數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)(一):UPS架構(gòu)的發(fā)展

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作者: 吳懷孟

2015-08-20 14:47:10

摘自:中國(guó)IDC圈

近年來(lái),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(lái)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(kāi)始發(fā)生變化??煽?,高效,易用易維護(hù)成為越來(lái)越多UPS廠家關(guān)注的重點(diǎn)特性。

前言

近年來(lái),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(lái)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(kāi)始發(fā)生變化??煽?,高效,易用易維護(hù)成為越來(lái)越多UPS廠家關(guān)注的重點(diǎn)特性。

那么從UPS產(chǎn)生至今,共經(jīng)過(guò)了哪些變化?是什么引起了這些變化?現(xiàn)在市場(chǎng)上主流的產(chǎn)品有哪些?本文將對(duì)這幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行解答。

1、UPS分類方法

UPS的分類方法有很多,從儲(chǔ)能方式可以大致分為動(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(dòng)態(tài)UPS分類

動(dòng)態(tài)UPS的不間斷供電是通過(guò)旋轉(zhuǎn)部件釋放動(dòng)能,靜態(tài)UPS以蓄電池為儲(chǔ)能工具,動(dòng)態(tài)UPS的典型代表是飛輪UPS,靜態(tài)UPS目前市場(chǎng)應(yīng)用最多的是雙在線轉(zhuǎn)換式UPS。

動(dòng)態(tài)飛輪UPS經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展與改進(jìn),在大功率UPS市場(chǎng)有著獨(dú)樹(shù)一幟的應(yīng)用。市場(chǎng)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(chǔ)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(chǔ)能研發(fā)生產(chǎn)。產(chǎn)品主要應(yīng)用在北美。該飛輪后備時(shí)間可以達(dá)到15~90s。

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  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(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)(UNIBLOCK ) ,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)械式取代電力電子變 換,沒(méi)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(huì)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(guó)。目前產(chǎn)品主要應(yīng)用在歐洲和北美。

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  c).在線互動(dòng)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(dòng)式是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的方案。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。

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  1.2 三種動(dòng)態(tài)UPS抗電網(wǎng)干擾能力對(duì)比

以上是三種比較典型的動(dòng)態(tài)UPS,下面表格對(duì)這三種動(dòng)態(tài)UPS抗電網(wǎng)干擾能力做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比。

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表1:三種動(dòng)態(tài)UPS抗電網(wǎng)干擾能力對(duì)比

通過(guò)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(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是在線互動(dòng)式飛輪UPS。

1.3 靜態(tài)UPS分類

以上介紹了動(dòng)態(tài)UPS的一些常見(jiàn)架構(gòu),下面對(duì)應(yīng)介紹一些靜態(tài)UPS。不同于動(dòng)態(tài)UPS,靜態(tài)UPS以電池為儲(chǔ)能工具。從工作原理分類來(lái)說(shuō),常見(jiàn)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(dòng)逆變器,正常供電時(shí)無(wú)法對(duì)市電電網(wǎng)問(wèn)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(jiǎn)單,一般備電時(shí)間在10分鐘左右,通常是方波輸出,主要應(yīng)用場(chǎng)景是PC機(jī)等。

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  b).在線互動(dòng)式UPS

在線互動(dòng)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(guò)的市電。其成本低,電路比較簡(jiǎn)單,但是無(wú)法消除輸入失真和干擾。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的以下的小容量UPS ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,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) 。

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  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:

l 控制輸入電流,是一個(gè)高阻正弦波電流源;

l 控制電流充電;

l 補(bǔ)償輸入電壓,保證輸出電壓穩(wěn)定不變;

l 控制調(diào)整輸入功率因數(shù)。

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  主變換器的作用為:

l 控制并穩(wěn)定輸出電壓,是一個(gè)低內(nèi)阻正弦波電壓源;

l 給電池充電;

l 市電掉電時(shí),向負(fù)載供電;

l 市電正常時(shí),補(bǔ)償負(fù)載電流中的無(wú)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。

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(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1-1200 KVA的UPS;幾個(gè) 架構(gòu)對(duì)比來(lái)說(shuō)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(duì)IT負(fù)載或其它行業(yè)重要負(fù)載提供保護(hù)。

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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(lái)說(shuō)還分為工頻機(jī)和高頻機(jī),后文將會(huì)講到。

1.4 靜態(tài)UPS抗電網(wǎng)干擾能力對(duì)比

下表為以上介紹的四種靜態(tài)UPS架構(gòu)對(duì)電網(wǎng)干擾能力的對(duì)比。

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○:可以抵抗 ╳:可以部分抵抗 △:無(wú)法抵抗

表2:靜態(tài)UPS抗電網(wǎng)干擾能力對(duì)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(dòng)態(tài)與靜態(tài)UPS的對(duì)比

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

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,下表對(duì)比這兩種儲(chǔ)能方式的優(yōu)劣。

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表3:蓄電池儲(chǔ)能與飛輪儲(chǔ)能對(duì)比

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15秒,這使得其使用場(chǎng)景受到很大的局限。

以下再對(duì)比以下目前主流的靜態(tài)UPS與動(dòng)態(tài)UPS,分別為在線雙變換式與在線互動(dòng)式飛輪UPS,其中在線雙變換式以華為UPS5000系列為例,在線互動(dòng)式飛輪UPS以Active Power為例。

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表4:在線雙變換式與飛輪UPS參數(shù)對(duì)比

從以上對(duì)比來(lái)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。 表4:在線雙變換式與飛輪UPS參數(shù)對(duì)比

通過(guò)以上兩個(gè)對(duì)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(shì);

- 飛輪UPS由于固有的缺陷,應(yīng)用存在一定的局限性:

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(chǎng)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(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,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(guò)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(huì)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(wú)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(guò)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(lái)命名,但是業(yè)內(nèi)一般用有無(wú)隔離變壓器來(lái)做區(qū)別。

2.2 工頻UPS變化

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

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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(gè)主要原因:

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(kāi)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)。“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(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:

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:

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表6:工頻與高頻UPS可靠性對(duì)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(lái)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。

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(wèn)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(chǎng)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(guò)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(duì)于一些工頻機(jī)廠家宣傳的高頻機(jī)的零地電壓?jiǎn)栴},本文不做過(guò)多討論,具體可參考數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)《零地電壓的產(chǎn)生與誤區(qū)》

從以上對(duì)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(lái)會(huì)逐步取代市面上的工頻機(jī)。

3、總結(jié)

從UPS的整個(gè)發(fā)展歷程來(lái)看,總體來(lái)說(shuō)是在保證可靠性的基礎(chǔ)上,朝著效率越來(lái)越高,維護(hù)安裝越來(lái)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(lái)看,未來(lái)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(shū)《如何選擇模塊化UPS》。

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