及模塊可并聯(lián)數(shù)量有關(guān)，理論上來(lái)說(shuō)，使用CAN總線方案，一條CAN總線上最多可以連接49個(gè)節(jié)點(diǎn)。(注：關(guān)于這個(gè)理論，可參考華為白皮書之《模塊化UPS并聯(lián)數(shù)量的討論》)但是考慮到模塊并聯(lián)越多，邏輯越復(fù)雜，因此建議一個(gè)UPS系統(tǒng)模塊數(shù)量建議不超過(guò)20個(gè)。
單模塊容量/重量：目前各廠家的功率模塊容量從10kVA到50kVA均有產(chǎn)品提供，某些廠家的同一UPS系統(tǒng)中還可以使用不同的功率模塊。較小的模塊容量意味著同等容量的系統(tǒng)中將會(huì)使用到更多的功率模塊，系統(tǒng)可靠性將會(huì)隨之降低(控制邏輯復(fù)雜、信號(hào)干擾增大，可能會(huì)因?yàn)閱文K故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障);而較大的模塊容量在系統(tǒng)容量較低時(shí)，可能會(huì)冗余不足或造成容量浪費(fèi)(如60kVA系統(tǒng)容量，如果使用50kVA模塊，必須使用兩個(gè)，考慮冗余至少需要三個(gè))。當(dāng)然，如果系統(tǒng)整體容量較大的話，也可以選用容量較大的功率模塊。模塊容量建議一般為20~40kVA比較合適。
從使用的角度而言，功率模塊重量不宜太大，一般建議小于40Kg，此時(shí)可保證兩人就能進(jìn)行安裝與維護(hù)。否則在安裝位于機(jī)柜上部的功率模塊時(shí)，必須使用機(jī)械進(jìn)行輔助操作，這將會(huì)增加安裝的復(fù)雜度并帶來(lái)工程成本的上升。
安裝方式：UPS的輸入輸出走線一般有下走線和上走線兩種方式(分別對(duì)應(yīng)防靜電地板和頂部吊裝走線架兩種場(chǎng)景)。用戶的實(shí)際使用環(huán)境多變，為降低工堪難度，應(yīng)要求模塊化UPS同時(shí)支持兩種走線方式。
同時(shí)對(duì)于一些空間面積有限的機(jī)房，或模塊化數(shù)據(jù)中心，UPS可能會(huì)靠墻或靠其他機(jī)柜安裝，因此模塊化UPS還應(yīng)具備完全前安裝、前維護(hù)的設(shè)計(jì)(部分廠家可能宣稱前維護(hù)，但無(wú)法做到所有線纜的前安裝，用戶可根據(jù)實(shí)際需要提出這方面要求)。
并柜方式：模塊化UPS系統(tǒng)一般包括功率柜和配電柜(有時(shí)還有旁路柜)。有的廠家會(huì)將功率柜和配電柜作為一個(gè)整體進(jìn)行銷售，二者不能拆開(kāi)獨(dú)立配置(可能使用銅排連接，或配電柜包括了監(jiān)控模塊、旁路模塊)。另外的廠家則可以提供一體化的功率柜，即一臺(tái)功率柜整合了監(jiān)控、旁路和部分配電的功能，可作為一臺(tái)獨(dú)立的UPS進(jìn)行銷售。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，通常情況下，在機(jī)房已有配電柜時(shí)采購(gòu)可獨(dú)立銷售的UPS功率柜可降低成本。
要注意的是，有些廠家宣稱的大容量模塊化UPS其實(shí)并非是一套UPS系統(tǒng)，而是兩套UPS的并機(jī)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)與塔式機(jī)的并機(jī)方式相同，具備兩套獨(dú)立的監(jiān)控與旁路系統(tǒng)，因?yàn)椴痪邆湎到y(tǒng)冗余，可能在某些場(chǎng)景下存在風(fēng)險(xiǎn)(如逆變過(guò)載、旁路切換時(shí)兩套UPS不同步)。
