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模块化架构是UPS技术发展的必然趋势

http://www.c114.com.cn ( 2014/9/4 11:17 )

目前UPS产品在行业应用已有五十余年的历史,其为保障关键设备和业务的不间断运行做出了卓越的贡献。随着信息化建设的不断推进,需要UPS保护的场景越来越多,其作用愈发重要。当前市场上存在工频机、高频塔式机、高频模块化UPS三类产品,其利弊优劣众说纷纭,令用户感到十分困惑。本文旨在通过阐述UPS的发展历史及对比各类UPS的优劣势,帮助用户识别UPS产品发展的趋势所在。

一、从工频机UPS到高频塔式机UPS的发展

工频机结构UPS技术出现在上世纪70年代,因其整流工作频率与电网频率一致而得名。受制于当时半导体技术发展,逆变器中IGBT器件耐压只能做到600V,故母线电压受限,逆变器输出电压不能做到380V;而且工频机逆变器是全桥电路,输出为三相火线,无法满足单相IT负载和三相四线制负载的需求,必须进行Δ-Y转换。为解决这些问题,厂家在工频机逆变器输出端加入了变压器用于升压和产生中线,以使输出电压满足负载的要求,这便是工频机内置变压器的真实目的。图-1所示为工频机的典型拓扑。

图-1 工频机典型拓扑

而到上世纪90年代,第三代沟槽型IGBT面世,其耐压能力提升至1200V,促使了UPS技术的革新。通过整流侧高频升压电路将母线电压提升至700V左右,逆变器输出电压可以做到380V,输出变压器得以取消。而这种整流逆变电路都工作在高频(几kHz以上)且没有输出变压器的UPS就被称为高频UPS。图-2所示为一典型的高频机拓扑。

图-2 高频机典型拓扑

二、高频UPS与工频UPS的对比

1.工频机输入功率因数低、谐波高

工频机UPS采用可控硅半控整流,6脉冲整流UPS输入功率因数低于0.7,谐波高达30%;12脉冲整流UPS输入功率因数最高仅为0.8,谐波高达15%,即使加上谐波处理措施,功率因数最高也只能改善至0.95。相比之下,高频机采用IGBT-PFC全控整流,输入功率因数业界均可做到0.99,谐波电流小于3%。严重的谐波污染不仅可能干扰其他设备无法工作、使控制与保护器件误动作外,而且直接导致投资大幅增加:客户需要购买额外的谐波处理设备降低谐波;如果前端接柴油发电机备电,发电机的容量要配置为UPS容量的2-3倍,同时前级配电器件、线缆等均需要提升20%左右,而高频机只需前端发电机容量配置为UPS容量的1.2-1.5倍即可,配电容量和UPS容量保持一致或略高。

2.工频机功耗大

有三个因素导致工频UPS效率低于高频UPS。一是工频UPS整流为降压拓扑,器件工作电流大,无论是内部线路无论是线性损耗还是平方损耗都比高频机高;二是因输出需要升压的原因工频机比高频机多内置一个输出变压器,致使工频机效率下降2%-3%左右;三是在实际应用中,为了提高输入功率因数至0.95以上,并降低其注入电网的谐波污染,工频机还要外置一个5次或11次谐波滤波器,效率将再次下降2%-3%。据英国某运营商与西班牙某运营商现网运行统计数据,工频UPS的效率一般在85%左右,相比高频92%左右的运行效率和模块化96%左右的运行效率,导致大量的能量损失。以400kW负载为例,工频机将比高频机年多耗电41万度,比模块化年多耗电近58万度。除此之外,工频UPS还有高谐波、低功率因数等导致配电线缆损耗增大等问题。

3.工频机体积大、重量重

因为工频机采用低频器件且配置输出变压器,致使UPS体积重量大大增加。以某品牌400kVA工频机和高频机对比,工频机重量是高频机的2.2倍,体积是高频机的1.5倍,在实际运输中可能存在机房门或者走道偏小、电梯载重不够、楼层承重不足等问题,有些情况下甚至需要用吊车装卸,然后破墙而入来安装工频UPS,大大增加了运输时间及成本。

4.工频机相比高频机在可靠性方面并无优势

工频机和高频机的主要差异体现在整流器和变压器上。工频机整流器采用SCR器件,电压应力小,电流应力大,高频机主要采用IGBT器件,电流应力小,电压应力大。SCR与IGBT目前均为成熟器件,只要应用得当,可靠性并不会有差异。事实上,工频机的逆变部分也是使用IGBT,并没有因此而降低工频机的可靠性,也没有证据证明逆变器是工频机的薄弱环节。从拓扑上讲,工频机用的是相控整流+全桥逆变,高频机一般采用高频整流+半桥逆变。这些拓扑均为电力电子技术上非常常用的拓扑,并不存在谁原理上更可靠的问题,其可靠度取决于设计的水平。

而对于变压器,业界经常可以听到其很多所谓的优点,比如抗冲击能力强、降低零地电压等,然而真的是这样吗?

