一、從工頻機UPS到高頻塔式機UPS的發展

工頻機結構UPS技術出現在上世紀70年代，因其整流工作頻率與電網頻率一致而得名。受製於當時半導體技 術發展
，逆變器中IGBT器件耐壓隻能做到600V，故母線電壓受限，逆變器輸出電壓不能做到380V；而且工頻機逆變器是全橋電路
，輸出為三相火線

，無 法滿足單相IT負載和三相四線製負載的需求，必須進行Δ-Y轉換。為解決這些問題，廠家在工頻機逆變器輸出端加入了變壓器用於升壓和產生中線，以使輸出電 壓滿足負載的要求，這便是工頻機內置變壓器的真實目的。圖-1所示為工頻機的典型拓撲。


而到上世紀90年代，第三代溝槽型IGBT麵世，其耐壓能力提升至1200V，促使了UPS技術的革新。通過整流側高頻升壓電路將母線電壓提升至 700V左右
，逆變器輸出電壓可以做到380V，輸出變壓器得以取消。而這種整流逆變電路都工作在高頻（幾kHz以上）且沒有輸出變壓器的UPS就被稱為 高頻UPS。圖-2所示為一典型的高頻機拓撲。


二
、高頻UPS與工頻UPS的對比

1.工頻機輸入功率因數低
、諧波高

工頻機UPS采用可控矽半控整流，6脈衝整流UPS輸入功率因數低於0.7，諧波高達30%
；12脈衝整流UPS輸入功率因數最高僅為0.8

，諧波 高達15%

，即使加上諧波處理措施，功率因數最高也隻能改善至0.95。相比之下，高頻機采用IGBT-PFC全控整流，輸入功率因數業界均可做到 0.99，諧波電流小於3%。嚴重的諧波汙染不僅可能幹擾其他設備無法工作、使控製與保護器件誤動作外，而且直接導致投資大幅增加：客戶需要購買額外的諧 波處理設備降低諧波
；如果前端接柴油發電機備電
，發電機的容量要配置為UPS容量的2-3倍，同時前級配電器件、線纜等均需要提升20%左右，而高頻機隻 需前端發電機容量配置為UPS容量的1.2-1.5倍即可，配電容量和UPS容量保持一致或略高。

2.工頻機功耗大

有三個因素導致工頻UPS效率低於高頻UPS。一是工頻UPS整流為降壓拓撲

，器件工作電流大
，無論是內部線路無論是線性損耗還是平方損耗都比高頻 機高
；二是因輸出需要升壓的原因工頻機比高頻機多內置一個輸出變壓器

，致使工頻機效率下降2%-3%左右；三是在實際應用中，為了提高輸入功率因數至 0.95以上，並降低其注入電網的諧波汙染
，工頻機還要外置一個5次或11次諧波濾波器，效率將再次下降2%-3%。據英國某運營商與 西班牙某運營商現網運行統計數據，工頻UPS的效率一般在85%左右，相比高頻92%左右的運行效率和模塊化96%左右的運行效率，導致大量的能量損失。 以400kW負載為例
，工頻機將比高頻機年多耗電41萬度，比模塊化年多耗電近58萬度。除此之外
，工頻UPS還有高諧波、低功率因數等導致配電線纜損耗 增大等問題。

3.工頻機體積大、重量重

因為工頻機采用低頻器件且配置輸出變壓器，致使UPS體積重量大大增加。以某品牌400kVA工頻機和高頻機對比
，工頻機重量是高頻機的2.2倍， 體積是高頻機的1.5倍，在實際運輸中可能存在機房門或者走道偏小、電梯載重不夠
、樓層承重不足等問題，有些情況下甚至需要用吊車裝卸，然後破牆而入來安 裝工頻UPS，大大增加了運輸時間及成本。

