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        談UPS架構的發展

        2019-11-23 17:11:44 130

        近年來,隨著大數據、云計算等技術的快速發展,傳統的數據中心也迎來了一個飛速變革的時期。作為數據中心供配電系統的重要組成部分,UPS也開始發生變化??煽?、高效、易用、易維護成為越來越多UPS廠家關注的重點。那么從UPS誕生至今,共經過了哪些變化?是什么引起了這些變化?現在市場上主流產品有哪些?文中將對這幾個問題進行解答。
          
          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UPS和靜態UPS,動態UPS和靜態UPS又可以細分為后備式、在線互動式、在線雙轉換式等;從技術上又有工頻和高頻之分,高頻機中又細分為塔式高頻機和模塊化高頻機。
          
          (1)動態UPS分類
          
          動態UPS是通過旋轉部件釋放動能,其典型代表是飛輪UPS。飛輪UPS在市場上的應用主要有如下幾種:
          
         ?、僭诰€雙變換式飛輪UPS
          
          該結構使用飛輪代替了電池進行儲能,需要搭配傳統UPS,因此應用比較局限。圖1給出了在線雙變換式飛輪UPS的組成。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168109555871260.jpg
         ?、谛D在線式飛輪UPS
          
          圖2為旋轉在線式飛輪UPS的組成。該解決方案替代傳統UPS。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168109562294411.jpg
          耦合扼流圈主要功能是實現電能轉換、補償和濾波。核心部件是M/G電動-發電機,市電正常時作為電動機帶動飛輪(給飛輪充電),市電異常時飛輪放電,作為發電機,完全是機械式取代電力子變換,沒有電力電子變換的精確控制,電網適應性和逆變出的電能質量會變差。
          
         ?、墼诰€互動式飛輪UPS
          
          該方案替代傳統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,類似一個有源濾波器,可實現簡單的濾波和穩壓功能,拓撲簡單,效率較高。但是電網適應性和輸出性能指標明顯偏差。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168109571551419.jpg
         ?、苋N動態UPS抗電網*能力對比
          
          以上是三種比較典型的動態UPS,表1對這三種動態UPS抗電網*能力做一個簡單的對比。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/2016810957596066.jpg
          從表1可以看出,在線雙變換式飛輪UPS是抗*能力最強的,但是這種飛輪UPS必須搭配傳統UPS進行使用,應用比較局限,目前國內應用最多的是在線互動式飛輪UPS。
          
          (2)靜態UPS分類
          
          靜態UPS以電池為儲能工具。從工作原理分類來說,常見的靜態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。
          
         ?、俸髠涫経PS
          
          后備式UPS只有在供電異常時才啟動逆變器,正常供電時,無法對市電電網問題進行調節,供電質量相對較差,但其效率較高。
          
          該架構多用于容量小于3kVA的UPS,結構簡單,一般備電時間在10min左右,通常是方波輸出,主要應用場景是PC機等。圖4為后備式UPS的原理圖。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168109573895686.jpg
         ?、诨邮経PS
          
          互動式UPS相比后備式而言,增加了穩壓環節,供電質量好于后備式UPS。其成本低、電路比較簡單,但是無法消除輸入失真和*。并且切換時有轉換時間。該架構應用于功率容量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或辦公設備提供保護。圖5為在線互動式UPS的原理圖。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168109591836842.jpg
         ?、跠elta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。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168109594832506.jpg
          Delta變換器的作用是:控制輸入電流,是一個高阻正弦波電流源;控制電流充電;補償輸入電壓,保證輸出電壓穩定不變;控制調整輸入功率因數。
          
          主變換器的作用是:控制并穩定輸出電壓,是一個低內阻正弦波電壓源;給電池充電;市電掉電時,向負載供電;市電正常時,補償負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對輸入調節能力更強,當然,結構也比在線互動式復雜。該架構應用于功率容量20~200kVA的UPS,輸出為正弦波。
          
         ?、茉诰€雙變換式UPS
          
          在線雙變換式UPS能為負載提供很完美的保護,可以濾除電網中幾乎所有的*和諧波,缺點是架構復雜,一般成本較高。該架構應用于功率容量為1~1200kVA的UPS;與以上幾個架構對比,其可靠性最高。目前80%的UPS均采用該架構,輸出為標準正弦波,主要對IT負載或其它行業重要負載提供保護。圖7為在線雙變換式UPS的原理圖。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168101003428499.jpg
          UPS的工作狀態有多種,分別為主路模式、靜態旁路模式、電池模式以及維修旁路模式。在線雙變換式UPS從架構還分為工頻機和高頻機。
          
          (3)靜態UPS抗電網*能力對比
          
          表2為上述四種靜態UPS架構抗電網*能力的對比??梢钥闯?在線雙變換式UPS是抗電網*能力最強的。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168101015322925.jpg
          (4)動態與靜態UPS的對比
          