舉例：某廠家模塊化 UPS 240kVA系統(tǒng)，實(shí)為兩套120kVA 系統(tǒng)(每套內(nèi)功率模塊為：20kVA/個(gè)*6 個(gè))通過(guò)并機(jī)線并機(jī)組成240kVA 的系統(tǒng)，從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，保留了單機(jī)系統(tǒng)的全部硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，兩套120kVA 系統(tǒng)分別保留各自的監(jiān)控系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)和軟件控制的結(jié)構(gòu)。相互之間僅僅是通過(guò)并機(jī)線進(jìn)行并機(jī)而成。這種方式，無(wú)論是結(jié)構(gòu)還是軟件控制功能上，均不適合作為240kVA 系統(tǒng)存在。因此該系統(tǒng)僅適合作為單機(jī)架120kVA 系統(tǒng)使用。
系統(tǒng)并機(jī)能力：模塊化UPS與塔式UPS一樣，可并機(jī)臺(tái)數(shù)也是需要考量的因素之一。在用戶未來(lái)有擴(kuò)容需求，而單系統(tǒng)模塊化UPS容量又不足時(shí)，應(yīng)要求廠家提供具備并機(jī)能力的UPS。并且為了提高并機(jī)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)同時(shí)要求并機(jī)UPS之間采用環(huán)形并機(jī)線纜連接，這樣可以避免單點(diǎn)故障對(duì)系統(tǒng)的影響，故障不會(huì)擴(kuò)大化。UPS是否具備并機(jī)能力，也可作為對(duì)廠家設(shè)計(jì)能力的考量因素之一。模塊化UPS的并機(jī)系統(tǒng)可參考塔式UPS并機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行配置。
圖3：環(huán)形并機(jī)線纜可避免并機(jī)通訊單點(diǎn)故障
3.2 通過(guò)電氣性能選擇：效率、諧波、均流度、功率因數(shù)、模塊休眠功能等
效率：如上一章節(jié)所述，選擇UPS時(shí)不僅要考慮最高效率，還要同時(shí)考慮系統(tǒng)在低負(fù)載率時(shí)的效率。模塊化UPS如果具備自動(dòng)休眠功能，可提高低負(fù)載率時(shí)的系統(tǒng)效率。但低負(fù)載率時(shí)的效率仍可作為對(duì)廠家技術(shù)能力的考量因素之一。目前主流UPS廠家均可提供95%以上系統(tǒng)效率的中大容量UPS。系統(tǒng)效率指標(biāo)越高越好。
有些UPS還會(huì)具備節(jié)能模式，即UPS在電網(wǎng)質(zhì)量較好時(shí)工作在旁路模式，此時(shí)系統(tǒng)效率可高達(dá)99%。但此模式依賴于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)質(zhì)量，而且必須做到在電網(wǎng)質(zhì)量不符合要求時(shí)能夠快速自動(dòng)切換回市電模式。如廠家宣稱提供該功能，應(yīng)同時(shí)要求提供切換時(shí)間參數(shù)，一般應(yīng)小于5ms，可保證負(fù)載不中斷。在電網(wǎng)質(zhì)量不好的地區(qū)、或UPS為單路輸入負(fù)載供電時(shí)，不建議啟用該模式。
圖4：UPS系統(tǒng)實(shí)際工作效率與最高效率
諧波：因?yàn)椴捎昧薎GBT整流和PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，高頻UPS的輸入電流諧波(THDi)要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的工頻UPS。一般廠家的模塊化UPS都可以做到輸入電流諧波≤ 3%。而傳統(tǒng)的工頻UPS則要大于10%。
三相負(fù)載不平衡度：廠家提供的產(chǎn)品應(yīng)滿足YD/T 2165—2010《通信用模塊化不間斷電源》中5.3 規(guī)定的三相負(fù)載嚴(yán)重不平衡度≤3%的要求。
模塊均流度：模塊化UPS內(nèi)部因?yàn)橛卸鄠€(gè)功率模塊并聯(lián)輸出，因此要保證各模塊都能輸出大小一致的功率，廠家提供的產(chǎn)品應(yīng)滿足YD/T 2165—2010《通信用模塊化不間斷電源》中5.3 規(guī)定的模塊輸出不均衡度≤5%的要求。