4.工頻機相比高頻機在可靠性方麵並無優勢

工頻機和高頻機的主要差異體現在整流器和變壓器上。工頻機整流器采用SCR器件，電壓應力小，電流應力大，高頻機主要采用IGBT器件
，電流應力 小，電壓應力大。SCR與IGBT目前均為成熟器件，隻要應用得當
，可靠性並不會有差異。事實上，工頻機的逆變部分也是使用IGBT
，並沒有因此而降低工 頻機的可靠性，也沒有證據證明逆變器是工頻機的薄弱環節。從拓撲上講
，工頻機用的是相控整流+全橋逆變，高頻機一般采用高頻整流+半橋逆變。這些拓撲均為 電力電子技術上非常常用的拓撲，並不存在誰原理上更可靠的問題，其可靠度取決於設計的水平。

而對於變壓器，業界經常可以聽到其很多所謂的優點，比如抗衝擊能力強
、降低零地電壓等
，然而真的是這樣嗎
？

第一，過載能力強
，抗負載衝擊能力強。過載能力是IEC62040-3中要求標稱的關鍵指標之一，其強弱可通過實際數據來衡量。表-1所示為同一廠商的工頻機與高頻機過載能力
，由表-1可知，兩類機型過載能力並沒有區別。

 
shuchubianyaqibingbuhuizengqianggongpinjidekangchongjinengli
，duiyubianyaqikeyizengqiangkangchongjinenglidexiangxianglaiyuanyubianyaqidediangantexing

，dianganpinghuadianliudenenglizaifuzaidianliujizengshikeyiping huadianliuboxingyanhuandianliuchongji。danshijishangdianganpinghuadianliudenengliyuqibenshenganliangchengzhengbi。gongpinjishuchubianyaqibianbixiao，bianyaqishuchuraozudelicidianganyebuhuitaida，zaidadianliuchongjixia 極ji易yi飽bao和he，很hen難nan對dui逆ni變bian器qi的de衝chong擊ji有you明ming顯xian的de緩huan衝chong作zuo用yong。而er按an照zhao傳chuan統tong變bian壓ya器qi傳chuan遞di能neng量liang的de特te點dian與yu磁ci性xing器qi件jian原yuan理li分fen析xi
，當dang後hou級ji負fu載zai也ye就jiu是shi變bian壓ya器qi輸shu出chu側ce出chu現xian能neng量liang衝chong擊ji時shi，在zai變bian 壓器能量傳遞能力達到飽和上限之前，後端的尖峰勵磁電流會直接反射到前端對UPS的IGBT產生衝擊
，並且由於變壓器的變比問題前端所受到的衝擊電流會比 輸(shu)出(chu)端(duan)更(geng)大(da)，同(tong)時(shi)造(zao)成(cheng)的(de)損(sun)害(hai)也(ye)更(geng)為(wei)嚴(yan)重(zhong)。而(er)且(qie)，工(gong)頻(pin)係(xi)統(tong)由(you)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)磁(ci)滯(zhi)特(te)性(xing)，難(nan)以(yi)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)後(hou)級(ji)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)。當(dang)變(bian)壓(ya)器(qi)後(hou)端(duan)出(chu)現(xian)突(tu)變(bian)並(bing)反(fan)饋(kui)到(dao)前(qian)級(ji)時(shi)，係(xi)統(tong)采(cai)取(qu)相(xiang)關(guan)動(dong)作(zuo)較(jiao)無(wu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)高(gao)頻(pin)機(ji)來(lai)說(shuo)會(hui)延(yan)遲(chi)幾(ji)十(shi)甚(shen)至(zhi)幾(ji)百(bai)個(ge)ms，此時流過IGBT的衝擊電流已經足夠損壞UPS甚至引發火災。

