数据中心能源白皮书：UPS架构的发展

    前言

    近年来，随着大数据、云计算等技术的快速发展，传统的数据中心也迎来了一个飞速变革的时期。作为数据中心供配电系统的重要组成部分，UPS也开始发生变化。可靠，高效，易用易维护成为越来越多UPS厂家关注的重点特性。

    那么从UPS产生至今，共经过了哪些变化？是什么引起了这些变化？现在市场上主流的产品有哪些？本文将对这几个问题进行解答。

    1、UPS分类方法

    UPS的分类方法有很多，从储能方式可以大致分为动态UPS和静态UPS，动态UPS和静态UPS又可以细分为后备式，在线互动式，在线双转换式等；从技术上有工频高频之分，高频机中又细分为塔式机和模块化。

    1.1动态UPS分类

    动态UPS的不间断供电是通过旋转部件释放动能，静态UPS以蓄电池为储能工具，动态UPS的典型代表是飞轮UPS，静态UPS目前市场应用最多的是双在线转换式UPS。

    动态飞轮UPS经过几十年的发展与改进，在大功率UPS市场有着独树一帜的应用。市场上应用的飞轮UPS主要有如下几种。

    a).在线双变换式飞轮UPS（典型代表：Vycon解决方案)

    这种结构与在线双变换式UPS非常相像，区别在于，使用飞轮代替了电池进行储能，需要搭配传统UPS进行使用，因此应用比较局限。

    Vycon于2002年成立，专门从事飞轮储能研发生产。产品主要应用在北美。该飞轮后备时间可以达到15~90s。

    b).旋转在线式飞轮UPS（典型代表：Piller解决方案）

    不同于以上的Vycon解决方案，该解决方案替代传统UPS。

    耦合扼流圈主要功能是实现电能转换，补偿和滤波。

    核心部件是M/G电动-发电机（UNIBLOCK?)，市电正常时作为电动机带动飞轮(给飞轮充电），市电异常时飞轮放电，作为发电机，完全是机械式取代电力电子变换，没有电力电子变换的精确控制，电网适应性和逆变出的质量会变差。

    Piller是UPS领域的百年老店，主打产品UNIBLOCK-T，总部在德国。目前产品主要应用在欧洲和北美。

    c).在线互动式飞轮UPS（典型代表：ActivePower解决方案）

    该方案替代传统UPS+电池方案。

    在线互动式是目前国内应用最多的方案。工作原理同在线互动式UPS，类似一个有源滤波器，可实现简单的滤波和稳压功能，拓扑简单，效率较高。但是电网适应性和输出性能指标明显偏差。

    1.2三种动态UPS抗电网干扰能力对比

    以上是三种比较典型的动态UPS，下面表格对这三种动态UPS抗电网干扰能力做一个简单的对比。

表1：三种动态UPS抗电网干扰能力对比

    通过以上表格可以看出，在线双变换式飞轮UPS是抗干扰能力最强的，但是这种飞轮UPS必须搭配传统UPS进行使用，应用比较局限，目前国内应用最多的是在线互动式飞轮UPS。

    1.3静态UPS分类

    以上介绍了动态UPS的一些常见架构，下面对应介绍一些静态UPS。不同于动态UPS，静态UPS以电池为储能工具。从工作原理分类来说，常见的静态UPS主要有后备式，在线互动式，Delta变换式以及在线变换式双四种。

    a).后备式UPS

    后备式UPS只有在供电异常才启动逆变器，正常供电时无法对市电电网问题进行调节，供电质量相比而言较差，但其效率较高。

    该架构多用于容量小于3KVA的UPS，结构简单，一般备电时间在10分钟左右，通常是方波输出，主要应用场景是PC机等。

    b).在线互动式UPS

    在线互动式UPS相比后备式而言，增加了稳压环节，供给负载改良过的市电。其成本低，电路比较简单，但是无法消除输入失真和干扰。并且切换时有转换时间。该架构应用于功率容量5KVA的以下的小容量UPS，结构简单，通常是方波输出或模拟正弦波输出。多用于对PC或办公设备提供保护。

    c).Delta变换式UPS

    Delta变换UPS的核心为Delta变换器和主变换器。

    Delta变换器的作用为：

    控制输入电流，是一个高阻正弦波电流源；

    控制电流充电；

    补偿输入电压,保证输出电压稳定不变；

    控制调整输入功率因数。

    主变换器的作用为：

    控制并稳定输出电压,是一个低内阻正弦波电压源；

    给电池充电；

    市电掉电时,向负载供电；

    市电正常时,补偿负载电流中的无功和谐波成分。

    从Delta变换器和主变换器的作用可以看出，Delta变换式UPS对输入调节能力更强，当然，结构也比在线互动式复杂。该架构应用于功率容量20-200KVA的UPS，输出为正弦波。

    d).在线变双换式UPS

    在线双变换式UPS可以为负载提供很完美的保护，可以滤除电网中基本所有的干扰和谐波，缺点是架构复杂，一般成本较高。该架构应用于功率容量为1-1200KVA的UPS；几个架构对比来说可靠性最高，目前80%UPS均采用该架构，输出为标准正弦波，主要对IT负载或其它行业重要负载提供保护。

