随着电力电子技术的创新和发展，模块化UPS已逐渐成为业界发展趋势，当下模块化直流电源已成主流产品，输出电压-48V，220V和750V等电压的直流电源均采用模块化结构。交流的模块化UPS也走上了快速发展道路。
　　
　　1 控制技术的提升使UPS并联模块数增加
　　
　　为什么如此多的用户选择了模块化直流电源？因为模块化产品有易运输、易安装、易扩容和易维护的突出优点。模块化的直流电源已是行业主流，而交流UPS的模块化却方兴未艾。直流电压源输出只有电压幅值一个变量，多个模块如果能保持电压幅值的同步，就可以实现并联输出，直流电源输出端可以加装逆止二极管实现电流反灌保护功能。多模块的直流并联在技术上比较容易实现，直流模块可以60个甚至更多并联。交流电压源有电压幅值、频率、相位等多个变量，实现交流并联的难度比直流并联大很多。自UPS诞生以来，并联的模块数一直受到控制技术的制约。UPS并联技术主要有两种：(a)分布式控制（无主从控制）；(b)集中式控制，如图1所示。
　　
　　　　
　　分布式没有固定的主控单元，主控单元在并联时竞争产生，当主机故障时，正常模块重新竞争产生新的主控单元，分布式模块间通讯路由有N（N-1）/2条；集中式控制有主控模块，各功率模块与主控模块双向通讯，通讯路由有N条或2N条（双冗余控制），如果并联模块增加，两种控制方式的通讯路由数的变化如表1和图2所示：
　　
　　　
　　                    图2 两种控制模式路由数对比图
　　
　　从表1和图2中可见，当并联模块超过5个时，分布式通讯路由就大于集中式路由，并且快速上升，在控制芯片的运算速度和路由传输速率一定时，控制模型就决定了并联数量的上限。在现有技术下，分布式的并联模块数量就受到了限制，通常并联模块不超过10个。采用集中式的拓扑在多模块并联时有突出的优点，10个以上模块通讯路由远远小于分布式并联路由数。当然，主控式也存在缺点，当系统只有一个控制单元时，存在单点“瓶颈”。艾特网能的模块化UPS配置了双冗余的控制模块，2+1冗余的CAN控制总线，彻底消除了通讯节点间的单点“瓶颈”，单系统并联模块数达到20个，可实现4个系统并联，革命性地将并联模块数提升到80个。
　　
　　2 新技术的采用使单一模块的容量和功率密度提升
　　
　　随着计算机技术的快速发展，数据中心以海量级数增加，设备的功率密度也日益增加，数据中心的耗能也日益引起人们的关注，这就要求更加节能和省地的绿色产品。同时为了方便热插拔，单一模块的体积和重量不能太大，市面上主流的模块容量是5kVA、10kVA、20kVA、25kVA、30kVA和40kVA，高功率密度是模块化UPS的发展方向。艾特网能的40kVA模块高度仅仅3U，单一标准机架可装12个模块，提供480kVA的容量，占地面积仅0.5m2，在全球处于领先地位。模块功率密度与模块的效率息息相关，效率提升可减少散热器件和缩小风道，提升模块的功率密度。
　　
　　艾特高效的功率模块得益于多个先进技术的应用：
　　
　　① 选用高效拓扑三电平技术（见图3）
　　
　　　　
　　②动态均流，准谐波控制，降低辅助电源和整流功率器件的损耗；
　　
　　③优化控制算法，保障UPS在各种负载条件下保持高效率模式；
　　
　　④选用世界顶级厂家的第五代IGBT，第五代IGBT采用的场截止结构(Fieldstop)可显著降低开关损耗，沟道栅技术(Trench)可降低饱和压降Uce，从而大大降低产品损耗；
　　
　　⑤选用直流偏置性能更优磁性材料，降低磁损；
　　
　　⑥优化散热布局，配合智能风机调速功能，最大限度降低风扇损耗。
　　
　　3   冗余式设计实现真正意义的热插拔功能
　　
　　热插拔技术是模块化UPS的关键技术之一。热插拔可以使客户实现在线扩容，在线维护。根据工信部YD/T2165-2010《通讯用模块化不间断电源》行业标准要求，各个功能模块（含整流，逆变，充电，监控，旁路）模块具备热插拔功能。艾特网能模块化UPS采用冗余式设计，有别于部分友商的准模块机，艾特网能提供的是一款真正意义的模块化UPS，所有模块（功率，监控，旁路）均可在线热插拔，在更换和增加模块时，UPS保持正常工作状态。