          靜態UPS與動態UPS最大的區別在于其儲能方式,一個是電池儲能,一個是飛輪儲能,表3對比這兩種儲能方式的優劣。
          
          從表3可以看出蓄電池儲能與飛輪儲能各有優劣,但是飛輪儲能的后備時間一般僅有15s,這使得其使用場景受到很大的限制。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168101033390668.jpg
          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為例的參數對比。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168101083641001.jpg
          從表4可以看出,除效率外,其他參數UPS5000系列在線雙變換式UPS的參數要優于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。
          
          通過以上兩個對比我們可以得出如下結論:
          
         ?、倥c傳統UPS相比,飛輪UPS在節能、環保等方面具備一定優勢;
          
         ?、陲w輪UPS由于固有的缺陷,應用存在局限性:備電時間短,僅15s,油機啟動失敗會造成嚴重停電事故;價格昂貴,且必須與油機配合使用,增加了初始投資;系統復雜,需要原廠專業維護,維護成本高;電網適應性差,輸入輸出性能指標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:可接受新技術的綠色環保型供電系統;電網質量很好、較少有斷電事故、系統可靠性要求不高的場合。
          
          2 高頻機與工頻機的對比分析
          
          靜態UPS目前應用最廣泛的是在線雙變換式UPS,這也是抗*能力最強的靜態UPS,而在線雙變換式UPS從產生至今也經過了從工頻機到高頻機的演進。
          
          (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相比于傳統工頻UPS,因整流頻率在10kHz以上而得名。
          
          工頻UPS在發展過程中,從SCR整流變為IGBT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,但是業內一般用有無隔離變壓器來做區別。
          
          (2)工頻UPS的演進
          
          工頻UPS從出現至今,經歷過表5所示的幾次發展與變化。
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168101075645793.jpg
          現代工頻UPS已經是使用IGBT整流的、加了隔離變壓器的高頻UPS。
          
          (3)工頻到高頻發展的原因
          
          從工頻到高頻,探究其發展原因,主要有以下兩點:
          
         ?、偈袌龅男枨?。隨著節能減排、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更方便,這些因素推動整個UPS架構的發展;
          
         ?、诩夹g的進步。一方面是器件技術的進步,硅進銅退,在經歷了MOSFET、IGBT等功率器件的更新換代、DSP與數字電路的廣泛應用、LLC、軟開關、三電平逆變等新拓撲的逐漸成熟后,高頻化、數字化、智能化已成為電子產品的主流趨勢?!般~”所代表的變壓器、濾波電感等傳統模擬電路器件正逐漸被“硅”所代表的各種單片機、控制芯片、新型半導體功率器件等數字電路器件所代替。另一方面軟件的迅速發展也使得數字電路技術可以替代部分模擬技術的功能。
          
          (4)工頻機與高頻機對比
          
          可以從以下幾方面對工頻機與高頻機進行對比:
          
         ?、倏煽啃?高頻機的可靠性不弱于工頻機
          
          高頻機發展至今,在可靠性上已經不弱于工頻機,甚至猶有勝之,見表6;
          http://www.upsapp.com/upfile/2016-8/20168101072134446.jpg
         ?、诃h境適應性,高頻機要優于工頻機
          
          高頻機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、環境影響小;
          
         ?、弁顿Y角度,高頻機要優于工頻機
          
          從設備本身投資角度考慮,二者相差不大(部分廠家高頻機價格好,部分廠家工頻機價格有優勢),但綜合考慮二者的效率、柴油機配比等問題,從整體投資角度,高頻機要優于工頻機。
          
          例如,某著名廠商的工頻機(12脈沖+11次諧波濾波器),其建議和柴油發電機組的最低配比為1:1.4。而同樣該廠商的高頻機,和柴油發電機組的配比理想狀態為1:1(通??紤]1:1.1);
          
         ?、芄澞芙嵌?高頻機要優于工頻機
          
          現在市場上各廠商產品,高頻機的半載效率普遍優于工頻機,通常高頻機半載效率可達94%,而工頻機半載效率一般為88%左右;
          
         ?、莨ゎl機體積重量大,安裝施工困難
          
          由于變壓器的存在,工頻機的占地面積和重量大大超過同功率下的高頻機,由此造成安裝施工困難,增加安裝施工成本。
          
          綜上所述,高頻機在各方面的表現都優于工頻機,相信在未來會逐步取代市面上的工頻機。
          
          3 結束語
          
          從UPS的整個發展歷程來看,總體來說是在保證可靠性的基礎上,朝著效率越來越高,維護安裝越來越方便的方向發展的。工頻機發展到高頻機后,在高頻機的基礎上又有很多分支,比如塔式機,類模塊化機器以及模塊化機器。以UPS的整個發展趨勢來看,未來高頻模塊化UPS是其主要發展方向。

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