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。可靠、高效、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)在市場上主流產(chǎn)品有哪些？文中將對這幾個(gè)問題進(jìn)行解答。

1 UPS分類方法

UPS的分類方法很多，按儲能方式大致可分為動態(tài)UPS和靜態(tài)UPS，動態(tài)UPS和靜態(tài)UPS又可以細(xì)分為后備式、在線互動式、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）動態(tài)UPS分類

動態(tài)UPS是通過旋轉(zhuǎn)部件釋放動能，其典型代表是飛輪UPS.飛輪UPS在市場上的應(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。

　?、谛D(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-發(fā)電機(jī)，市電正常時(shí)作為電動機(jī)帶動飛輪（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)量會變差。

③在線互動式飛輪UPS

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

　?、苋N動態(tài)UPS抗電網(wǎng)*能力對比

以上是三種比較典型的動態(tài)UPS，表1對這三種動態(tài)UPS抗電網(wǎng)*能力做一個(gè)簡單的對比。

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式飛輪UPS.

（2）靜態(tài)UPS分類

靜態(tài)UPS以電池為儲能工具。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)才啟動逆變器，正常供電時(shí)，無法對市電電網(wǎng)問題進(jìn)行調(diào)節(jié)，供電質(zhì)量相對較差，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)用場景是PC機(jī)等。圖4為后備式UPS的原理圖。

　?、诨邮経PS

互動式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PC或辦公設(shè)備提供保護(hù)。圖5為在線互動式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對輸入調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，當(dāng)然，結(jié)構(gòu)也比在線互動式復(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)*能力對比

表2為上述四種靜態(tài)UPS架構(gòu)抗電網(wǎng)*能力的對比?？梢钥闯?，在線雙變換式UPS是抗電網(wǎng)*能力最強(qiáng)的。

　?。?）動態(tài)與靜態(tài)UPS的對比

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

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

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

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；

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)啟動失敗會造成嚴(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合。

2 高頻機(jī)與工頻機(jī)的對比分析

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。“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。

（4）工頻機(jī)與高頻機(jī)對比

可以從以下幾方面對工頻機(jī)與高頻機(jī)進(jìn)行對比：

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），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?？紤]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)展趨勢來看，未來高頻模塊化UPS是其主要發(fā)展方向。