一、前言
　　
　　随着IT技术、自动化技术以及电力电子技术的发展,生产设备智能化、自动化程度逐渐提高,对供电连续性和稳定性要求也越来越高。
　　
　　以半导体为例,由于供电质量造成生产中断需要耗费极高的停工成本,像光刻机暖机的时候,镀膜等部分制程甚至要维持高洁净度,一旦出现供电质量问题导致机电设备宕机、制程中止,就会造成废料、设备损坏,甚至停产等严重事故,见图1。据统计,半导体行业每一次停机事故所造成的直接和间接经济损失高达上亿元。
　　
　　轨道交通系统一旦停电,会导致信号中断、列车停运等问题,国内某城市地铁部分站点曾发生停电事故,由于UPS电源没有及时响应,造成短时车次运行中断,大面积停运,大量人员在地铁内紧急疏散。
　　
　　目前部分关键供电行业还在使用工频机,而智能模块化UPS可以提高转换效率、减小体积和重量、提高可靠性和可维护性,已经逐步取代工频机,那么工频机与智能模块机作为UPS不间断电源家族一员经历怎样的“故剑情深”?
　　
　　二、工频机与智能模块机的技术“渊源”
　　
　　UPS不间断电源的演进史和我们熟悉的手机发展历程非常相似,都是从单一到多功能,从传统到智能化。
　　
　　手机从最早的“大哥大”,板砖手机,只提供语音通话,到2G时代的“小灵通”,开始支持文本和图像传输,可以收发e-mail和短信，再到3G时代的功能机，支持视频、音乐、图像等多媒体，接着进入智能手机时代，详见图2所示。支持高清视频、直播、移动支付等多种功能。
　　
　　相较于智能手机的发展迭代，UPS不间断电源的发展历程也经历了四个阶段，详见图3所示。
　　
　　第一代UPS为动态储能UPS,类比早期“大哥大”,体积大、噪音大、造价高、维护难。在1985年以前,效率仅50%～60%。
　　
　　第二代UPS是模拟控制工频机,类比“小灵通”的出现,随着技术发展,在体积、后备电池、电网优化上做了重大改进,效率一般低于88%。
　　
　　第三代高频UPS类比2G时代的功能机,采用IGBT整流器件,提升了功率密度,体积缩小50%以上,效率高于96%,缩短了MTTR时间,比工频机更轻、稳定性、供电保障性能更好,THDI做到5%以下,减少谐波污染。
　　
　　原来输入输出都工作在50Hz并且有输出变压器的电路结构就称作工频UPS,而这种输入输出电路都工作在20kHz左右且没有输出变压器的电路就是高频UPS。
　　
　　第四代智能模块化UPS采用全数字+高效模块化,可带电热插拔,支持按需扩容,功率密度更高,AI运维有明显优势,可用性远超高频UPS。
　　
　　那么工频机与智能模块化UPS的电路架构到底如何,让我们具体分析一下。
　　
　　1.工频UPS的电路架构
　　
　　我们先来看下早期工频机到现代工频机的发展,见图4所示,这个过程类似于大哥大到手机的演变。
　　
　　工频机的发展细分为三个阶段:早期工频机、传统工频机、现代工频机。
　　
　　早期工频机通过可控硅整流器技术(Silicon Controlled Rectifier简称SCR)来实现整流逆变,谐波污染大,设备利用率低。由于SCR技术为降压拓扑,输出升压变压器必不可少,电路损耗大,详见图5所示。
　　
　　传统工频UPS在逆变部分由原来的SCR技术转变为IGBT技术(绝缘栅双极晶体管),缩小了逆变部分的体积,提高了设备整体效率,但仍然存在电路损耗大、谐波污染大的问题。
　　
　　传统工频UPS在发展过程中,存在6脉冲和12脉冲2种形态,详见图6、7所示。
　　
　　从技术角度上分析,传统的工频UPS逆变为降压拓扑,因此升压变压器必不可少。整流器形式落后采用6脉冲整流的形式,6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流,由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制,所以叫6脉冲整流。
　　
　　每相可控硅在1/3周期导通,产生基次谐波n=6k±1(k为正整数),谐波电流(THDi)30%-35%,测得输入功率因数为0.65-0.8,上图中6脉冲工频整流UPS谐波畸变严重,实际测得的输入功率因数低。
　　
　　而12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上,在输入端、增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器,使直流母线电流由12个可控硅整流完成,因此又称为12脉冲整流。
　　
　　每相可控硅在1/3周期导通,产生基次谐波n=12k±1(k为正整数)。谐波电流(THDi)10-15%,测得输入功率因数为0.8-0.9,上图中12脉冲工频UPS谐波畸变也很大,由于输入功率因数较低,造成线路损耗大、损耗会使设备效率低。
　　
　　2.智能模块化UPS的电路结构
　　
　　智能模块化UPS的高功率IGBT已经成熟到足以允许10kHz及以上的转换频率,像现在的智能手机一样,有着更好的性能和应用。从砖头“大哥大”到智能手机,手机更便携、信号更优、性能更全,相应地,智能模块化UPS体积更小、重量更轻、噪音较小、自身效率更高。
　　
　　智能UPS采用IGBT控制输入电压,减少谐波污染。对电网适应能力强,测得不带滤波器时输入功率因数可高达0.99,谐波电流THDi<3%,与发电机的容量得到最佳匹配,并减少输入端投资,详见图8所示。
　　
　　那么智能模块机与工频机技术性能的全面PK对比,谁又能更胜一筹呢?
