1 傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和存在的問題

圖1給出了傳統(tǒng)UPS的典型架構(gòu)和工作狀態(tài)。從圖1可以看出傳統(tǒng)UPS是如何工作的,必然存在的固有問題,已經(jīng)做過的和正在做的技術(shù)改進或補救措施。

(1) 傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點

①具有不停電供電功能的UPS設備配置在交流供電系統(tǒng)中;

②選用直流電池做備用能源,電池需要AC/DC變換充電和DC/AC變換供電;

③能源多次變換:UPS設備AC/DC和DC/AC兩次變換,還包括IT設備內(nèi)部開關電源的AC/DC和DC/DC兩次變換;

④兩個諧波電流源:UPS設備AC/DC變換和IT設備開關電源AC/DC變換;

⑤交流輸入能源和備用能源(電池)都要經(jīng)過UPS向負載供電,其供電可靠性取決于UPS系統(tǒng)可靠性;

⑥系統(tǒng)復雜,維護難度大,存在多環(huán)節(jié)串聯(lián)形成單路徑故障點,可靠性差。

(2) 當前的技術(shù)發(fā)展狀況

從當前用戶關注的焦點和UPS廠家技術(shù)改進的重點來看,要解決的問題和技術(shù)措施歸納起來有以下三點:

① 提高系統(tǒng)可用性

•提高設備可靠性;

•增大成本,對設備采用冗余配置,使其有容錯功能;

•對系統(tǒng)采用雙總線冗余配置,不但UPS有容錯功能,還可最大限度地減少整個系統(tǒng)的單路徑故障點;

•配置模塊化UPS,有冗余功能,并大幅度降低故障修復時間;

•提高設備智能監(jiān)測和管理功能,便于維護,提前消除潛在的故障隱患;

•采用集成化系統(tǒng)設計,解決系統(tǒng)中各類設備阻抗和連接方式的匹配問題,提高系統(tǒng)集中管理功能,并最大限度地減少安裝和維護中的人為錯誤。

②抑制系統(tǒng)中諧波電流的產(chǎn)生及其治理問題

•加大零線規(guī)格和前端設備(變壓器、油機、配電開關、轉(zhuǎn)換開關等)容量,以便降低諧波電流的影響;

•6脈沖整流前加5次無源濾波器,PF=0.9,THD≤20%;

•輸入改為12脈沖整流+11次無源濾波器,PF=0.95,THD≤10%;

•6脈沖整流前加有源濾波器,輸入電流成正弦波,PF=0.99,THD≤5%;

•輸入改為PFC高頻整流,PF=0.99,THD≤5%;

•要求負載(IT設備)輸入開關電源采用PFC整流。

以上這些技術(shù)改進措施,還可以分為UPS設備和系統(tǒng)方案配置兩個方面,如表1所示

(3 )當前UPS供電系統(tǒng)運行中存在的問題

傳統(tǒng)UPS存在的問題,可綜合歸類于以下六個方面:

①系統(tǒng)可靠性

系統(tǒng)復雜、單路徑故障點多、設備可靠性差、維護難度大等;

②系統(tǒng)電流諧波*

系統(tǒng)中存在兩個諧波源,對電網(wǎng)和系統(tǒng)本身形成*、降低輸入功率因數(shù)和能源利用率、對地線系統(tǒng)提出苛刻要求等;

③系統(tǒng)成本和能源消耗

兩次轉(zhuǎn)換效率低、系統(tǒng)復雜提高購置和運行成本、電流諧波大增加濾波設備、輸入功率因數(shù)的低而降低了系統(tǒng)設備容量利用率;

④系統(tǒng)標準化

系統(tǒng)復雜為標準化帶來困難,系統(tǒng)設計建造停留在手工業(yè)階段;

⑤系統(tǒng)的靈活性和可擴展性

計劃容量一次性投入、難以變更和擴展,縮短了生命周期;

⑥系統(tǒng)使用維護難度

要求較高的維護水平,多供應商和非標準化使故障修復困難;

(4)值得思考的問題

①供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和趨勢是,系統(tǒng)不斷復雜化;設備堆積、結(jié)構(gòu)臃腫;成本不斷攀升;效率難以再有效提高;系統(tǒng)構(gòu)成五花八門,難以標準化。

②系統(tǒng)可靠性問題的存在,是因為UPS設備本身的可靠性不高;

③通過方案設計和智能管理提高可用性還有多大潛力?