輸入/輸出功率因數(shù)：采用了PFC技術(shù)的高頻UPS，一般輸入功率因數(shù)較高，可以做到0.99以上。輸入功率因數(shù)越高，代表電網(wǎng)輸入到UPS的電能中有用的部分所占比例越高，UPS對(duì)電網(wǎng)的污染也越小。輸出功率因數(shù)代表了UPS可以輸出的實(shí)際功率(kW=kVA*輸出功率因數(shù))。UPS的輸出功率因數(shù)也是負(fù)載的輸入功率因數(shù)，目前IT負(fù)載的輸入功率因數(shù)一般可做到0.9以上，所以對(duì)模塊化UPS應(yīng)該要求輸出功率因數(shù)大于0.9才能更好的匹配目前的IT負(fù)載需求。輸出功率因數(shù)越高，說(shuō)明UPS的輸出適應(yīng)負(fù)載的范圍越寬，自身帶載能力越強(qiáng)。
模塊休眠功能/節(jié)能模式：如上一章節(jié)所述，功率模塊休眠功能是模塊化UPS的特殊功能之一，該功能可以提升系統(tǒng)的整體效率，降低UPS自身?yè)p耗，因此模塊化UPS應(yīng)具備模塊智能休眠功能，系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載的實(shí)際大小自行決定開(kāi)啟還是關(guān)閉功率模塊。
工作模塊數(shù)目由實(shí)際負(fù)載大小決定 不同模塊按一定時(shí)間順序輪換工作
圖5：模塊化UPS功率模塊休眠功能
另外在一些電網(wǎng)較好的地區(qū)，用戶更希望UPS能提供節(jié)能模式(通過(guò)旁路供電，在市電情況不好時(shí)可以迅速切換到逆變模式)。因此模塊化UPS也應(yīng)同時(shí)具備節(jié)能模式供用戶選擇。
3.3 通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇：模塊控制方式、旁路控制方式等
功率模塊控制方式：模塊化 UPS 系統(tǒng)中各功率模塊之間需按照一定的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。目前功率模塊的控制方式主要分為兩種控制邏輯模式：集中控制邏輯模式和分散控制邏輯模式?？刂品绞降牟煌謩e代表不同的技術(shù)流派，目前并無(wú)統(tǒng)一的觀點(diǎn)，此處僅做簡(jiǎn)單介紹。
(1) 集中控制邏輯模式
集中控制邏輯需要一個(gè)獨(dú)立的集中檢測(cè)控制模塊單元(控制模塊)，檢測(cè)市電的頻率和相位，然后向每個(gè)UPS 模塊發(fā)出同步脈沖，無(wú)市電時(shí)可由晶振產(chǎn)生同步脈沖，通過(guò)各個(gè)UPS 模塊的鎖相環(huán)控制來(lái)保證各單元輸出電壓同步?？刂颇K還要檢測(cè)負(fù)載的總電流，然后除以并聯(lián)UPS 模塊數(shù)作為各個(gè)UPS 模塊均流的參考值，與各模塊電流比較后求出偏差值并調(diào)整各模塊輸出電流，達(dá)到均流的效果。
優(yōu)點(diǎn)：集中控制邏輯模式采用獨(dú)立的集中控制單元，控制邏輯層級(jí)清晰，各功率模塊之間不存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，軟件邏輯可靠性較高。
缺點(diǎn)：如果該控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，存在單點(diǎn)故障擴(kuò)大化的可能。( 注：控制單元有冗余備份可避免單點(diǎn)故障)
(2) 分散控制邏輯模式
分散控制邏輯模式是將并聯(lián)控制單元做到每個(gè)模塊上，通過(guò)一定的方式(一般根據(jù)各模塊的排序進(jìn)行選擇)來(lái)選擇一個(gè)UPS功率模塊做主控模塊，其他模塊作為從控模塊。當(dāng)UPS 系統(tǒng)中的一個(gè)功率模塊出現(xiàn)故障時(shí)其余模塊仍可以工作，當(dāng)主控模塊出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可通過(guò)切換來(lái)使得另外一個(gè)功率作為主控模塊，使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。