第二
，在逆變器IGBT管直通故障時隔斷直流危險電壓。工頻機變壓器確實可以避免直流傳遞至副邊，但高頻機通過快速檢測與保護措施一樣可以避免直流 危險電壓對負載造成危害。當高頻機逆變某IGBT出現直通故障時
，UPS控製器可立即檢測輸出電流異常，並通過整流單元關機及輸出端口熔絲保護等措施快速 隔斷直流危險電壓到輸出端口的路徑。在保護過程中，輸出到負載端口的電壓約為持續幾個ms的400V直流。對於使用開關電源供 電的IT負載來說，其輸入允許電壓可以達到276Vac，整流之後電壓也在400Vdc左右
，器件選型等均依據母線電壓選型。此時輸入端口的400Vdc buhuichaochuqijiannaishoufanwei，bukenengduishebeizaochengshanghai。erduiyugongpinjieryan，qiyuanbianjiazaizhiliudianya，jiangdaozhidianliujijuzengda，wendukuaisushangsheng，kenengyinfahuozaidenggengyanzhongguzhang。

第三，可以降低零地電壓。許多服務器等 設備都有零地電壓的要求，盡管這樣設計的原因已無法考證，因為從理論上來說零地電壓的大小並不會影響IT設備的正常工作。在數據中心中
，IT設備隻允許使 用TN-S或TN-C-S供電製式
，那麼IT設備輸入端口的零地電壓主要由零線接地點(TN-S係統)或零線與地線分離點(TN-C-S係統)至IT輸入 端(duan)口(kou)的(de)零(ling)線(xian)阻(zu)抗(kang)與(yu)零(ling)線(xian)電(dian)流(liu)及(ji)係(xi)統(tong)中(zhong)三(san)次(ci)諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)決(jue)定(ding)。在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)
，無(wu)論(lun)是(shi)工(gong)頻(pin)機(ji)還(hai)是(shi)高(gao)頻(pin)機(ji)均(jun)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)零(ling)線(xian)阻(zu)抗(kang)，而(er)零(ling)線(xian)電(dian)流(liu)及(ji)三(san)次(ci)諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)主(zhu)要(yao)是(shi)與(yu)三(san)相(xiang) 負載配置與負載特性有關
，即UPS的類型不會對於零地電壓不會有明顯的影響。真正決定零地電壓的是配電係統的設計。如果需要改善零地電壓，最好是從配電係 統(tong)入(ru)手(shou)，著(zhe)手(shou)減(jian)少(shao)線(xian)路(lu)阻(zu)抗(kang)與(yu)零(ling)線(xian)電(dian)流(liu)。減(jian)少(shao)線(xian)路(lu)阻(zu)抗(kang)最(zui)有(you)效(xiao)的(de)方(fang)式(shi)即(ji)在(zai)負(fu)載(zai)的(de)列(lie)頭(tou)櫃(gui)內(nei)置(zhi)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)。需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)在(zai)應(ying)用(yong)時(shi)有(you)將(jiang)工(gong)頻(pin)機(ji)變(bian)壓(ya)器(qi)副(fu)邊(bian)直(zhi)接(jie)接(jie)地(di)的(de)做(zuo) 法，這是一種不規範的做法。工頻機變壓器N線並未隔離，對於TN-S係統和N與PE已經分開的TN-C-S係統，N線重新接地也將導致PE線有電流流過， 可能幹擾設備正常工作。國標還是IEC標準均不允許此種不規範做法。

而第四，工頻UPS的變壓器可以起到隔離作用，可以保障人身安全。為了保障主旁平穩切換，工頻UPS輸出N線由旁路引入，也即工頻機的變壓器並不能 起到電氣隔離作用，也不能重新接地。在需要隔離場合的場景，即使使用工頻UPS
，其旁路也必須加一變壓器用於隔離N線，以實現真正的隔離。

實際上
，變壓器的設計反而增大了環流的風險。圖-3所示為兩類機型的環流路徑。工頻機UPS的並聯就是變壓器的直接並聯，整條回路上沒有器件限製，電壓的偏差很容易產生環流。而高頻機的環流路徑上具備多個二極管
，小於2V的電壓差根本形不成環流。