④系統(tǒng)中的諧波是負載和UPS設備自身產(chǎn)生的;

⑤系統(tǒng)復雜性和設備容量利用率低下,造成了系統(tǒng)能源效率難以有效提高。傳統(tǒng)UPS設備在滿載時可達92%以上,在系統(tǒng)中實際的工作效率在85%～90%,而整個供電系統(tǒng)效率為75%～80%;

⑥維護難度增加,原因是系統(tǒng)復雜、可靠性差、沒有標準化。

2 傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的能源架構(gòu)的形成

談到不停電供電系統(tǒng),最重要的條件是必須具備兩種能源:

①主供電能源:通常是市電電網(wǎng);

②備用能源:通常包括交流備用能源—發(fā)電機和直流過渡備用能源—蓄電池。

任何供電方案的形成,從根本上講是由兩種能源的特性和配置方法決定的。因此,在我們討論一個方案的優(yōu)劣和探討可能的變革時,也必須從能源類型的選擇和配置方法入手。

(1)對傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)進行改革的思考

談到傳統(tǒng)UPS的技術(shù)進步和變革,通常是指設備功能和電路技術(shù)的進步、系統(tǒng)方案設計的進步、新設備的應用和系統(tǒng)方案的改革。

但是,以下四個問題是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)難以解決的固有問題,使任何技術(shù)進步和改革都會遇到不可逾越的障礙:

①UPS供電系統(tǒng)可靠性差的主要原因是UPS設備可靠性差,前面講的所有提高系統(tǒng)可靠性措施主要是針對UPS設備的,UPS的AC/DC和DC/AC變換是整個供電系統(tǒng)中可靠性最薄弱的環(huán)節(jié);

②AC/DC和DC/AC雙轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式形成對提高系統(tǒng)效率改革的制約,AC/DC和DC/AC變換運行效率難以再提高。提高可用性需要冗余并機系統(tǒng),使供電系統(tǒng)設備容量利用率低于40%。設備容量利用率在20%～30%情況下,整個系統(tǒng)運行效率會降到80%以下;

③AC/DC和DC/AC雙轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式形成對提高可靠性改革的制約,AC/DC和DC/AC變換決定了UPS設備和系統(tǒng)的復雜性,已經(jīng)采用過的各種技術(shù)措施在降低復雜性方面都沒有明顯的成效,甚至技術(shù)越進步,系統(tǒng)越復雜,進而可靠性越差;

④提高功率半導體器件性能的局限性對提高UPS設備的容量形成制約。提高單臺設備容量可降低系統(tǒng)的復雜性,但是當前的IGBT功率器件的輸出能力和電氣性能決定了單臺UPS輸出能力在400kVA左右,模塊化UPS可拔插的最大功率模塊限制在40kVA。

鑒于以上原因,我們對改革傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的設想是,從根本上去掉傳統(tǒng)的AC/DC和DC/AC變換結(jié)構(gòu),這可能是對傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)進行徹底改革的唯一出路。

為此要做到兩點:

①去掉或轉(zhuǎn)移UPS對供電質(zhì)量進行補償調(diào)控的功能;

②改變過渡儲能器件(蓄電池)在系統(tǒng)中的位置,或者采用新的儲能器件代替蓄電池。

(2)不停電供電系統(tǒng)能源配置要求

圖2給出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的能源配置在圖2中,整個系統(tǒng)是靠三種能源實現(xiàn)不停電供電的:

①可連續(xù)供電的主能源—市電;

②可連續(xù)供電的備用能源—柴油發(fā)電機;