優(yōu)點(diǎn)：分散控制邏輯模式不需要獨(dú)立的控制模塊，故不存在這方面的單點(diǎn)故障點(diǎn)。
缺點(diǎn)：因?yàn)橹骺啬K既要處理本身的信號(hào)，又要協(xié)調(diào)各模塊之間的信號(hào)，所以控制邏輯比較復(fù)雜，軟件邏輯可靠性不高。主控模塊故障后，會(huì)在剩余模塊中自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)模塊作為主控模塊，該過(guò)程中也容易發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)失敗導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
功率模塊控制方式各廠家差異很大，并無(wú)明顯的優(yōu)劣差別。但為提高可靠性，各功率模塊之間的通訊總線應(yīng)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)或有冗余備份模式，以防止單總線故障引起模塊之間無(wú)法進(jìn)行通訊，造成系統(tǒng)故障。
旁路模塊控制方式：目前大容量模塊化 UPS 系統(tǒng)的旁路控制技術(shù)主要有兩種模式：1、系統(tǒng)集中旁路控制模式(UPS系統(tǒng)只有一套旁路系統(tǒng));2、系統(tǒng)分散旁路控制模式(UPS系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)功率模塊都有一套旁路系統(tǒng))。從旁路控制所采取的器件，也可分為純半導(dǎo)體器件和綜合器件(半導(dǎo)體器件加機(jī)械裝置)兩種。集中旁路控制系統(tǒng)具有過(guò)載能力強(qiáng)，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，分散旁路控制系統(tǒng)則具有可擴(kuò)容性高，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但可能存在一定可靠性風(fēng)險(xiǎn)。
圖6：分散旁路與集中旁路
對(duì)于分散旁路模式，表面上看因分散布置，類似于冗余設(shè)計(jì)，一處旁路故障，其它旁路仍可工作。實(shí)際上此種分散與冗余有本質(zhì)不同。因旁路器件分散，每處器件容量只是總系統(tǒng)旁路容量的1/N。且有器件一致性引起的均流等問(wèn)題，導(dǎo)致靜態(tài)旁路耐受瞬間電流沖擊能力降低，系統(tǒng)可靠性降低。而模塊化UPS的易擴(kuò)容特性，使得一般情況下系統(tǒng)的冗余容量大大減小，系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載率理論上將使用到70%額定容量以上。采用分散旁路控制模式時(shí)，系統(tǒng)的總旁路容量是各模塊分旁路容量的總和。這會(huì)使得模塊化UPS的系統(tǒng)旁路容量實(shí)際上更加接近系統(tǒng)額定容量。一旦發(fā)生逆變器過(guò)載(可能發(fā)生在設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí))，UPS將切換到旁路輸出模式，如果旁路容量不足以承擔(dān)負(fù)載，將會(huì)造成輸出掉電甚至UPS器件的損壞。而在某一功率模塊故障時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)同時(shí)損失該模塊提供的分旁路容量，系統(tǒng)將存在更大的旁路過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)!另外的風(fēng)險(xiǎn)還有，在向旁路模式切換時(shí)，各功率模塊必須保持時(shí)間上的嚴(yán)格一致，否則也同樣會(huì)因?yàn)椴糠止β誓K未及時(shí)切換造成系統(tǒng)故障!