　　
　　4  模块化UPS大幅提升系统可用性
　　
　　以一套200kVA的UPS供电系统为例，采用传统塔式机搭建，为了实现冗余，通常以N+1方式搭建，假设选择2台200kVA塔式机，组成1+1并机供电系统，在相同的配置下，如果采用模块化，配置将更加简单，以200kVA为例，可选用(5+1)40kVA模块系统或(5+2)40kVA模块系统。模块化UPS工作原理如图4所示。

　　
　　　　
　　系统可用性为
　　
　　模块式UPS具有无与伦比的平均故障恢复时间MTBF，以艾特祁连UM为例，模块更换时间在5~10分钟以内。而传统塔式UPS出现严重故障后，需要专业的服务工程师火速赶到现场，到了现场也会因为种种原因无法快速定位和排除故障，系统恢复正常运行少则需要几个小时，多则几天。两者的差距可以说天差地别。通过数学模型估算，塔式机单机和1+1并机系统可用性约为99.99%,而模块化UPS可用性是99.9999%以上。两者可用性对比见表2。
　　
　　　　
　　客户选用模块化UPS，设备发生故障后的焦虑和无助可以烟消云散，保修到期后还可以省下巨额的维保费用。
　　
　　模块化UPS多采用小功率模块（相对于输出总容量）并联，而塔式UPS采用N+1模式。模块化UPS发生故障时，因为单模块容量颗粒度低，内置的保险丝和控制电路可以快速动作，切离并机系统，从而保证系统的安全工作，而塔式机单机容量较大，保险丝容量相应较大，控制回路采样点多，结构复杂，当发生一些临界故障时，UPS无法快速正常切离，导致其他UPS将故障UPS当成负载，发生雪崩效应导致整个系统输出中断。这样事故在现场多次发生。某数据中心采用（4+1）500kVA并机系统，当其中一台UPS故障时，故障机没有正常退出，将其余四台UPS全部拉垮，也未转到旁路供电，系统输出完全中断，给用户造成了重大损失。考虑故障单元非正常退出的现象，塔式UPS并联系统可用性实际数据远小于理论计算值。
　　
　　5  模块化UPS满足“绿色节能”的需求
　　
　　塔式UPS因为难扩容，需要提前规划，一般场景下带载率在10~40%左右，模块化UPS可轻松在线扩容，无需提前规划，一般场景下带载率高于40%。塔式和模块化UPS通常带载率如图5所示。
　　
　　　
　　同样负载下，模块化UPS处于50%负载率，效率可达96%；塔式UPS处于20%负载率，效率降至94%甚至更低。以200kW负载为例。
　　
　　　　
　　模块化UPS一年总计可以节省电费51773元，能耗降低34.8%,见表3。
　　
　　终上所述，在技术日新月益的今天，交流模块化UPS逐渐消除了原有的技术“瓶颈”，模块并联数量和单模块功率容量极大提升。易运输、易安装、易扩容、易维护和绿色节能的特点充分解决了用户的“痛点”，满足了客户的实际需求。在数据中心和通信领域，已成为业界的主流发展趋势。尺有所短，寸有所长，模块化UPS源于高频电力电子技术，在一些环境恶劣，冲击电流大，电机型负载（风机，水泵，空调等）的应用场景，高频UPS的故障率远高于工频UPS，在这此应用场所，仍然建议选择传统的工频塔式UPS。

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　　作者简介
　　
　　温顺理,(1973-),男,UPS高级工程师,深圳市艾特网能技术有限公司UPS&供配电产品总监,中欧EMBA工商管理硕士在读。从事UPS研发、设计及市场推广工作20年,拥有业内丰富的数据中心供配电系统实践应用经验,参与设计建造了北京奥运鸟巢主场馆、国家信息安全中心、上海证交所、中国建行武汉灾备中心等国家级重大项目。多年来一直致力于UPS产品技术应用研究,积基树本,曾在《UPS应用》、《UPS与机房》、《电源技术应用》等全国专业期刊上发表多篇文章。
　　
　　编辑：Harris