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　　本刊编辑部         张乃国
　　
　　摘要叙及当前UPS类型有交流输出型的工频机型UPS和高频机型UPS(含模块化UPS),还有直流输出型UPS、飞轮式和柴油机式动态型UPS,各有用户群体,各有市场份额,是UPS技术发展的“过渡期状态”。从当前来看,高频机型(含模块化)UPS是现代数据中心的优选机型。从长远来看,直流输出型UPS是技术发展的必然趋势。用户应当根据UPS技术发展和市场趋势来选择UPS机型。
　　
　　1 问题提出
　　
　　本刊在今年第9期“刊首语”栏目登出本刊何春华总编撰写的《顾客心智中的定位》一文[1],叙及“在我国电源产业中有许多品牌坚持自己的定位,而取得顾客的心智。譬如厦门科华恒盛股份有限公司,日前在中国移动国际信息港项目的招标中,凭借在通信行业良好的口碑和优异的产品性能,再次中标。以近40套400kVA大功率工频12脉波高端UPS以及配套的电池开关箱、供配电装置等整体解决方案,为国际信息港持续稳定的供电提供可靠保障。……这个例子让我们看到,从UPS的发展来看,高频化、小型化、模块化、智能化是下一代绿色数据中心供电保障的必然趋势,然而在当前的过渡期,工频机型UPS还没有被客户淘汰,科华恒盛利用自身在这种技术上的优势取得了顾客心智,赢取此单。……”
　　
　　对此观点,笔者十分认同。本人在去年12月份,曾在《电源技术应用》杂志上发表一篇题为《也谈UPS使用中应当关注的几个基本概念》文章叙及[2]:
　　
　　“4.多种机型UPS的同时存在是当前过渡时期的状况
　　
　　众所周知,前些年UPS中的整流器多采用晶闸管相位控制的工频工作方式,当前称此种类型为‘工频机型UPS’。近十年来,由于半导体器件IGBT技术的发展,为整流器采用高频工作方式提供了技术条件。……因为UPS的逆变器在10年前已经是高频SPWM工作方式,近年将整流器也改进成高频工作方式,则称此种UPS为‘高频机型UPS’。两种机型的同时存在,各有市场份额,这要根据用户的需求来决定,笔者多次参加评标会,有的招标单位点名要工频机型UPS,这就是‘过渡期’的状态。”
　　
　　同理,当前还有模块化UPS(多为高频机型)和直流输出UPS、飞轮动态型UPS和柴油机动态型UPS等种类,各有其用户群体。许多作者或专家在推荐某种机型UPS时,仅仅叙述其优点,不谈其缺点(存在问题)和适用场合,是不全面的。应当对UPS用户给予正确地引导。中国电源学会会刊《电源资讯》在今年第6期首篇文章《政策综述及产业动态》中叙及“UPS电源行业存在着一些错误的观念和误导”,指出了这一问题。本文拟比较客观地阐述各种机型的结构、特点、存在问题及适用场合,仅供用户参考。
　　
　　2 交流输出型UPS
　　
　　交流输出型UPS(简称AC-UPS),在中大功率范围,多采用双变换型结构,包含工频机型和高频机型两类(高频机型还包括模块化UPS)
　　
　　2.1工频机型UPS
　　
　　(1)结构
　　
　　众所周知,工频机型UPS是指采用晶闸管多相相位控制整流-IGBT高频逆变结构,晶闸管整流器多采用12脉波整流方式,必要时再加11次滤波器。而逆变器采用IGBT三相SPWM高频逆变电路形式,有输出变压器,以获取输出电压额定值(380V/220V),常用电路如图1所示。