③在主備交流能源轉(zhuǎn)換期間保證IT設備連續(xù)不間斷供電的過渡備用能源—蓄電池。

(3)計算機供電系統(tǒng)演變和傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)產(chǎn)生的過程

圖3給出了計算機供電系統(tǒng)演變和傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)產(chǎn)生的過程。

從計算機問世至20世紀60、70年代,計算機由電網(wǎng)市電直接供電,機內(nèi)電源擔負著高壓交流電到低壓直流電的轉(zhuǎn)換,并且保證了對IT設備的供電質(zhì)量,當時的開關電源(或其他電路結(jié)構(gòu)的AC/DC電源)由于功率器件性能的限制,其輸入端必須配置50Hz降壓變壓器;

20世紀70、80年代,計算機提出不停電供電要求,而實現(xiàn)這一功能是從研發(fā)和配置一個獨立的設備開始的,這就是最初的UPS設備。鑒于它是一個獨立的設備,就把它配置在IT設備前面的交流供電系統(tǒng)中,而IT設備內(nèi)部保留了原來的開關電源。因為開關電源輸入端配置了降壓變壓器,所以要求獨立的UPS設備是交流輸入/交流輸出;

同樣是在20世紀70、80年代,電源業(yè)內(nèi)開始了20kHz的革命,80年代末90年代初,無輸入變壓器的開關電源開始成熟并逐漸產(chǎn)品化,高性能的開關電源在IT設備中得到了普遍的應用。雖然開關電源輸入已經(jīng)去掉了降壓變壓器,但是UPS作為獨立的設備仍保留了交流輸出,以至于開關電源也必須保留AC/DC和DC/DC兩級變換。

(4)過渡備用能源配置和傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換UPS結(jié)構(gòu)形式的必然性

兩個基本條件決定了傳統(tǒng)UPS的結(jié)構(gòu)形式:

①UPS作為獨立設備配置在交流供電系統(tǒng)中;

②采用直流蓄電池作為備用能源。

如圖4所示,電網(wǎng)市電正常時,電池需要AC/DC充電。市電掉電時,需要DC/AC為負載供電,這就是當前傳統(tǒng)UPS結(jié)構(gòu)形式的必然性。

(5)對UPS供電系統(tǒng)應具備功能的討論

傳統(tǒng)UPS產(chǎn)生50多年來，UPS作為一個獨立存在的設備，在產(chǎn)業(yè)化和市場應用推廣過程中，

人們賦予了它太多的功能，除了不停電供電外，還可以全面改善和保證計算機的供電質(zhì)量。特別是后者,好像在UPS出現(xiàn)之前，計算機都沒有穩(wěn)定地運行過，沒有UPS保駕的高性能計算機、教育系統(tǒng)計算機以及更廣泛的辦公用計算機肯定不能可靠運行似的。因此，討論并明確一下UPS應具備的功能，對進一步改革傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的是非常必要的。

①不停電供電是UPS唯一必須具備的功能

傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)是在計算機需要不停電供電的需求下產(chǎn)生的,這同時也就決定了它應具備的基本功能:當主供電電網(wǎng)中斷時,啟動備用能源電池供電,保證計算機連續(xù)運行。

也可以說,沒有計算機不停電供電要求,就不會產(chǎn)生UPS設備。

②改善供電質(zhì)量不是UPS的任務

首先,IT設備是由開關電源直接供電的,開關電源輸出低壓直流,它的輸出電壓性能指標可以完全滿足IT設備要求,這是無容置疑的。

再者,開關電源對輸入交流電源的適應能力比UPS強許多。表2是開關電源與傳統(tǒng)UPS對輸入交流電源三項主要性能指標要求的比較。

③大量的計算機設備是由電網(wǎng)直接供電的

以下場合計算機設備都是由市電直接供電的:

•在UPS普遍應用前的計算機供電系統(tǒng);

•當前的筆記本和臺式機;

•UPS應用初期,大量后備式UPS(相當于市電直供)為計算機供電;

