通过对高频机UPS逆变器调控技术的不断革新,不仅将它的最高逆变效率从94%提高到>97%。而且,还将它的最高效率的“带载工作点”从原来较适应于T2级数据中心的UPS冗余并机系统的最佳工作区(带载率=70%～80%)下移到更加适应于T4级数据中心的2N型UPS系统运行的最佳工作区(带载率=30%～40%)。
　　
　　对传统高频机UPS的故障历史记录的调研发现:“瞬态输入过压”是导致其故障率增高的重要诱因。
　　
　　同传统高频塔式机/模块化UPS相比,对于采用可拆卸式的模块化设计方案+无内部环流隐患+配置抗瞬态输入过压保护部件+电感性输入PF+无公用电池组不均流充电隐患+优化高效风冷通道等优化设计方案所制备的增强型高频机UPS而言,在确保逆变供电效率≥97%和负载功率因数PF=1的前提下,不仅能大幅度地提高UPS单机的可靠性,而且还能大幅度缩短维修时间(功能部件的更换时间仅为几分钟)。由此所带来的好处是,它同时具有增强型高频塔式机UPS更高的可靠性、模块化UPS更短的功能模块的更换操作时间以及更低的维修成本等综合性技术优势。
　　
　　区别传统高频UPS与增强型高频UPS的技术指标是,是否采用无内部环流/极小内部环流的设计方案?是否配置抗瞬态输入过压保护部件?输入PF是否为电感性?是否采用可拆卸式的模块化设计方案?
　　
　　增强型高频塔式机UPS、传统高频塔式机UPS和模块化UPS的性价比对比如下(详见表1):
　　
　　为提高UPS的整体可靠性(UPS单机可靠性+电池组可靠性),不仅需要提高UPS单机的可靠性,还需要提高电池组的可靠性。
　　
　　对电池组使用寿命的调研发现:它的实际使用寿命仅为其预期寿命的50%～60%。对于铅酸电池组而言,宜采用长期浮充设计方案;对于锂电池组而言,宜采用间隙式循环充电设计方案。
　　
　　在导致电池组使用寿命缩短的过温、过充、过放、老化、环流和不均流等的诸多隐患中,请高度关注:所选电池的运行温度和所选电池组的环流问题。为能创建更加安全,可靠和使用寿命长的锂电池供电系统,有必要选用运行温度(环境温度+充电/放电附加温升)低的产品以及开发能消除电池”环流”隐患的电池供电系统。
　　
　　1 提高高频机UPS的效率和可靠性的发展历程
　　
　　近年来,由于云计算、大数据技术、5G以及互联网+等市场需求的爆发式增长,在数据中心的UPS供电系统中,越来越多地选用高频机UPS产品。其原因是,同工频机UPS产品相比,它具有效率更高、占地面积更小、重量更轻和价格更低等技术优势。
　　
　　基于国家对新建数据中心的PUE值要求越来越低的客观需求(注:PUE值要求从原来的<1.5降低到<1.25以下),提高UPS的效率已变成各生产厂家和用户的主要关注重点!在此背景下,近几年内,高频机UPS效率的提升速率更是被明显地加快。
　　
　　有关近年来,因逆变器的脉宽调制技术的不断创新所带来的高频机的效率vs带载率的运行特性的不断改善趋势以及其技术参数的对比分析被分别示于表2中。
　　
　　需要说明的是:在2020年,已有逆变效率高达97.5%的新产品可供用户选用。
　　
　　2 为提高高频机UPS可靠性,配置抗瞬态过压保护部件的必要性
　　
　　众所周知,为确保UPS能安全可靠地运行,应对其输入电压的变化范围设置必要的保护阀值。
　　
　　如图1所示,对于高频机UPS而言,它所允许的稳态输入电压保护阀值为380V的-36%～+20%左右。在这里,-36%是为防止出现电池放电而设置的欠压输入保护值;+20%是为防止出现输出闪断/输出停电、电容爆炸、电池放电等故障隐患所设置的过压输入保护值。
　　