　　
　　三、工频机与智能模块化UPS技术“比武”
　　
　　工频机与智能模块化UPS整体性能对比见图9所示。
　　
　　1.智能模块化UPS实用性更强
　　
　　智能模块化UPS在占地、效率、在线维护、部件冗余等性能上全面优于工频机和高频一体机。以400kVAUPS为例,工频UPS的体积和重量约为智能模块化UPS的3倍,无论是运输还是安装都极为不方便,甚至无法使用普通的货梯。
　　
　　在运维方面,工频机多为塔机,需要下电维护,一个损坏的电容维护时间就要1-2天,而智能模块化机采用模块化冗余设计,核心部件支持热插拔维护,无单点故障,无需停机。相较工频UPS部件坏了才知道要更换的被动维护模式,智能模块化UPS通过AI技术实现关键部件的寿命预测、温度预警,变被动维护为主动预测性维护,提升系统可靠性。
　　
　　2.智能模块化UPS环流更小,并机可靠性更高
　　
　　工频机控制方式一般采用模数组合控制技术,而智能模块化UPS采用DSP、FPGA等高速数字芯片,模拟技术的可靠性远低于数字技术。工频机并机时变压器的直接并联,容易产生环流,智能模块化UPS电压偏差只要小于二极管的开通电压就不会出现环流,通常做到3%以内,并机可靠性更高。
　　
　　3.智能模块机输入特性和谐波畸变更优
　　
　　我们来看一下,高THDi谐波电流与低PF功率因数的危害:
　　
　　1）影响末端设备性能,电机、变压器、线缆损耗增加发热,对电子设备干扰,降低效率、缩短设备使用寿命。
　　
　　2）影响电力系统的稳定性,造成系统效率降低。
　　
　　3）影响设备运行精度,使精密仪器数据传输错误、传送图像模糊、信息丢失等,造成用电成本增加,电力资源浪费。
　　
　　智能模块机基于IGBT整流,天然的能在从10%到100%的负载率区间段提升PF(功率因数)并降低THD(谐波畸变)。我们可以从前面提到过的工频UPS和智能模块机的输入特性指标里看到。
　　
　　工频UPS:6脉冲输入PF值0.65～0.8,12脉冲输入PF值0.8～0.9,电流谐波总畸变率THDi大于10%;智能模块化UPS:PF值0.99,电流谐波总畸变率THDi<3%。
　　
　　传统工频UPS如果不额外配置昂贵的前置滤波器,输入PF和THD指标曲线将很不理想,而智能模块化UPS在不同负载率下输入特性更高,谐波畸变更低。
　　
　　4.智能模块机效率更高、更节能
　　
　　工频UPS效率通常<92%,低载更低，智能模块化UPS从20%负载到100%满载，都能保持96%以上的系统效率，详见图10所示。一台400KVAUPS效率每提升1%，10年节省电费近17万元。
　　
　　四、结论
　　
　　综上所述,智能模块机具有高可靠性和高可维护性,体积小、重量轻、输入功率因数高、谐波畸变小、系统效率高。随着UPS不间断电源在关键供电行业的推广应用和普及,智能模块化UPS将成为关键负载连续供电的首选方案,像智能手机一样成为行业技术演进的必然选择。
　　
　　大事故--谷歌云一键“删库”800亿美元资产
　　
　　2024年5月9日,一个前所未有的事件震惊了全球金融科技界:由于谷歌云工程师操作失误,管理着800亿美元资产的投资公司UniSuper的整个云环境被删除,数十万的用户数据和资产记录被清空。
　　
　　据报道,此次失误源于在一次例行维护过程中,GoogleCloud的工程师们不慎触发了一个隐藏的软件漏洞,导致UniSuper的私有云账户被意外删除。这一事件导致超过五十万的UniSuper基金会员无法访问他们的养老金账户。
　　
　　GoogleCloud方面承认,由于配置过程中的一个失误,导致UniSuper的私有云服务订阅被意外删除。这一“前所未有的配置错误”不仅仅导致了服务的中断,更重要的是,它揭示了即使是云服务巨头也可能犯下的错误。此外,尽管UniSuper通常在两个地理位置有数据备份,以确保服务的连续性,但由于云订阅的删除,导致两个地理位置的数据都被删除了。不过幸运的是,UniSuper在另一家云服务商那里存有的备份,这成为了他们的救命稻草。在紧急恢复行动中,这些备份发挥了关键作用,最终帮助UniSuper恢复了服务。显然,这一事件给我们的启迪,不是如何谨慎的应对技术,如何完善系统,而是做好备份,并且是多重备份和跨平台备份,才是最重要的。
　　
　　编辑：Harris