　　
　　(2)特点
　　
　　①由于这种机型的生产和应用时间最长,因而其技术成熟度很高,系统可靠性好;
　　
　　②由于采用晶闸管作为整流器件,对市电电压波动的耐受力较强;
　　
　　③输出侧配置隔离变压器,负载与市电电源的隔离功能较好,输出端零地电压接近零,可靠地保证负载正常运行;
　　
　　④由于输出隔离变压器自身短路阻抗的作用,使其具有很好的抗负载冲击能力,降低在负载突变时对UPS的影响[6];
　　
　　⑤即使在UPS故障时,也不存在向负载输出直流电压的风险,负载运行更加安全可靠。
　　
　　(3)存在问题
　　
　　①由于采用晶闸管工频整流,造成电气性能方面的落后,诸如输入功率因数较低、输入电流谐波成分较高等。
　　
　　②由于采用相控整流工作方式及必须配置输出变压器等原因造成功率密度较小、体积重量指标较差、整机效率较低等问题。
　　
　　(4)适用场合
　　
　　工频机型UPS,前些年在通信、金融、石油、电力及交通等行业大量采用,近几年高频机型UPS的推广应用,使工频机型UPS的市场份额缩小。但对于某些用户,对技术成熟度、可靠性、市电和负载隔离效果等要求很高,而对于体积、重量及效率等指标要求较低时,还有许多单位选用工频机型UPS。在目前“过渡期”内还不能说工频机型UPS已被用户淘汰。
　　
　　2.2高频机型UPS
　　
　　(1)结构
　　
　　由于近10年来,随着功率半导体器件(尤其是IGBT)性能和电力电子技术的进步,为UPS的整流器采用IGBT高频工作方式并为去掉输出隔离变压器创造了物质条件,使其在高频化、小型化和节能化等方面,取得了长足的进展,这就是当前常说的高频机型UPS。
　　
　　实际上,高频整流器有两种电路结构,其一是IGBT降压型高频SPWM整流电路,输出直流电压约为400V,逆变器的输出侧采用变压
　　
　　器升压,以便使UPS输出的交流电压达到额定值(380V/220V)。这种机型目前在国内外有少量生产,供给特殊用户选用。其二是IGBT升压型高频SPWM整流电路,输出直流电压约为800V(以电容分压获得±400V),由于此整流电压较高,使UPS输出的交流电压可以达到额定值的要求,所以逆变器就不需要输出变压器了(但必须在输出侧有串联电感)。人们一般所称的高频机型UPS就是指这种高压整流-无输出变压器型式,其主电路如图2所示[3]。

　　
　　(2)特点
　　
　　与工频机型UPS相比具有明显的优势:
　　
　　①功率密度高、体积小、重量轻、节省占用的空间;
　　
　　②输入功率因数较高(达到0.99),输入电流失真度较低(小于5%),为节能创造了技术条件;
　　
　　③整机效率高。因为没有了输出变压器损耗,整流电压提高了,可以减少电路工作损耗,一般认为可以提高2.5%以上(应当指出:整流器的高频化,其开关损耗也增加了,所以其变换频率不宜太高,目前约15kHz,算是中频范围,从而限制了开关损耗)[5];
　　
　　④成本低。因为没有了输出变压器、12脉波移相变压器,也不必采用11次滤波器等设备;
　　
　　⑤改进了电性能指标。譬如输入电压范围宽了(可达±25%),带负载能力强了(适应三相不平衡负载,动态性能较好);
　　
　　⑥易于实现模块化,更便于多机并联工作方式,有利于随时扩充。
　　
　　(3)人们曾经担心的问题
　　
　　由于高频机型UPS的发展时间比工频机型UPS短一些,电路结构的优化有个技术成熟过程,人们主要对高频机型UPS的工作可靠性存在一些顾虑,但是目前已经解决。
　　
　　①技术已完全成熟
　　
　　高频机型UPS的IGBT整流(含PFC)技术和半桥式逆变电路,这两个技术用于无变压器UPS中是近10年左右的事情,但这两项技术本身的产生由来已久,近几年在UPS中应用已非常广泛,其技术是成熟的。
　　
　　②逆变功率管的耐压已达到技术要求
　　
　　由于高频机型UPS的整流输出电压为800V,从而要求逆变电路中的功率管(IGBT)的耐压要大于800V(工频机型UPS逆变功率管一般为400V)。但是,目前IGBT生产厂家制作出耐压大于800V甚至1200V器件的技术已经成熟,完全达到高频机型UPS逆变器的要求。
　　
　　③在UPS故障时向负载输出较高直流电压的问题已经解决
　　
　　由于UPS线路故障时发生逆变功率管IGBT直通(或短路)时,直流母线电压会直接输出到负载端,当前在UPS中已配备了保护电路,在发生上述故障时,UPS会自动转换到旁路以确保安全。
　　
　　④输出端的“零地电压”不会影响负载正常工作
　　
　　由于高频机型UPS没有输出隔离变压器,其高次谐波电流会在UPS的输出端形成较高的“零地电压”,有时会达到几十伏。实践证明,在运行时,因为服务器中的开关电源有高频变压器可以起到隔离作用,零地电压不会窜到负载数字电路中,所以对服务器的正常工作不会产生影响。
　　
　　(4)适用场合
　　
　　可以说,凡是工频机型UPS能使用的场合都可以采用高频机型UPS,尤其是对于体积、重量、效率、输入功率因数、输入交流电压范围等指标要求较高的场合都是适用的。这些优势对于现代数据中心来说,高频机型UPS成为其优选机型。当前,用高频机型UPS构成的模块化UPS,便于冗余并联,显著提高其工作可靠性,现已有专门标准,更具有推广应用价值[4]。
　　
　　3 直流输出型UPS
　　
　　直流输出型UPS(简称DC-UPS),这一创意的提出是由电源技术发展而形成的,目前处于推广应用阶段。
　　
　　(1)结构
　　
　　AC-UPS的备用能源(蓄电池)配置在逆变器的输入端,当市电中断时,蓄电池所储备的能量要经过逆变后才能供给PC机和服务器(以下简称IT设备),实际上IT设备直接需要的是直流电源(3V、5V等),电源技术工作者早就想到:把AC-UPS中的第一次变换(即整流)的直流输出端挂上蓄电池,经过DC/DC变换直接送到IT设备上,从而减少了ACUPS的第二次变换(即逆变),而且IT设备输入侧的开关电源(AC/DC)也可以不用了,实际上早期的48V通信电源就是这个方案,具体如图3所示,这样就变得很简单了。