    UPS工作状态有多种，分别为主路模式，静态旁路模式，电池模式以及维修旁路模式。在线双变换式UPS从架构来说还分为工频机和高频机，后文将会讲到。

    1.4静态UPS抗电网干扰能力对比

    下表为以上介绍的四种静态UPS架构对电网干扰能力的对比。

○：可以抵抗 ╳：可以部分抵抗 △：无法抵抗

    表2：静态UPS抗电网干扰能力对比

    可以看出，在线双变换式是抗电网干扰能力最强的。

    1.5动态与静态UPS的对比

    以上分别介绍了动态和静态UPS的一些基本拓扑结构，那么动态和静态UPS对比而言又各有什么优劣呢？

    静态UPS与动态UPS最大的区别在于其储能方式，一个是电池储能，一个是飞轮储能，下表对比这两种储能方式的优劣。

表3：蓄电池储能与飞轮储能对比

    可以看出蓄电池储能与飞轮储能各有优劣，但是飞轮储能的后备时间一般仅有15秒，这使得其使用场景受到很大的局限。

    以下再对比以下目前主流的静态UPS与动态UPS，分别为在线双变换式与在线互动式飞轮UPS，其中在线双变换式以华为UPS5000系列为例，在线互动式飞轮UPS以ActivePower为例。

表4：在线双变换式与飞轮UPS参数对比

    从以上对比来看，除效率外，其他参数UPS5000要优于ActivePower飞轮UPS，并且在UPS通常工作的低载段（40%）效率并不输给飞轮UPS。表4：在线双变换式与飞轮UPS参数对比

    通过以上两个对比我们可以得出如下结论：

    -与传统UPS相比，飞轮UPS在节能、环保等方面具备一定优势；

    -飞轮UPS由于固有的缺陷，应用存在一定的局限性：

    备电时间短，仅15S，油机启动失败会造成严重停电事故；

    价格昂贵，且必须与油机配合使用，增加了初始投资；

    系统复杂，需要原厂专业维护，维护成本高；

    电网适应性差，输入输出性能指标都弱于在线双变换式UPS。

    基于上述分析，飞轮UPS仅适用于以下场景：

    可接受新技术，绿色环保型供电系统；

    电网质量很好，较少断电事故，系统可靠性要求不高的场合

    2、高频机与工频机的对比分析

    静态UPS目前应用最广泛的是在线双变换式UPS，前文介绍了，这也是抗干扰能力最强的静态UPS，而在线双变换式UPS从产生至今也经过了从工频机到高频机的变化，那么什么是工频机，为何又会有高频机产生？

    2.1工频与高频介绍

    工频UPS即基于变压器的UPS(Transformer-basedUPS),因早期使用SCR半控器件整流，工作频率与电网频率一致而得名。

    高频UPS即无需变压器的UPS（Transformer-lessUPS），高频UPS相比于传统工频UPS，因整流频率在10kHz以上而得名。

    工频UPS在发展过程中，从SCR整流变为IGBT整流，并且不再使用隔离变压器。因此虽然从名称上看工频与高频是基于频率来命名，但是业内一般用有无隔离变压器来做区别。

    2.2工频UPS变化

    工频UPS从出现至今，经历过如下几次发展与变化。

表5：工频UPS拓扑发展

    现代工频UPS已经是使用IGBT整流的高频UPS，加了隔离变压器。

    工频到高频发展的原因

    从工频到高频，探究其发展原因，主要有以下两个主要原因：

    1、市场的需求。随着节能减排，绿色等要求的提出，要求UPS更高效，另一方面也要求安装维护更方便，这些因素推动整个UPS架构的发展；

    2、技术的进步。一方面是器件技术的进步，硅进铜退，在经历了MOSFET、IGBT等功率器件的更新换代、DSP与数字电路的广泛应用、LLC、软开关、三电平逆变等新拓扑的逐渐成熟后，高频化、数字化、智能化已成为电子产品的主流趋势。“铜”所代表的变压器、滤波电感等传统模拟电路器件正逐渐被“硅”所代表的各种单片机、控制芯片、新型半导体功率器件等数字电路器件所代替。另一方面软件的迅速发展也使得数字电路技术可以替代部分模拟技术的功能。

    2.3工频与高频对比

    可以从以下几方面对工频机与高频机进行对比：

    可靠性，高频机的可靠性不弱于工频机

    高频机发展至今，在可靠性上已经不弱于工频机，甚至犹有胜之。如下表：

表6：工频与高频UPS可靠性对比

    环境适应性，高频机要优于工频机

    高频机是以微处理器作为处理控制中心,将繁杂的硬件模拟电路烧录于微处理器中,以软件程序的方式来控制UPS的运行。因此,体积、重量等方面都有明显的降低,噪音也较小,对空间、环境影响小。

    投资角度，高频机要优于工频机

    从设备本身投资角度考虑，二者相差不大（部分厂家高频机价格好，部分厂家工频机价格有优势）,但综合考虑二者的效率、柴油机配比等问题，从整体投资角度，高频机要优于工频机。

    如，某著名厂商的工频机，12脉冲＋11次谐波滤波器情况下，其建议的和柴油发电机组的最低配比为1：1.4，而同样该厂商的高频机，和柴油发电机组的配比理想状态为1：1（通常考虑1：1.1）

    节能角度，高频机要优于工频机

    现在市场上各厂商产品，普遍高频机的半载效率要优于工频机，通常高频机半载效率可达94％，而工频机半载效率一般为88％左右。

    工频机体积重量大，安装施工困难

    由于变压器的存在，工频机的占地面积和重量大大超过同功率下的高频机，由此造成安装施工困难，增加安装施工成本。

    注：对于一些工频机厂家宣传的高频机的零地电压问题，本文不做过多讨论，具体可参考数据中心能源白皮书《零地电压的产生与误区》

    从以上对比可以看出，高频机在各方面的表现都优于工频机，相信在未来会逐步取代市面上的工频机。

    3、总结

    从UPS的整个发展历程来看，总体来说是在保证可靠性的基础上，朝着效率越来越高，维护安装越来越方便的方向发展的。工频机发展到高频机后，在高频机的基础上又有很多分支，比如塔式机，类模块化机器以及模块化机器。以UPS的整个发展趋势来看，未来高频模块化UPS是其主要发展方向。<