因?yàn)榉稚⑴月房刂频姆N種缺點(diǎn)，建議用戶應(yīng)選用系統(tǒng)集中旁路控制模式(系統(tǒng)總旁路容量是固定的，不會(huì)因?yàn)楣β誓K損壞而變化)，并在初期規(guī)劃時(shí)就考慮好系統(tǒng)所需要的總旁路容量。
3.4 通過(guò)易用性設(shè)計(jì)選擇：操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、支持熱插拔、監(jiān)控屏幕等
熱插拔功能：根據(jù) 《YD/T 2165-2010 通信用模塊化不間斷電源》的定義，模塊化UPS應(yīng)由輸入配電部分、輸出配電部分、功率模塊、監(jiān)控模塊等組成。模塊具有以下屬性： A、機(jī)械上具有獨(dú)立的框架結(jié)構(gòu); B、具有完整獨(dú)立的功能; C、模塊之間應(yīng)能協(xié)同工作。
功率模塊 ：包括整流、逆變、充電(可選)、功率因數(shù)校正和相關(guān)控制電路，功率模塊是UPS系統(tǒng)的主要模塊，UPS系統(tǒng)正常工作模式下具有熱插拔和并聯(lián)冗余工作功能。
監(jiān)控模塊 ：其負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)視 UPS 系統(tǒng)工作狀態(tài)、采集和存儲(chǔ) UPS 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，故障記錄存儲(chǔ)和故障診斷，應(yīng)具有熱插拔功能。
由此可知，除了功率模塊外，監(jiān)控模塊也需要支持熱插拔，這樣才不會(huì)在監(jiān)控模塊發(fā)生故障時(shí)無(wú)法快速替換，而且監(jiān)控模塊在進(jìn)行熱插拔時(shí)不應(yīng)影響到系統(tǒng)的正常工作。
除監(jiān)控模塊之外，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，還應(yīng)要求廠家提供旁路模塊熱插拔功能。尤其是采用集中旁路控制的模塊化UPS，因旁路系統(tǒng)的唯一性，更應(yīng)該具備旁路模塊熱插拔的功能，在旁路模塊被抽出時(shí)不能影響到系統(tǒng)的工作(部分廠家的UPS只有切換到維修旁路時(shí)才能進(jìn)行旁路模塊的替換)。
免撥碼開(kāi)關(guān)：部分廠家的UPS在安裝時(shí)需要在機(jī)器內(nèi)部調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)(一般是功率模塊地址順序)，對(duì)于不熟悉UPS的用戶來(lái)說(shuō)，該操作很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，難以體現(xiàn)模塊化UPS的易安裝特性。因此應(yīng)要求模塊化UPS具備功率模塊自動(dòng)分配地址的功能，而無(wú)需手動(dòng)設(shè)置。
統(tǒng)一的監(jiān)控：目前模塊化UPS監(jiān)控系統(tǒng)有兩種控制方式：
(1) 集中一體化控制方式
集中式一體化控制方式是系統(tǒng)內(nèi)，僅有一套監(jiān)控系統(tǒng)，所有工況及狀態(tài)集中監(jiān)視，集中管理。
(2)單機(jī)架獨(dú)立控制方式
單機(jī)架獨(dú)立控制方式是系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)機(jī)架均配置有各自獨(dú)立的一套監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的工況及狀態(tài)，受到每個(gè)獨(dú)立機(jī)架的監(jiān)控系統(tǒng)影響。系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整只能夠每個(gè)機(jī)架各自人工同步調(diào)整，再通過(guò)并機(jī)通信線組成大系統(tǒng)，控制邏輯復(fù)雜。