　　
　　(2)特点
　　
　　上述变革:因为甩掉了逆变器,蓄电池可以直接挂在IT设备输入侧,从而获得一系列优点[4]:减少了逆变器——效率提高了;电路简化了——可靠性提高了,成本降低了;谐波减少了——性能提高了;市电中断时,由蓄电池直接向负载供电,能源利用率提高了;还可以列举出很多优点,怎么不马上实行呢?
　　
　　(3)存在问题
　　
　　计算机开始产业化至今有50年的历史,在它问世时采用的供电电源是380V/220V,50Hz的交流电源,这种电源存在电能质量不佳,又经常出现中断等问题。人们采用把它整流成直流再逆变的方式,从而提高供电质量,在逆变器前配置蓄电池解决电源中断问题,为了进一步提高可靠性又采取在输入/输出端加变压器、输出冗余并联、输入双总线等技术措施,而整流器由6脉波变成12脉波、24脉波等形式,越弄越复杂。
　　
　　电源技术工作者也不断在改进,先把逆变器利用SPWM技术高频化了,由于半导体技术的发展,用IGBT取代了晶闸管,使整流部分也高频化了,输入/输出变压器也取消了,但是逆变器还在,为什么呢?就是计算机生产厂家制作的IT设备是按着输入交流电源来设计的,国际上的标准就是这样规定的。
　　
　　若想让生产计算机的厂家修改设计、同时修改国际标准,这可不是一朝一夕的事情,现在采取两步走。
　　
　　第一步:直接往IT设备的开关电源输入直流电源,因为其开关电源的输入侧多是单相桥式整流,如图4所示。

　　
　　对于采用简单的桥式整流形式,见图4(a),整流电压为300V左右;而采用PFC电路环节,见图4(b),其整流电压为380V左右。
　　
　　图4中的桥式整流按设计要求是输入交流电源,两对二极管轮流工作,现在输入直流电源了,只有一对二极管工作,另一对二极管不工作。为了安全起见,我国部分地区采用输入240V直流电源形式(即UPS的输出为直流240V,并挂上240V的蓄电
　　
　　池),这样IT设备中的滤波电容等部件不用变动(现已形成部颁标准)。
　　
　　第二步:选择DC-UPS输出电压为300～380V,国际上许多大型企业已开始这样做。把UPS输出直流化,对于电源技术来讲是很成熟的,不存在困难。关键是IT设备厂商能否接受这一变革,包括:
　　
　　①IT设备开关电源的输入开关、保险丝、继电器等交流器件要改成相应的直流器件;
　　
　　②去掉IT设备中的AC/DC变换环节,只保留DC/DC变换环节;
　　
　　③验证这样变革的可行性、适应性、可靠性、经济性(成本能否降低)、使用寿命及其节能效果等;
　　
　　④在此基础上得到普遍认可,制定出国际标准,使各国的产品具有通用性。
　　
　　总之,UPS的输出直流化是数据中心供电系统的重大变革,需要改变观念、技术研发、方案论证、系统运行及编制标准等过程。从长远来看,这种机型是UPS技术的发展趋势,但愿这个变革早日实现。
　　（未完待续）

【红尘有你】