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。

　　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。

　　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。

　　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。

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。

　　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) 。

　　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)。

　　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)。

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。

○：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。

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。

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。

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：

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》。

附 本篇白皮書(shū)下載鏈接：

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