第一,过载能力强,抗负载冲击能力强。过载能力是IEC62040-3中要求标称的关键指标之一,其强弱可通过实际数据来衡量。表-1所示为同一厂商的工频机与高频机过载能力,由表-1可知,两类机型过载能力并没有区别。

表-1 某厂商工频机与高频机过载能力对比


输出变压器并不会增强工频机的抗冲击能力,对于变压器可以增强抗冲击能力的想象来源于变压器的电感特性,电感平滑电流的能力在负载电流激增时可以平滑电流波形延缓电流冲击。但实际上电感平滑电流的能力与其本身感量成正比。工频机输出变压器变比小,变压器输出绕组的励磁电感也不会太大,在大电流冲击下极易饱和,很难对逆变器的冲击有明显的缓冲作用。而按照传统变压器传递能量的特点与磁性器件原理分析,当后级负载也就是变压器输出侧出现能量冲击时,在变压器能量传递能力达到饱和上限之前,后端的尖峰励磁电流会直接反射到前端对UPS的IGBT产生冲击,并且由于变压器的变比问题前端所受到的冲击电流会比输出端更大,同时造成的损害也更为严重。而且,工频系统由于变压器的磁滞特性,难以实时监测后级动态响应。当变压器后端出现突变并反馈到前级时,系统采取相关动作较无变压器的高频机来说会延迟几十甚至几百个ms,此时流过IGBT的冲击电流已经足够损坏UPS甚至引发火灾。

第二,在逆变器IGBT管直通故障时隔断直流危险电压。工频机变压器确实可以避免直流传递至副边,但高频机通过快速检测与保护措施一样可以避免直流危险电压对负载造成危害。当高频机逆变某IGBT出现直通故障时,UPS控制器可立即检测输出电流异常,并通过整流单元关机及输出端口熔丝保护等措施快速隔断直流危险电压到输出端口的路径。在保护过程中,输出到负载端口的电压约为持续几个ms的400V直流。对于使用开关电源供电的IT负载来说,其输入允许电压可以达到276Vac,整流之后电压也在400Vdc左右,器件选型等均依据母线电压选型。此时输入端口的400Vdc不会超出器件耐受范围,不可能对设备造成伤害。而对于工频机而言,其原边加载直流电压,将导致电流急剧增大,温度快速上升,可能引发火灾等更严重故障。

第三,可以降低零地电压。许多服务器等设备都有零地电压的要求,尽管这样设计的原因已无法考证,因为从理论上来说零地电压的大小并不会影响IT设备的正常工作。在数据中心中,IT设备只允许使用TN-S或TN-C-S供电制式,那么IT设备输入端口的零地电压主要由零线接地点(TN-S系统)或零线与地线分离点(TN-C-S系统)至IT输入端口的零线阻抗与零线电流及系统中三次谐波电流决定。在相同的系统中,无论是工频机还是高频机均不会影响零线阻抗,而零线电流及三次谐波电流主要是与三相负载配置与负载特性有关,即UPS的类型不会对于零地电压不会有明显的影响。真正决定零地电压的是配电系统的设计。如果需要改善零地电压,最好是从配电系统入手,着手减少线路阻抗与零线电流。减少线路阻抗最有效的方式即在负载的列头柜内置隔离变压器。需要注意的是在应用时有将工频机变压器副边直接接地的做法,这是一种不规范的做法。工频机变压器N线并未隔离,对于TN-S系统和N与PE已经分开的TN-C-S系统,N线重新接地也将导致PE线有电流流过,可能干扰设备正常工作。国标还是IEC标准均不允许此种不规范做法。

而第四,工频UPS的变压器可以起到隔离作用,可以保障人身安全。为了保障主旁平稳切换,工频UPS输出N线由旁路引入,也即工频机的变压器并不能起到电气隔离作用,也不能重新接地。在需要隔离场合的场景,即使使用工频UPS,其旁路也必须加一变压器用于隔离N线,以实现真正的隔离。

实际上,变压器的设计反而增大了环流的风险。图-3所示为两类机型的环流路径。工频机UPS的并联就是变压器的直接并联,整条回路上没有器件限制,电压的偏差很容易产生环流。而高频机的环流路径上具备多个二极管,小于2V的电压差根本形不成环流。

图-3 工频机与高频机并机环流路径

5.工频机增加用户投资

由于工频机整流工作在市电频率,需要更大的电感储能。其更大体积的电感与无法省掉的变压器均由铜和磁性材料组成,成本难以下降,价格一般比高频机要高30%以上。

综上,从性能、可靠性、价格上讲,高频机比工频机均具备优势。从各主要厂家的系列来看,业界主要厂商均已不推出新工频机型,部分厂商已全面转向高频机的研发与销售。工频机被高频机取代已是大势所趋。