5.工頻機增加用戶投資

由(you)於(yu)工(gong)頻(pin)機(ji)整(zheng)流(liu)工(gong)作(zuo)在(zai)市(shi)電(dian)頻(pin)率(lv)，需(xu)要(yao)更(geng)大(da)的(de)電(dian)感(gan)儲(chu)能(neng)。其(qi)更(geng)大(da)體(ti)積(ji)的(de)電(dian)感(gan)與(yu)無(wu)法(fa)省(sheng)掉(diao)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)均(jun)由(you)銅(tong)和(he)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)組(zu)成(cheng)
，成(cheng)本(ben)難(nan)以(yi)下(xia)降(jiang)，價(jia)格(ge)一(yi)般(ban)比(bi)高(gao)頻(pin)機(ji)要(yao)高(gao)30%以上。

綜上
，從性能、可靠性、價jia格ge上shang講jiang

，高gao頻pin機ji比bi工gong頻pin機ji均jun具ju備bei優you勢shi。從cong各ge主zhu要yao廠chang家jia的de係xi列lie來lai看kan，業ye界jie主zhu要yao廠chang商shang均jun已yi不bu推tui出chu新xin工gong頻pin機ji型xing
，部bu分fen廠chang商shang已yi全quan麵mian轉zhuan向xiang高gao頻pin機ji的de研yan發fa與yu銷xiao售shou。工gong頻pin機ji被bei高gao頻pin機ji取qu代dai已yi是shi大da勢shi所suo趨qu。

三
、從高頻塔式機UPS到模塊化UPS的發展

模塊化UPS早在上世紀九十年代即已出現，但因為技術能力沉寂了很長時間。而自2000年起
，由於DSP、數字控製等技術的發展，多功率模塊並聯均流控製問題得以逐步解決，模塊化UPS技術開始蓬勃發展。2009-2010年中國電信對模塊化UPS展開深入測試，根據各地實際使用單位的反饋，中國電信認為業界主流模塊化UPS已滿足通信行業的使用要求，並於2011年底開始對模塊化UPS進行集中采購。中國移動模塊化UPS也以單獨標段進行集采。

四、模塊化UPS與高頻塔式UPS的對比

1.模塊化UPS係統可用性高

供(gong)配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)作(zuo)為(wei)現(xian)在(zai)信(xin)息(xi)係(xi)統(tong)極(ji)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)環(huan)，對(dui)其(qi)一(yi)個(ge)基(ji)本(ben)的(de)要(yao)求(qiu)就(jiu)是(shi)該(gai)係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)能(neng)連(lian)續(xu)工(gong)作(zuo)。而(er)要(yao)達(da)到(dao)連(lian)續(xu)工(gong)作(zuo)這(zhe)一(yi)目(mu)的(de)，首(shou)先(xian)是(shi)係(xi)統(tong)應(ying)具(ju)備(bei)較(jiao)高(gao)的(de)可(ke)靠(kao) 性(xing)，其(qi)次(ci)該(gai)係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)做(zuo)到(dao)能(neng)夠(gou)快(kuai)速(su)修(xiu)複(fu)。如(ru)果(guo)不(bu)能(neng)快(kuai)速(su)修(xiu)複(fu)，就(jiu)可(ke)能(neng)麵(mian)臨(lin)二(er)次(ci)故(gu)障(zhang)導(dao)致(zhi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)癱(tan)瘓(huan)的(de)風(feng)險(xian)，客(ke)戶(hu)的(de)負(fu)載(zai)就(jiu)不(bu)能(neng)保(bao)障(zhang)連(lian)續(xu)工(gong)作(zuo)。

在快速修複方麵，模塊化UPS具備天生優勢。首先，在修複時間上，由於快速插拔這一特性，模塊化UPS現場即可完成更換，平均的修複時間在半小時之 內，相比於傳統塔式機典型修複時間24小時，修複速度明顯提升。其次
，在修複質量上，模塊化UPS的修複形式是將故障模塊更換，而傳統塔式機需要原廠派專 業工程師到現場進行故障定位，然後拆機修複故障電路、單板
，修複周期長，而且存在溝通和定位過程
，易造成重複工作