•UPS轉(zhuǎn)旁路(相當于市電直供)是UPS一種正常運行模式;

•科研和教育行業(yè)大型計算機系統(tǒng);

3 UPS供電系統(tǒng)的改革

(1) 已具備的改革條件

隨著數(shù)據(jù)中心不停電供電系統(tǒng)的技術(shù)進步,以下兩點變化為我們提供了對傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)做進一步改革的必要條件:

①柴油發(fā)電機成為系統(tǒng)必備的可連續(xù)運行的主備用能源

隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)進步和規(guī)模的擴大,一個顯著的特點是單機架功率密度的提高,在一個平均機架功率密度為3kW的數(shù)據(jù)中心中,最高機架功率密度可能達到6～8kW。實際測試表明,一個普通平均機架功率密度小于2kW的機房,市電掉電制冷設備停止運行后,經(jīng)60s,機房溫度就上升到機房允許最高溫度25℃,3.5min后,就上升到IT設備允許最高進風溫度32℃;一個17個3kW機柜總發(fā)熱量51kW的機房,空調(diào)停運后,大約35～40s后,機柜進風口溫度達到32℃;一個17個6kW機柜總發(fā)熱量102kW的機房,空調(diào)停運后,大約15s后,機柜進風口溫度達到32℃。嚴峻的熱量管理要求,使數(shù)據(jù)中心連續(xù)運行的條件,由連續(xù)供電變成既要連續(xù)供電又要連續(xù)制冷。連續(xù)供電由備用能源(電池)通過UPS完成,而連續(xù)制冷則必須由可連續(xù)運行的備用交流能源(發(fā)電機)擔當,且發(fā)電機必須在機房最高功率密度機架允許的時間內(nèi)啟動并完成轉(zhuǎn)換。也就是說,發(fā)電機已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心必備的并可及時投入運行的核心設備。

②備用電池的功能變化

電池不能保證系統(tǒng)不停電供電功能。雖然規(guī)劃設計時,電池容量和后備時間可選擇得足夠大,但是系統(tǒng)運行后,電池容量是一個固定量,電池備用時間是固定不變的,而市電故障停電的時間是不確定的,當市電故障時間大于電池備用時間時,系統(tǒng)最終還是要中斷的。

于是,蓄電池的功能定義就發(fā)生了變化:

蓄電池由不停電供電的主要備用能源變?yōu)橛糜谑须姽收虾髠溆冒l(fā)電機啟動和切換時間內(nèi)維持向負載供電的過渡備用能源。

蓄電池的備用時間要求同樣也發(fā)生了變化:

•由越大越好變?yōu)榭梢粤炕?

•最短時間要大于發(fā)電機啟動和與市電完成轉(zhuǎn)換的時間;

•最大可用時間為制冷設備停機后,機房中最高功率密度機架中的IT設備能繼續(xù)運行的時間。

(2) 改革思路的切入點

既然發(fā)電機已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心必備的并可及時投入運行的核心設備,過渡備用能源的儲能就可以很少,這就自然想到:如果不采用蓄電池作為不停電供電的過渡備用能源,或者,雖然還采用蓄電池作為不停電供電的過渡備用能源,但不把蓄電池放在交流系統(tǒng)中,這兩種情況都可去掉系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié),即AC/DC(充電)和DC/AC(電池輸出)環(huán)節(jié),這相當于從根本上去掉了傳統(tǒng)的UPS雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

(3)機架自主儲能UPS

改變過渡備用能源(蓄電池)的配置位置,將其配置在IT設備中的開關電源的直流輸出端,于是就形成了機架自主儲能改革方案,如圖5所示。

圖5中展示的是傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換UPS供電系統(tǒng)、直流輸出UPS供電系統(tǒng)和機架自主儲能UPS供電系統(tǒng)的示意圖。

機架自主儲能UPS系統(tǒng)組成要點:

①IT設備去掉傳統(tǒng)12V輸出開關電源,保留低壓DC/DC變換;