三、从高频塔式机UPS到模块化UPS的发展

模块化UPS早在上世纪九十年代即已出现,但因为技术能力沉寂了很长时间。而自2000年起,由于DSP、数字控制等技术的发展,多功率模块并联均流控制问题得以逐步解决,模块化UPS技术开始蓬勃发展。2009-2010年中国电信对模块化UPS展开深入测试,根据各地实际使用单位的反馈,中国电信认为业界主流模块化UPS已满足通信行业的使用要求,并于2011年底开始对模块化UPS进行集中采购。中国移动模块化UPS也以单独标段进行集采。

四、模块化UPS与高频塔式UPS的对比

1.模块化UPS系统可用性高

供配电系统作为现在信息系统极为重要的一环,对其一个基本的要求就是该系统必须能连续工作。而要达到连续工作这一目的,首先是系统应具备较高的可靠性,其次该系统必须做到能够快速修复。如果不能快速修复,就可能面临二次故障导致整个系统瘫痪的风险,客户的负载就不能保障连续工作。

在快速修复方面,模块化UPS具备天生优势。首先,在修复时间上,由于快速插拔这一特性,模块化UPS现场即可完成更换,平均的修复时间在半小时之内,相比于传统塔式机典型修复时间24小时,修复速度明显提升。其次,在修复质量上,模块化UPS的修复形式是将故障模块更换,而传统塔式机需要原厂派专业工程师到现场进行故障定位,然后拆机修复故障电路、单板,修复周期长,而且存在沟通和定位过程,易造成重复工作,影响故障处理效率。

可能有的用户会质疑,认为模块化UPS的N+1体系结构不如1+1并机系统稳定。确实,从理论上来讲,N+1并机系统中1+1的可靠性肯定是最高的。但是实际的场景中往往不是这么简单:

首先,此结论忽略了负载率这一情况,作为1+1并机系统,最多只能允许一台UPS损坏;而对于模块化UPS体系,以4+1为例,100%负载的时候可靠性要低于1+1,但是75%负载率的时候,模块化体系实际就变成了3+2,50%的时候就变成了2+3,可靠性要远大于1+1并机。在常见应用场景中,UPS负载率是在20~40%左右的,在这种情况下模块化的优势具有非常明显的优势。

其次,不同于传统单机,模块化UPS可以轻易实现N+2、N+3这种冗余模式,仅需增加1-2个模块即可实现,而塔式机要做到此模式不仅仅是增加1台主机,机器运输、场地安装、走线设计以及相应的配电、电池都需变更,导致投资大幅增加。

综上,UPS模块化在实际场景中可靠性远高于传统塔式并机;再加上UPS快速维护、扩容的特性,模块化UPS的可用性更是大大高于传统塔式机。

2.模块化UPS的扩展性更好

塔式机扩容需要购买整台新机、将机器安装到位、将系统中其他UPS转旁路后把新机接入系统,整个步骤中不仅投资高、安装时间长,而且在并入新机时由于整个系统处于旁路状态,存在市电中断导致负载掉电的风险。

而模块化只要初期规划好配电系统,就可以通过增加模块来匹配负载的提升,且在扩容过程中保障对原有负载的不间断供电。

3.模块化UPS运输安装难度低

塔式机UPS需要作为一个整体来安装、运输,大型单机就会比较困难。如容量400kVA的UPS重量一般为1500kg左右,体积超过3m3,塔式机UPS会受到运输通道不足、重量高难运输的困难,而模块化UPS一方面可以将模块、机架分开搬运,另一方面多数机型机架之间可以分开运输,塔式UPS可能遇到的问题将迎刃而解。

4.模块化UPS实际运行效率高

目前高频塔式UPS与模块化UPS均可做到最高96%的效率值,但这是在负载率在50%以上才能达到的。而前面提到,因为系统冗余及超前规划,常见工况下UPS负载率在20~40%左右。高频塔式机在此工况下只能做到94~95%的效率,而主流模块化UPS普遍具备“模块休眠”特性在保证一定系统冗余的基础上,可以休眠一定数量的模块(可以手动或者设置自动),让UPS系统工作在效率比较高的区域,即保持在效率最高点96%附近。图-4即展示了休眠提升负载率与运行效率的原理。

图-4 休眠可有效提升UPS负载率与运行效率

而且有些厂家考虑到模块老化时间可能不同,更进一步开发了“轮换休眠功能”:即每隔一段设定好的周期,休眠模块进行轮换,以平均每个模块的老化时间,提升整体UPS系统寿命。图-5展示了轮换休眠的典型过程。

图-5 轮换休眠技术

五、结束语

自其诞生之日起,模块化UPS就旨在满足用户对于供电系统的可用性、可靠性、可维护性及节能等方面的需求。经过长期的运行验证,模块化UPS在这些方面相较传统UPS系统确实具备很大优势。随着能源成本持续增加及用户对供电系统的灵活性、可用性等要求的进一步提高,模块化UPS必将得到更广泛的应用。

作者:王其英   来源:C114中国通信网

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