近年來,隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心也迎來了一個(gè)飛速變革的時(shí)期。作為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的重要組成部分,UPS也開始發(fā)生變化?？煽俊⒏咝?、易用、易維護(hù)成為越來越多UPS廠家關(guān)注的重點(diǎn)。那么從UPS誕生至今,共經(jīng)過了哪些變化?是什么引起了這些變化?現(xiàn)在市場(chǎng)上主流產(chǎn)品有哪些?文中將對(duì)這幾個(gè)問題進(jìn)行解答。

1 UPS分類方法

UPS的分類方法很多,按儲(chǔ)能方式大致可分為動(dòng)態(tài)UPS和靜態(tài)UPS,動(dòng)態(tài)UPS和靜態(tài)UPS又可以細(xì)分為后備式、在線互動(dòng)式、在線雙轉(zhuǎn)換式等;從技術(shù)上又有工頻和高頻之分,高頻機(jī)中又細(xì)分為塔式高頻機(jī)和模塊化高頻機(jī)。

(1)動(dòng)態(tài)UPS分類

動(dòng)態(tài)UPS是通過旋轉(zhuǎn)部件釋放動(dòng)能,其典型代表是飛輪UPS。飛輪UPS在市場(chǎng)上的應(yīng)用主要有如下幾種:

①在線雙變換式飛輪UPS

該結(jié)構(gòu)使用飛輪代替了電池進(jìn)行儲(chǔ)能,需要搭配傳統(tǒng)UPS,因此應(yīng)用比較局限。圖1給出了在線雙變換式飛輪UPS的組成。

②旋轉(zhuǎn)在線式飛輪UPS

圖2為旋轉(zhuǎn)在線式飛輪UPS的組成。該解決方案替代傳統(tǒng)UPS。

耦合扼流圈主要功能是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償和濾波。核心部件是M/G電動(dòng)-發(fā)電機(jī),市電正常時(shí)作為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪(給飛輪充電),市電異常時(shí)飛輪放電,作為發(fā)電機(jī),完全是機(jī)械式取代電力子變換,沒有電力電子變換的精確控制,電網(wǎng)適應(yīng)性和逆變出的電能質(zhì)量會(huì)變差。

③在線互動(dòng)式飛輪UPS

該方案替代傳統(tǒng)UPS+電池方案。圖3為在線互動(dòng)式飛輪UPS的組成。其工作原理同在線互動(dòng)式UPS,類似一個(gè)有源濾波器,可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的濾波和穩(wěn)壓功能,拓?fù)浜?jiǎn)單,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。

④三種動(dòng)態(tài)UPS抗電網(wǎng)*能力對(duì)比

以上是三種比較典型的動(dòng)態(tài)UPS,表1對(duì)這三種動(dòng)態(tài)UPS抗電網(wǎng)*能力做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比。

從表1可以看出,在線雙變換式飛輪UPS是抗*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(dòng)式飛輪UPS。

(2)靜態(tài)UPS分類

靜態(tài)UPS以電池為儲(chǔ)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(dòng)式、Delta變換式以及在線雙變換式四種。

①后備式UPS

后備式UPS只有在供電異常時(shí)才啟動(dòng)逆變器,正常供電時(shí),無法對(duì)市電電網(wǎng)問題進(jìn)行調(diào)節(jié),供電質(zhì)量相對(duì)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(jiǎn)單,一般備電時(shí)間在10min左右,通常是方波輸出,主要應(yīng)用場(chǎng)景是PC機(jī)等。圖4為后備式UPS的原理圖。

②互動(dòng)式UPS

互動(dòng)式UPS相比后備式而言,增加了穩(wěn)壓環(huán)節(jié),供電質(zhì)量好于后備式UPS。其成本低、電路比較簡(jiǎn)單,但是無法消除輸入失真和*。并且切換時(shí)有轉(zhuǎn)換時(shí)間。該架構(gòu)應(yīng)用于功率容量5kVA以下的小容量UPS,通常是方波輸出或模擬正弦波輸出。多用于對(duì)PC或辦公設(shè)備提供保護(hù)。圖5為在線互動(dòng)式UPS的原理圖。

③Delta變換式UPS

Delta變換式UPS的核心為Delta變換器和主變換器。圖6為Delta變換式UPS的原理圖。

Delta變換器的作用是:控制輸入電流,是一個(gè)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)。