　　通过长期对传统高频机UPS故障历史记录的分析发现,对传统高频机UPS而言,它的确能对缓慢变化型输入稳态过压故障提供可靠的输入过压保护。然而,在其运行中,对于因10kV市电闪断/停电、大容量ATS输入开关执行切换操作、多次利用UPS的输入开关执行开通和关断操作来激活电池组的操作、当邻近的高能耗用户突然执行拉闸等操作时,就可能诱发出持续时间仅20ms左右的输入瞬态过压故障。利用存储示波器在用户的UPS运行现场或专门搭建的故障模拟检测平台上,对高频机UPS的输入电压所执行的瞬态捕捉波形显示,对于传统高频机UPS而言,在其运行中,如果因故遇到上述的输入瞬态过压故障时,它的整流器几乎都将会丧失掉输入过压保护功能。此时,因输入瞬态过压的串入就会致使UPS的整流器的输出直流母线电压急剧增高,从而导致高频机UPS出现如图1a所示的种种故障现象:
　　
　　①当因输入瞬态过压所诱发的整流器的输出电压处于V整流关机　　
　　②当因输入瞬态过压所诱发的整流器的输出电压处于:V整流输出≥V逆变关机时,UPS就会出现输出闪断/输出停电,电容爆炸等事故。
　　
　　下面将以图1b所示的检测结果来说明UPS输出闪断是如何发生的?当ATS输入开关从断开切换到闭合的瞬间,由于输入瞬态过压的串入→整流器的输出母线电压从正常值急剧上升到919Vdc>逆变器的输入过压保护值900Vdc→UPS出现逆变器自动关机故障+交流旁路输入过压故障同时出现的现象→UPS输出闪断→服务器宕机。
　　
　　有鉴于此,为提高传统高频机UPS的可靠性,有必要在其输入端配置抗瞬态过压保护部件。为方便计,在今后的讨论中,我们将未配置抗瞬态过压保护部件+输入PF为电容性的高频机/模块化UPS称为传统高频机UPS;将配置有抗瞬态过压保护部件+输入PF为电感性的高频机UPS称为增强型高频机UPS。
　　
　　3 增强型高频机UPS的创新性技术优势（200~1200kVA）
　　
　　为消除传统高频机/模块化UPS的抗瞬态输入过压保护能力较差及发电机带电容性负载能力相当差的技术缺陷,维谛公司已开发出更加可靠和高效的增强型高频机UPS(图2),其创新性技术优势可归纳如下:
　　
　　同传统高频塔式机UPS/模块化相比,对于采用可拆卸式的模块化设计方案+无内部环流+配置抗瞬态输入过压保护部件+优选电感性输入PF+无公用电池组不均流充电隐患+优化高效风冷通道等设计方案所制备的增强型高频机UPS而言,它在确保逆变供电效率≥97%和负载功率因数PF=1的前提下,不仅能大幅度地提高UPS单机的可靠性,而且,还能大幅度缩短维修时间(功能模块的更换时间仅几分钟)。由此所带来的好处是,它同时具有增强型高频机UPS的更高的可靠性,模块化UPS更短的受损功能模块的更换操作时间以及高频塔式机UPS更低的维修成本等综合性技术优势,从而为用户提供MW级高可用性的UPS供电系统奠定下坚实的技术基础。
　　
　　①同存在内部环流+输出电流不均流隐患的传统高频塔式机和模块化UPS相比,由于采用无内部环流/极低内部环流隐患的设计方案,有利于提高UPS的可靠性。
　　
　　同内含3～4个功率模块的传统高频机UPS和内含10～12个功率模块的模块化UPS相比,对于输出功率为200～500kVA增强型UPS而言,由于采用的是单机、单功率模块的设计方案,它能彻底消除传统高频机/模块化UPS因存在内部环流和输出不均流所诱发的故障发生几率。对于输出功率为600～1200kVA增强型UPS而言,由于采用的是单机、双整流-逆变功率模块的设计方案,它能大幅度地降低传统高频机/模块化UPS因存在内部环流和输出不均流所诱发的故障发生几率。
　　