②交流輸入集中配置,包括輸入變壓器、油機、ATS轉(zhuǎn)換開關、總配電;

③在機架中配置集中式12V或48V輸出開關電源,模塊化冗余配置。低功率密度機房宜用12V,高功率密度機房宜用48V;

④開關電源模塊容量取決于輸出電流的大小和轉(zhuǎn)接工藝條件;

12V最大輸出功率2.5kW左右,輸出電流在200A左右;

48V大輸出功率10kW左右,輸出電流在200A左右;

⑤在開關電源12V或48V輸出端集中配置過渡備用蓄電池,組成不間斷供電系統(tǒng);

⑥如果用鐵鋰蓄電池或鐵鋰超級電容,由于電池充放電需要平衡管理,所以在一般密度的機房中,適宜采用12V。

機架自主儲能UPS系統(tǒng)完全取消了傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)換UPS系統(tǒng),使數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)很多性能指標都得到了根本的改善,表3是傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換UPS供電系統(tǒng)、直流輸出UPS供電系統(tǒng)和機架自主儲能UPS供電系統(tǒng)三者主要性能指標的比較。

(4) 動態(tài)儲能UPS

動態(tài)UPS是同時改變過渡儲能形式和配置位置的改革方案。

圖6是動態(tài)UPS一種結(jié)構(gòu)形式。圖中,動態(tài)UPS系統(tǒng)有三種能源:

①可連續(xù)供電的主交流能源——市電;

②可連續(xù)供電的備用交流能源——柴油發(fā)電機;

③主備交流能源轉(zhuǎn)換期間,保證IT設備連續(xù)不間斷供電的過渡備用能源。

而過渡能源也有三種儲能技術(shù)可以選擇:

①利用機械耦合的電磁感應儲能;

②利用電氣耦合的飛輪儲能;

③利用化學儲能的蓄電池。

(5) 集成式動態(tài)UPS

圖7是動態(tài)UPS的另一種結(jié)構(gòu)形式。其主要特點是將過渡電磁感應儲能、同步發(fā)電機、備用發(fā)電機三者集成起來。負載由一個旋轉(zhuǎn)的同步電動機/發(fā)電機供電并對其供電質(zhì)量進行補償調(diào)控,同時利用機械耦合的電磁感應儲能作為過渡備用能源。同步交流發(fā)電機與市電一起向負載供電,并與電抗器(另接)組成有源濾波器濾除諧波。感應耦合器是儲能裝置,有外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子,外轉(zhuǎn)子上有一個兩極三相線圈,在有市電情況下,可以加速自由轉(zhuǎn)動的內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。當市電中斷時,取出在內(nèi)轉(zhuǎn)子上儲存的動能,驅(qū)動發(fā)電機繼續(xù)給負載供電,并及時起動柴油機使之達到穩(wěn)定狀態(tài),向負載提供電能。自由輪離合器在感應耦合器/發(fā)電機與柴油機之間起機械通斷作用。在市電正常時,柴油機處于停止狀態(tài),離合器斷開,發(fā)電機處在待機狀態(tài);市電中斷時,柴油機起動,當達到額定轉(zhuǎn)速時,離合器自動接合,由發(fā)電機向負載供電。整個轉(zhuǎn)換時間約為5～10s。當市電恢復時,這種動態(tài)UPS會與市電同步,轉(zhuǎn)由市電向負載供電,離合器斷開,柴油機與感應耦合器不再有機械連接,逐漸停止運轉(zhuǎn),回到待機狀態(tài)。

UPS電源，即不間斷電源，是將蓄電池（多為鉛酸免維護蓄電池）與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成市電的系統(tǒng)設備。主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)或其它電力電子設備如電磁閥、壓力變送器等提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應。那么主要的UPS品牌有哪些呢？