主變換器的作用是:控制并穩(wěn)定輸出電壓,是一個(gè)低內(nèi)阻正弦波電壓源;給電池充電;市電掉電時(shí),向負(fù)載供電;市電正常時(shí),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(duì)輸入調(diào)節(jié)能力更強(qiáng),當(dāng)然,結(jié)構(gòu)也比在線互動(dòng)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。

④在線雙變換式UPS

在線雙變換式UPS能為負(fù)載提供很完美的保護(hù),可以濾除電網(wǎng)中幾乎所有的*和諧波,缺點(diǎn)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1～1200kVA的UPS;與以上幾個(gè)架構(gòu)對(duì)比,其可靠性最高。目前80%的UPS均采用該架構(gòu),輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波,主要對(duì)IT負(fù)載或其它行業(yè)重要負(fù)載提供保護(hù)。圖7為在線雙變換式UPS的原理圖。

UPS的工作狀態(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)還分為工頻機(jī)和高頻機(jī)。

(3)靜態(tài)UPS抗電網(wǎng)*能力對(duì)比

表2為上述四種靜態(tài)UPS架構(gòu)抗電網(wǎng)*能力的對(duì)比。可以看出,在線雙變換式UPS是抗電網(wǎng)*能力最強(qiáng)的。

(4)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)UPS的對(duì)比

靜態(tài)UPS與動(dòng)態(tài)UPS最大的區(qū)別在于其儲(chǔ)能方式,一個(gè)是電池儲(chǔ)能,一個(gè)是飛輪儲(chǔ)能,表3對(duì)比這兩種儲(chǔ)能方式的優(yōu)劣。

從表3可以看出蓄電池儲(chǔ)能與飛輪儲(chǔ)能各有優(yōu)劣,但是飛輪儲(chǔ)能的后備時(shí)間一般僅有15s,這使得其使用場(chǎng)景受到很大的限制。

表4以華為UPS5000系列在線雙變換式UPS和ActivePower在線互動(dòng)式飛輪UPS為例的參數(shù)對(duì)比。

從表4可以看出,除效率外,其他參數(shù)UPS5000系列在線雙變換式UPS的參數(shù)要優(yōu)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。

通過以上兩個(gè)對(duì)比我們可以得出如下結(jié)論:

①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(shì);

②飛輪UPS由于固有的缺陷,應(yīng)用存在局限性:備電時(shí)間短,僅15s,油機(jī)啟動(dòng)失敗會(huì)造成嚴(yán)重停電事故;價(jià)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)都不如在線雙變換式UPS。

基于上述分析,飛輪UPS僅適用于以下場(chǎng)景:可接受新技術(shù)的綠色環(huán)保型供電系統(tǒng);電網(wǎng)質(zhì)量很好、較少有斷電事故、系統(tǒng)可靠性要求不高的場(chǎng)合。

2 高頻機(jī)與工頻機(jī)的對(duì)比分析

靜態(tài)UPS目前應(yīng)用最廣泛的是在線雙變換式UPS,這也是抗*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)的演進(jìn)。

(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(wǎng)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(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)工頻UPS的演進(jìn)

工頻UPS從出現(xiàn)至今,經(jīng)歷過表5所示的幾次發(fā)展與變化。

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

(3)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,主要有以下兩點(diǎn):

①市場(chǎng)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(dòng)整個(gè)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(shì)?！般~”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。

(4)工頻機(jī)與高頻機(jī)對(duì)比

可以從以下幾方面對(duì)工頻機(jī)與高頻機(jī)進(jìn)行對(duì)比:

①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,見表6;

②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(yùn)行。因此,體積、重量等方面都有明顯的降低,噪音也較小,對(duì)空間、環(huán)境影響小;

③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(jià)格好,部分廠家工頻機(jī)價(jià)格有優(yōu)勢(shì)),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)。

例如,某著名廠商的工頻機(jī)(12脈沖+11次諧波濾波器),其建議和柴油發(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);

④節(jié)能角度,高頻機(jī)要優(yōu)于工頻機(jī)

現(xiàn)在市場(chǎng)上各廠商產(chǎn)品,高頻機(jī)的半載效率普遍優(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;

⑤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。

綜上所述,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(huì)逐步取代市面上的工頻機(jī)。

3 結(jié)束語

從UPS的整個(gè)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)來看,未來高頻模塊化UPS是其主要發(fā)展方向。

編輯：Harris

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• 文章標(biāo)簽： 架構(gòu) 發(fā)展 UPS
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