　　②如上所述,对于传统高频机UPS/模块化UPS而言,在其运行中,当因故遇到10kV市电闪断/停电的事故时、上游输入测的大容量ATS开关执行切换操作时、当用户较频繁地采用对UPS的输入开关执行开通/关断操作的办法来对电池组执行激活操作时、当邻近高能耗用户突然执行拉闸操作时等多种运行工况时,就会在这种UPS的输入端诱发出持续时间为20ms左右的瞬态输入过压。在此条件下,极易致使传统高频机UPS/模块化UPS发生输出闪断/停电、炸机、电容爆炸以及电池异常放电等事故。为消除此类故障隐患,在增强型高频机UPS的输入端,增配抗瞬态输入过压保护部件,它能消除掉因瞬态输入过压所诱发的种种故障隐患。它的可靠性已非常接近传统工频机UPS的同等水平。近5～6年的运行统计资料显示,它从未出现过影响用户设备安全运行的事故。
　　
　　③同输入功率因数(PF)为电容性的传统高频塔式机和模块化UPS相比,对于输入PF为电感性的增强型高频机UPS而言,由于它具有同12脉冲+11次滤波工频机UPS几乎相同的输入PF和输入THDIvs.带载率的运行特性。由此所带来好处有:
　　
　　·有利于消除/减少发电机因带电容性负载所可能诱发的发电机自动关机隐患以及降低发电机与UPS之间的容量匹比,有利于降低发电机供电系统的TCO。
　　
　　在此需说明的是,在发电机带载的条件下,当输入PF为电容性的传统UPS处于逆变供电状态时,它的故障率还是比较低的。然而,当这种UPS因故转入交流旁路供电状态时,则会发生故障率急增的现象。近年来,在大型数据中心的运行中,曾多次发生过因发电机自动关机所诱发的数据中心瘫痪的严重事故。
　　
　　·为了节能降耗,电力局会对用户执行如下的收费奖惩措施:当用户的用电设备因故向市电电网馈送电容性无功功率时,会被罚款;相比之下,对于向市电电网馈送电感性无功功率的用户而言,当它的电感性输入PF大于0.95时,就可享受到优惠电价待遇。这样一来,对于因故处于轻载运行的传统高频UPS而言,可能会遇到罚款问题。反之,对于选用输入PF为电感性的增强型高频机UPS而言,则可通过执行同“电容无功补偿柜”之间的协调操作,将电网的电感性输入PF调到0.98～0.99,从而获得电费优惠的待遇。
　　
　　④同传统高频塔式机UPS/模块化UPS相比,采用可拆卸式的模块化设计方案的增强型高频的技术优势何在?
　　
　　如图2b、c和d所示,同传统高频塔式机UPS相比,对于采用可拆卸式的模块化设计方案的增强型高频机UPS而言,由于它采用了与模块化UPS类似设计方案,它由便于执行插拔操作的功率模块、静态开关模块、静态旁路模块和显示与控制模块等四大部件组成。这样一来,它必然会获得易组装、易维护、易执行故障定位操作的技术优势。
　　
　　众所周知,对于模块化UPS而言,一旦它的某个功能模块因故被损坏时,就必须用另一个新的功能模块去更换掉受损的功能模块→淘汰整个受损的模块,相当浪费。然而,对于采用可拆卸式的模块化设计方案的增强型高频机UPS而言,一旦它的某个功能模块因故被损坏时,仅需对受损的模块中的相关的受损元器件执行更换操作即可。这样一来,就能大幅度降低用户的后期运维成本。
　　
　　综上所述,对于采用可拆卸式的模块化设计方案的增强型高频机UPS而言,它同时具有模块化UPS对受损功能模块执行快速更换操作以及塔式机UPS更低的后期维修成本的两大技术优势。
　　
　　⑤当UPS供电系统因故进入110%过载状态时,同传统高频塔式机UPS/模块化UPS相比,增强型高频塔式机UPS具有可允许长期运行更强的过载能力,有利大幅度提高“N+1”UPS并机系统运行的可靠性(见表3)。
　　
　　4 开发更加安全可靠和长寿命电池供电系统的必要性
　　
　　为提高N+1并机系统的可用性,不仅需要提高UPS单机的可靠性,还需要提高电池组的可靠性(尽可能地延长电池组的使用寿命)。
　　