模塊化UPS作為一個(gè)整體，應(yīng)像塔式UPS一樣具備獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)監(jiān)控屏幕進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢、告警查詢等操作。而不用單獨(dú)對(duì)功率模塊或內(nèi)部的機(jī)架再進(jìn)行設(shè)置，UPS內(nèi)部所有功率模塊的狀態(tài)都可在監(jiān)控屏幕上進(jìn)行查詢。部分廠家的模塊化UPS系統(tǒng)可能存在多塊操作屏幕(甚至每個(gè)功率模塊都有一個(gè))，設(shè)置時(shí)需要逐個(gè)進(jìn)行操作，非常不方便。模塊化 UPS應(yīng)采用集中式一體化控制方式，以便集中化監(jiān)視管理，參數(shù)調(diào)整一步到位。不應(yīng)采用單機(jī)架、單模塊獨(dú)立方式。
除上述要求之外，模塊化UPS還應(yīng)具備一般UPS的通用特性，如支持各種通訊接口、可通過(guò)WEB訪問(wèn)、能自動(dòng)發(fā)送故障告警、可視化的網(wǎng)管平臺(tái)、能提供通訊協(xié)議與第三方網(wǎng)管系統(tǒng)互聯(lián)互通等。
3.5 通過(guò)制造工藝選擇：結(jié)構(gòu)件、導(dǎo)軌、三防漆、生產(chǎn)工藝等
結(jié)構(gòu)件的要求：模塊化UPS因功率密度較高，其機(jī)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)件需要具備更強(qiáng)的承重能力，在一些特殊區(qū)域還應(yīng)具備一定的抗震能力。這時(shí)應(yīng)要求廠家提供抗震的加固組件，同時(shí)提供通過(guò)相關(guān)抗震測(cè)試的有效證明文件。對(duì)于內(nèi)部使用銅排進(jìn)行連接的地方，應(yīng)能滿足UPS最大通過(guò)電流，溫度的升高不應(yīng)超過(guò)正常范圍。
模塊化UPS因?yàn)樾枰獙?duì)功率模塊、旁路模塊等進(jìn)行熱插拔動(dòng)作，對(duì)模塊的工藝要求較高。如尺寸必須嚴(yán)格一致，否則會(huì)出現(xiàn)插不準(zhǔn)的情況;接插件必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，防止多次插拔后出現(xiàn)接觸不良或變形等問(wèn)題;同時(shí)為方便維護(hù)，功率模塊插槽中還應(yīng)設(shè)置導(dǎo)軌，方便用戶輕松插拔功率模塊。另外還要注意結(jié)構(gòu)件邊緣是否光滑，維護(hù)操作是否方便等。
環(huán)境防護(hù)：很多UPS在出廠后并不會(huì)立即投入使用，而是在代理商的倉(cāng)庫(kù)中存放很長(zhǎng)時(shí)間。尤其在一些地區(qū)，如廣東、海南等地因?yàn)樘鞖鉂駸?、靠近海邊，長(zhǎng)期儲(chǔ)存的機(jī)械往往出現(xiàn)銹蝕、霉斑等現(xiàn)象。另外在一些工礦企業(yè)或機(jī)房環(huán)境不好的地方，粉塵也會(huì)對(duì)UPS帶來(lái)影響，如堵塞通風(fēng)孔、造成內(nèi)部器件短路等。因此，一些質(zhì)量控制較好的廠家會(huì)通過(guò)對(duì)機(jī)器外殼做防銹處理，同時(shí)對(duì)內(nèi)部板件通過(guò)噴涂三防漆等工序來(lái)提升UPS抵抗鹽霧、腐蝕、粉塵的能力。在南方地區(qū)和UPS使用環(huán)境較差的地區(qū)，用戶應(yīng)要求UPS生產(chǎn)廠家提供更高的防護(hù)工藝，如內(nèi)部主要單板噴涂三防漆等。
關(guān)鍵器件的要求：UPS使用較多的器件有IGBT、DSP、空開(kāi)等。一般國(guó)內(nèi)小廠家為降低成本，可能會(huì)使用一些質(zhì)量較差的器件。因此對(duì)關(guān)鍵器件，應(yīng)要求廠家使用國(guó)際知名的大品牌產(chǎn)品，如ABB、施耐德等。一些重要的原材料(如電池、空開(kāi)、功率器件等)，還應(yīng)要求廠家提供相關(guān)采購(gòu)證明材料，防止廠家以次充好。
3.6 通過(guò)售后服務(wù)選擇：廠家實(shí)力、交付能力、維護(hù)網(wǎng)點(diǎn)、備件采購(gòu)等
UPS生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊，用戶應(yīng)該如何選擇UPS的品牌?