UPS電源品牌：東方陽光

東方陽光(MYSUN)ups不間斷電源是由南京東方陽光百年光電有限公司研發(fā)、生產(chǎn)和推廣的產(chǎn)品。南京東方陽光百年光電有限公司是全球領先的整體電源解決方案供應商。南京東方陽光曾為青奧會奧體中心、五臺山體育館、江蘇廣電等重大項目提供電源產(chǎn)品，其優(yōu)質(zhì)的品質(zhì)和良好的服務受到了用戶的一致好評。

UPS電源品牌：山特

中國(深圳)山特電子公司出品的ups不間斷電源型號涵蓋了后備式ups、在線式ups、在線互動式ups和模塊化ups。深圳山特電子公司制造了世界上最高功率密度的ups電源產(chǎn)品，此外，它還是率先將IGBT功率單元及高頻PWM技術(shù)引入UPS行業(yè)的廠商。

UPS電源品牌：APC

自從1981年3月成立以來，美國電力轉(zhuǎn)換公司(APC)從關鍵電源保護領域產(chǎn)品的領先供應商發(fā)展成為關鍵電源及制冷領域產(chǎn)品和解決方案的全球領先供應商。如今，美國電力轉(zhuǎn)換公司品牌在全球已成為頂級電源、制冷和管理解決方案的代名詞。

UPS電源品牌：易事特

易事特是國家火炬計劃重點高新技術(shù)企業(yè)和全球電能質(zhì)量解決方案供應商，專業(yè)致力于ups電源、eps電源、智能機房集成系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等電源和新能源產(chǎn)品的研發(fā)、制造和銷售。

UPS電源品牌：科士達

深圳科士達科技股份有限公司成立于1993年，多年來一直致力于ups不間斷電源、機房一體化、免維護鉛酸蓄電池、逆變電源的研發(fā)、制造和銷售。科士達是國內(nèi)知名的ups電源品牌之一，從2000年到2008年，科士達連續(xù)九年戰(zhàn)場占有率排名國產(chǎn)品牌第一。

UPS電源品牌：臺達

臺達集團創(chuàng)立于1971年，是全球第一的電腦電源廠商，銷量連續(xù)十年第一，是電源行業(yè)領導者，為電源管理與散熱管理解決方案的領導廠商，并在多項產(chǎn)品領域居世界級重要地位。臺達將“產(chǎn)品零缺點”與“客戶完全滿意”作為品質(zhì)追求

本公司經(jīng)銷直流屏用蓄電池，ups蓄電池供應商，專業(yè)提供德國陽光蓄電池Sonnenschiesh(德國陽光膠體系列）、日本松下蓄電池（Panasonic）、西恩迪-大力神蓄電池、艾博特蓄電池、冠軍蓄電池、梅蘭日蘭蓄電池、索潤森蓄電池、友聯(lián)蓄電池、理士蓄電池、科士達蓄電池、太陽神蓄電池、湯淺蓄電池、圣陽蓄電池、美國GNB蓄電池（美國原裝進口）、BB蓄電池、CSB蓄電池、美國山特蓄電池、美國博爾特蓄電池、OTO蓄電池等高質(zhì)量的ups電池及ups電源、山特ups電源、山頓ups電源、艾默生ups電源、梅蘭日蘭ups電源、科士達ups電源、apc ups電源，臺達ups電源，雷諾士ups電源，美國山特ups電源等。我公司長期以來一貫堅持"一流產(chǎn)品，一流工程、一流服務，一流信譽、一流企業(yè)"的發(fā)展理念，憑所代理產(chǎn)品的卓越品質(zhì)、所設計施工項目的優(yōu)秀質(zhì)量和對用戶真誠周到的服務，深受廣大用戶贊譽。公司將一如既往地把國際名牌產(chǎn)品介紹推薦給廣大用戶，把更完美的工程奉獻給廣大用戶，為廣大用戶提供更全面，更專業(yè)，更優(yōu)質(zhì)的服務。與社會各界攜手共創(chuàng)美好未來。訂購產(chǎn)品需要溝通 交流 服務電話 15069089221 高先生 QQ 903417427 微信 15069089221 ups電源蓄電池銷售中心