　　相关的统计资料显示,对于预期使用寿命≥10年的铅酸电池而言,其实际寿命仅为3～5年左右。对于高品质的铅酸电池而言,它的实际寿命也仅为6年左右。对于预期使用寿命为≥8～14年的锂电池而言,在新能源汽车的应用中,发现其实际寿命仅为5～6年左右。由此可见:无论是铅酸电池,还是锂电池,它们的平均实际寿命仅达其预期寿命的50%～60%左右。这样的现象暗示我们:如果我们能找到导致电池组实际使用寿命“变短”的原因,就能达到大幅度降低电池组的运维成本和维护工作量的目的。
　　
　　通过对铅酸电池和锂电池供电系统的调研发现,导致电池组使用寿命缩短的故障隐患有:电池组的过温、过充、过放、老化、环流和不均流等。一般说来,对于电池组的过温、过放和过充等故障隐患,可以通过正确地选择相应的自动保护阀值的办法来予以解决。然而,对于因生产质量控制以及老化速率的差异等因素所诱发的电池的电压差、内阻差和温度差而言,它们会导致在电池组之间诱发出环流和不均流等隐患。
　　
　　下面,将着重讨论电池组之间的环流和不均流对电池使用寿命的影响和电池组的运行温度对电池使用寿命的影响。
　　
　　①电池组的环流和不均流对电池使用寿命的影响
　　
　　有关电池组之间的环流和不均流对电池使用寿命的影响的调控示意图被示于图3a和3b中。
　　
　　·当两个电池组处于,内阻不相同的环流=0+不均流的放电运行工况时,此时,由于它的环流==0→I 放电=I 电池1+I 电池2。这意味着,此时尽管在电池组之间仍然存在着不均流现象。然而,此时从两组电池组所馈送出的电池储能被全部用于向UPS的逆变器提供直流能源。在这里,不存在电池组容量的有效利用率下降的问题。因此,为解决尽可能地延长电池组使用寿命问题的工作重点应是如何设法消除环流隐患。
　　
　　②电池的运行温度对电池使用寿命的影响
　　
　　有关采用间隙式循环充电/放电设计方案的锂电池与铅酸电池的使用寿命vs.环境温度的检测结果被示于图3c中。在这里,所执行的检测条件是:间隙式循环充电周期为15天,先恒流、后恒压充电,放电深度为20%DOD;每年100%DOD放电两次,所用的铅酸电池的预期寿命为10年产品,所用的锂电池为预期寿命为≥14年产品。
　　
　　·对于铅酸电池组而言,宜采用长期浮充设计方案;对于锂电池组而言,宜采用间隙式循环充电/放电设计方案。如图3c所示,在采用间隙式循环充电/放电设计方案和环境温度=25℃的条件下,对于预期寿命为10年的铅酸电池而言,它的实际使用寿命仅为5.3年左右。相比之下,对于锂电池而言,它的实际使用寿命仍可高达14年左右。
　　
　　·影响锂电池组的实际使用寿命的另一重要因素是,它的运行温度(环境温度+充电/放电附加温升)。如图3c所示,当环境温度<35℃时,锂电池A和B的使用寿命均长于铅酸电池的使用寿命。当环境温度=40℃时,虽然此时锂电池A的使用寿命仍长于铅酸电池的使用寿命。然而,对于锂电池B而言,此时却出现了锂电池B的使用寿命反而低于铅酸电池的使用寿命的奇怪现象。其原因是对于锂电池而言,由于它的体积能量密度大约是铅酸电池的体积能量密度的2.5倍左右。由此所带来的好处是:锂电池的体积可以减少60%左右。其缺点是,同铅酸电池相比,锂电池因散热困难所诱发的充电/放电附加温升会大幅度地增高。这样一来,当这种锂电池在执行高倍率的充电/放电操作时,一旦因故出现它的运行温度超过它的过温保护阀值时,就会出现因电池开关执行保护性的跳闸操作→导致它出现使用寿命=0的现象+UPS输出停电的事故。由此所得到的启示是,为确保锂电池能获得尽可能长的使用寿命,不仅应优选运行温度低的电池产品,还必须严格控制好电池组的环境温度。
　　
　　综上所述,为能创建更加安全,可靠和使用寿命长的锂电池供电系统,有必要选用运行温度低的锂电池产品和开发能消除电池充电/放电环流隐患的创新型电池供电系统。
　　
　　作者简介
　　
　　李成章,男,艾默生网络能源有限公司高级技术顾问。长期从事UPS供电系统的分析、配置和设计工作。
　　
　　编辑：Harris