首先，選擇有自研實(shí)力的廠家。UPS行業(yè)的銷售主要分代理銷售和廠家直銷兩種，其中代理銷售是中小功率產(chǎn)品的主要模式，大功率UPS一般采用廠家直銷或廠家配合代理商銷售的模式。因此應(yīng)區(qū)分代理和原廠的區(qū)別(有些代理商往往通過(guò)貼牌生產(chǎn)，宣稱是自己的產(chǎn)品)。應(yīng)選擇大的代理商或廠家，以免后續(xù)使用出現(xiàn)維保糾紛。應(yīng)要求廠家或代理提供原廠證明文件，查詢廠家的人員規(guī)模、生產(chǎn)規(guī)模、銷售數(shù)據(jù)等信息。保證廠家提供的是自主研發(fā)產(chǎn)品，以免出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)廠家技術(shù)人員不能及時(shí)解決。
其次，選擇有售后能力的廠家。一般大的生產(chǎn)廠家會(huì)在全國(guó)各地設(shè)有服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)(一些大公司在全球各主要國(guó)家都有服務(wù)網(wǎng)點(diǎn))，在故障處理速度、維護(hù)人員資質(zhì)上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于小廠家。如果是代理商銷售，應(yīng)要求代理商提供相應(yīng)的維護(hù)服務(wù)，以及廠家授權(quán)的維護(hù)資質(zhì)等。
再次，選擇能長(zhǎng)期合作的廠家。UPS行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，目前行業(yè)內(nèi)的收購(gòu)與整合也愈演愈烈，不少實(shí)力不足的廠家都將面臨被吞并或出局的危險(xiǎn)。如果用戶選擇了這些廠家的產(chǎn)品，以后的維護(hù)與備件采購(gòu)將會(huì)非常困難。因此對(duì)于那些希望進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，注重穩(wěn)定合作關(guān)系的用戶，建議應(yīng)盡量選擇大公司大企業(yè)的產(chǎn)品。尤其是中大功率模塊化UPS，對(duì)技術(shù)要求較高，大廠家的產(chǎn)品質(zhì)量也更加值得信賴。對(duì)于采購(gòu)額較大的項(xiàng)目，用戶可以提出對(duì)廠家進(jìn)行參觀的要求，在近距離觀察生產(chǎn)廠家的實(shí)力與水平后再?zèng)Q定是否采購(gòu)。
3.7 用戶常見(jiàn)問(wèn)題
1、旁路模塊是否需要支持熱插拔?
從可靠性的分析結(jié)果來(lái)看，在模塊化UPS系統(tǒng)中，旁路模塊是制約系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)榧信月吩O(shè)計(jì)沒(méi)有冗余(分散旁路雖然可靠性高，但存在過(guò)載風(fēng)險(xiǎn))所以旁路模塊也需要支持熱插拔。
2、功率密度高會(huì)不會(huì)影響UPS散熱?
模塊化UPS一般在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格的熱仿真分析，同時(shí)在研發(fā)階段也會(huì)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試機(jī)器各部位的溫度，保證UPS內(nèi)部器件熱均勻。功率模塊中一般會(huì)有風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，保證產(chǎn)品內(nèi)部熱量能夠及時(shí)散出。做得比較好的產(chǎn)品還會(huì)具備風(fēng)扇智能調(diào)速、風(fēng)扇冗余等設(shè)計(jì)，提升風(fēng)扇與UPS整體的可靠性。另外，可以查看UPS的工作溫度范圍，一般好的產(chǎn)品可以工作在更高的環(huán)境溫度下。
4. 總結(jié)
選用模塊化UPS要考慮多方面的因素，用戶可通過(guò)下表進(jìn)行快速選擇。
模塊化UPS指標(biāo)評(píng)價(jià)表