，影響故障處理效率。

可能有的用戶會質疑，認為模塊化UPS的N+1體係結構不如1+1並機係統穩定。確實

，從理論上來講，N+1並機係統中1+1的可靠性肯定是最高的。但是實際的場景中往往不是這麼簡單：

首先，此結論忽略了負載率這一情況，作為1+1並機係統，最多隻能允許一台UPS損壞；而對於模塊化UPS體係
，以4+1為例，100%負載的時候 可靠性要低於1+1，但是75%負載率的時候，模塊化體係實際就變成了3+2，50%的時候就變成了2+3
，可靠性要遠大於1+1並機。在常見應用場景 中，UPS負載率是在20~40%左右的，在這種情況下模塊化的優勢具有非常明顯的優勢。

其次，不同於傳統單機
，模塊化UPS可以輕易實現N+2、N+3這種冗餘模式，僅需增加1-2個模塊即可實現
，而塔式機要做到此模式不僅僅是增加1台主機，機器運輸、場地安裝
、走線設計以及相應的配電、電池都需變更，導致投資大幅增加。

綜上，UPS模塊化在實際場景中可靠性遠高於傳統塔式並機；再加上UPS快速維護

、擴容的特性，模塊化UPS的可用性更是大大高於傳統塔式機。

2.模塊化UPS的擴展性更好

塔式機擴容需要購買整台新機

、將機器安裝到位、將係統中其他UPS轉旁路後把新機接入係統
，整個步驟中不僅投資高、安裝時間長，而且在並入新機時由於整個係統處於旁路狀態
，存在市電中斷導致負載掉電的風險。

而模塊化隻要初期規劃好配電係統，就可以通過增加模塊來匹配負載的提升，且在擴容過程中保障對原有負載的不間斷供電。

3.模塊化UPS運輸安裝難度低

塔式機UPS需要作為一個整體來安裝、運輸，大型單機就會比較困難。如容量400kVA的UPS重量一般為1500kg左右
，體積超過3m3，塔式 機UPS會受到運輸通道不足、重量高難運輸的困難

，而模塊化UPS一方麵可以將模塊、機架分開搬運
，另一方麵多數機型機架之間可以分開運輸
，塔式UPS可 能遇到的問題將迎刃而解。

4.模塊化UPS實際運行效率高

目前高頻塔式UPS與模塊化UPS均可做到最高96%的效率值

，但這是在負載率在50%以上才能達到的。而前麵提到
，因為係統冗餘及超前規劃
，常見 工況下UPS負載率在20~40%左右。高頻塔式機在此工況下隻能做到94~95%的效率，而主流模塊化UPS普遍具備“模塊休眠”特性在保證一定係統冗 餘的基礎上，可以休眠一定數量的模塊（可以手動或者設置自動）
，讓UPS係統工作在效率比較高的區域


，即保持在效率最高點96%附近。圖-4即展示了休眠 提升負載率與運行效率的原理。


而且有些廠家考慮到模塊老化時間可能不同，更進一步開發了“輪換休眠功能”：即每隔一段設定好的周期，休眠模塊進行輪換，以平均每個模塊的老化時間，提升整體UPS係統壽命。圖-5展示了輪換休眠的典型過程。


五、結束語

自其誕生之日起，模塊化UPS就旨在滿足用戶對於供電係統的可用性、可靠性
、可維護性及節能等方麵的需求。經過長期的運行驗證
，模塊化UPS在這些 方麵相較傳統UPS係統確實具備很大優勢。隨著能源成本持續增加及用戶對供電係統的靈活性、可用性等要求的進一步提高，模塊化UPS必將得到更廣泛的應 用。

本文作者：王其英   來源：C114中國通信網

尊重版權，擴大好文影響力！