四、UPS主电路拓扑结构的安全节能选择

1.UPS的能效分级

传统的6脉冲相控整流UPS电源系统由于具有很高的输入谐波污染（THDI>33%）和很低的输入功率因数（COSΦi约为0.75~0.8），已经在数据中心机房UPS供电系统的选择中被淘汰，取而代之的是以下两种变异型UPS和一种升级换代型UPS：

n  12脉冲相控整流UPS（通常需再加11次谐波滤波器），以下简称12脉冲UPS；

n  输入端加有源滤波器的6脉冲相控整流UPS，以下简称有源滤波器UPS;

n  现代IGBT整流UPS。

但是，依据信息产业部2010年将要颁布的中华人民共和国通信行业标准《通信电源和机房环境节能技术指南第3部分――电源设备能效分级》的要求，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级在线式交流不间断电源的输入功率因数、输入电流谐波成分及系统效率必须同时符合下表的能效分级要求。

12脉冲UPS与有源滤波器UPS的整流部分电路拓扑如下图所示。从技术原理来看，12脉冲UPS和有源滤波器UPS，都是以增加大量的额外设备或部件，即牺牲效率和增加故障点为代价，来达到输入功率因数和输入谐波改善的目的。即使这样，12脉冲UPS在效率（一般满载仅88%）与输入功率因数方面（一般满载最大仅0.95）、有源滤波器UPS在效率方面（一般满载90%），仍无法满足Ⅰ级电源设备的分级指标要求。因此从当前数据中心机房迫切的供电节能应用现状和UPS技术发展的趋势来看，这两种UPS必将与6脉冲整流UPS一样，在数据中心机房UPS供电系统的选择中被逐步淘汰。值得庆幸的是，目前市场上停留在大容量200~500KVA 12脉冲UPS这一70年代技术产品水平上的UPS厂商已不多见，其他厂商在2009年前几乎都已经提升产品到下一代。

图5  12脉冲UPS的整流电路

图6 配有有源滤波器的6脉冲UPS的整流电路

基于6脉冲UPS升级换代产品的IGBT整流UPS，其整流器拓扑结构如右图，彻底改变了这一传统的“治污”思想，它通过将整流器的构成元件从晶闸管换成IGBT，控制原理从相控触发发展成空间矢量控制，从根本上消除了谐波产生的内在原因，以至于无需增加任何外部设备就满足了绿色电源的三大要求，即，THDI）<3~5%, COSΦi>0.99，系统效率大于95%以上。尤其值得一提的是，这一UPS即使在仅50%的负载率下，其效率仍然可以高达95%以上。这一Ⅰ级电源的推出，首次为数据中心动力系统提供了可供选择的绿色节能电源。

2.IGBT整流UPS的可靠性

与6脉冲整流UPS相比，这一UPS没有增加任何额外的故障点，其结构的可靠性与6脉冲整流UPS完全相当。

从图5、6、7可以看出，与12脉冲及有源滤波器UPS相比，其电路结构的复杂度大为降低，显然其结构的可靠性得以大幅度提高。

现在某些厂家由于自身还没有技术能力推出高于200KVA以上的这一产品及基于自身商业利益需要考虑，宣称“可控硅器件过载能力很强，10倍额定电流达20ms；而IGBT　器件过载能力弱，10倍额定电流仅20μs，所以IGBT整流器故障率高、可靠性偏低”。

这种简单地把6脉冲整流器所用可控硅器件的过载能力与6脉冲UPS整流器的过载能力混为一谈，不能不让人啼笑皆非。殊不知，无论是6脉冲整流器还是IGBT整流器，其器件都是开关工作的，整流器的故障损毁概率大小，尽管与器件本身的过载特性有一定的关系，但关键的决定因素却是能否在短路电流发生时予以有效地切断。这就如同一个开关断路器，如果在短路电流发生时，不能快速有效地分断跳闸，这个断路器最终一定会被烧毁，更何况可控硅的过载能力通常还远不及开关断路器。IGBT器件能够逐渐取代可控硅，成为电力电子技术平台性的器件，其主要的原因是它卓越的瞬时关断能力，在短路电流发生后，它可以随时予以可控切断，因此它是一个“全控”器件；而可控硅器件则不同，它在开通后必须等到电流自然过零点才会关断，即不可控，如果导通后出现了大的短路电流冲击，其结果是一定会被烧毁，因此它是廉价的“半控”器件。所以，UPS简单地通过不加控制的器件本身过载能力来主管臆断可控硅整流器和IGBT整流器的可靠性，这既不科学也不符合实际。

从原理及应用实际看，IGBT整流器的可靠性在当今国际电力电子界是普遍公认的，任何出于商业利益的曲意诋毁或“忽悠”都只能是自打嘴巴或自毁声誉，因为尽管那些厂家自己暂时还没有能力生产200KVA以上的大容量IGBT整流UPS，但却一直在生产和销售200KVA以下的中小功率IGBT整流UPS，如果IGBT整流UPS有“原理级”的固有可靠性缺陷，那这些厂商对他的客户也太不负责任了，因为很大一部分中小功率的IGBT整流 UPS被用在重要性远高于IDC机房的核心机房，如通信的计费中心(BOSS系统)、银行的省级交易中心、航天指挥中心、军队指挥中心及人命关天的医院治疗中心等。

五　UPS供电系统的安全绿色验收技术

最后，对于数据中心机房而言，在UPS系统竣工并投入正式的带载运行前，进行全载的拷机测试是必不可少的。这既可以检验UPS自身的带载能力，也可以发现工程施工和设备设置中的问题。

通常的UPS验收测试如图8所示。要实现这一测试，通常需要预先购置大容量的负载箱（对于500KVA的UPS，则需要同样容量的负载箱），需要进行电缆的连接工程，并为负载箱准备摆放的空间。在测试的过程中将产生大量的热量，必须有相应的冷却设备。如果拷机2小时，用户还必须支付相应的测试电费等。这种测试方法既费钱费力，又存在安全问题。

为了克服传统测试方法存在的上述问题，一种无需负载箱、无需电缆连接工程，在测试过程中基本不产生外部耗电的绿色测试技术被应用到数据中心机房的验收中。这一测试方法的测试过程如图9所示，测试时UPS通过设置自动将逆变器输出的电能通过自身的旁路回路流回到市电网，测试电流可以在50~100%之间予以设定。

与传统测试方法相比，这一测试技术不仅节约了设备、工程及损耗电费，而且测试过程中，不会产生额外的发热，保正了测试过程的安全性。

六．总结

现代数据中心机房UPS供电系统通过引入先进的“系统级”、“UPS级”绿色安全休眠技术，同时选择能效分级达到I级的IGBT整流型UPS及绿色负载验收技术，不仅可以大幅度提高整个机房供电系统的节能降耗水平，降低数据中心的运行成本，同时也在系统运行构架上大大改善整个机房电源的可靠性和安全性等级。

近300套伊顿9395 200~600kVA大功率IGBT整流UPS三年多来故障率为零的成功应用不仅充分验证了上述结论，而且无可辩驳地表明，大功率IGBT整流UPS的技术成熟性毋庸置疑，其可靠性和安全性完全可以媲美或优于传统相控整流UPS。淘汰落后、耗能、存在额外故障点的12脉冲整流UPS及带有源滤波器的6脉冲整流UPS已经成为数据中心机房电源设计的当务之急。（御风）