UPS電源發(fā)展趨勢與前景分析
科技部近期設立了2億元的電力電子項目專項資金，國家發(fā)改委專門在近期發(fā)文啟動專項課題，用于推進電力電子技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括應用裝置的產(chǎn)業(yè)化，重點圍繞節(jié)能、交通、電力、冶金等領域需求，支持應用具有自主知識產(chǎn)權芯片和技術的電力電子裝置，節(jié)能型不間斷電源和新型的電力優(yōu)化裝置顯然就是典型的支持對象。所有能源的應用70%以上需要經(jīng)過電力電子變換裝置，然后再給負載。電力電子電源是節(jié)能減排的有力手段，同時也是保證信息安全、工業(yè)自動化的基石，例如，變頻器的應用將使得電機性負載大幅度節(jié)能，不間斷電源UPS的應用將有效保證信息設備的可靠運行、工業(yè)化制造水平的提升，開關整流器是所有網(wǎng)絡、通信系統(tǒng)能源心臟。信息和工業(yè)自動化水平的發(fā)展，與電力電子電源技術的發(fā)展緊密相關。
UPS電源系統(tǒng)及產(chǎn)品分類
UPS電源系統(tǒng)設備技術是指依托先進功率轉(zhuǎn)換技術、數(shù)字控制技術、高頻開關變換技術、脈寬調(diào)制技術、電磁兼容技術、冗余并機技術、智能充放電技術、網(wǎng)絡技術、驅(qū)動技術和新工藝技術等的一門綜合技術。
UPS電源已從上世紀60年代的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機發(fā)展至今天的具有智能化程度的靜止式全電子化電路，并且還在繼續(xù)發(fā)展。目前，UPS電源一般均指靜止式UPS電源，按其工作方式分類可分為后備式、在線互動式及在線式三大類，按照UPS電源功率的大小和應用領域有以下的分類方式：
1、按照UPS功率大小分類，UPS電源系統(tǒng)按其應用的功率可分為：大、中、小三個分區(qū)類別。小功率UPS電源系統(tǒng)定義為：功率小于3kVA的UPS電源產(chǎn)品；中等功率UPS電源系統(tǒng)定義為：大于等于3kVA同時小于10kVA的UPS電源產(chǎn)品；大功率UPS電源系統(tǒng)定義為：大于或等于10kVA的UPS電源產(chǎn)品。
2、按照UPS應用領域分類，UPS電源系統(tǒng)按其應用領域可分為：信息設備用UPS電源系統(tǒng)設備和工業(yè)動力用UPS電源系統(tǒng)設備二個大類別。第一類信息設備用UPS電源系統(tǒng)設備主要應用于：信息產(chǎn)業(yè)、IT行業(yè)、交通、金融行業(yè)、航空航天工業(yè)等計算機信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中心等的安全保護問題。第二類工業(yè)動力用UPS電源系統(tǒng)設備主要應用于：工業(yè)動力設備行業(yè)電力、鋼鐵、有色金屬、煤炭、石油化工、建筑、醫(yī)藥、汽車、食品、軍事等領域，作為所有電力自動化工業(yè)系統(tǒng)設備、遠方執(zhí)行系統(tǒng)設備、高壓斷路器的分合閘、繼電保護、自動裝置、信號裝置等的交、直流不間斷電源設備，保證工業(yè)自動化動力供給的可靠性！
UPS電源發(fā)展趨勢
市場需求促進了UPS性能的不斷提高，科技的進步則推動了UPS技術了不斷的向前發(fā)展，使UPS向高頻化、冗余并聯(lián)化、 數(shù)字化、可靠化、智能化、綠色化、經(jīng)濟化發(fā)展。
市場需求方面：
(1)大容量級別的UPS將達到9000臺/每年的需要，并以10％以上速度不斷增長，小機市場“火爆”，市場潛力巨大。
(2)產(chǎn)品性能/價格比是贏得市場占有率的永恒主題！
(3)企業(yè)要走出跨國經(jīng)營，不僅要創(chuàng)出國際品牌，還要使品牌在跨國經(jīng)營中“本土化”。要想在市場上長久發(fā)展，除提高性價比外，本土品牌的UPS電源廠家必須加大技術和研發(fā)投入，提升綜合實力，還要提高服務質(zhì)量，以適應市場產(chǎn)品深層次競爭的兼并整合狀態(tài)。
技術方面：
(1)高頻化：第一代UPS的功率開關為可控硅，第二代為大功率晶體管或場效應管，第三代為IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。
大功率晶體管或場效應管開關速度比可控硅要高一個數(shù)量級，而IGBT功率器件電流容量和速率又比大功率晶體管或場效應管大得多和快的多，使功率變換電路的工作頻率高達50kHz！
應用新工藝器件，并采用柔性切換技術，來解決由于切換損耗導致的高頻限制，實現(xiàn)UPS電源高頻化。變換電路頻率的提高，使得用于濾波的電感、電容以及噪音、體積等大為減少，使UPS效率、動態(tài)響應特性和控制精度等大為提高。
(2)冗余并聯(lián)化：在一臺電子設備中，我們可以把控制電路集中起來作為一個獨立的可插拔的模塊，也可以把功率變換部分集中在一個結構中做為一個可熱插拔的模塊，同樣，在一個配置有多種(臺)設備的供電系統(tǒng)中，我們也可以把每種(臺)設備看做一個模塊，在冗余熱備份配置的情況下，同樣可以做到故障后進行熱插拔修復。當代的技術先進的UPS都具備直接并機功能，如果把這樣的UPS兩臺冗余并聯(lián)起來，并使兩臺輸出的總?cè)萘看笥诘扔谪撦d容量的二倍，當其中一臺發(fā)生故障時，另一臺可承擔全部負載容量而保持系統(tǒng)繼續(xù)正常運行，已故障的一臺可脫機修復。這無異于把系統(tǒng)的等效平均修復時間降到接近于零，只有兩臺UPS同時發(fā)生故障時，系統(tǒng)才停止運行，而這種幾率是很小的。
(3)數(shù)字化：數(shù)字控制已成為新型UPS控制技術發(fā)展的主流，數(shù)字控制器具有精度高，抗干擾能力強，易于實現(xiàn)對UPS的 檢測、故障診斷和隔離，易于實現(xiàn)遙控遙測，實現(xiàn)多臺UPS的并聯(lián)和熱插拔，易于實現(xiàn)對蓄電池的監(jiān)控和管理。采用數(shù)字控制技術、數(shù)據(jù)采集技術、信號處理技術、電源管理技術、網(wǎng)絡通信技術、計算機硬件及軟件技術來實現(xiàn)的電源實現(xiàn)了人機完美結合。
(4)可靠化：對于使用者來說，要求UPS具有足夠的輸出能力及可靠性，否則就會影響負載的運行，甚至構成新的故障源。采用先進的工藝封裝技術、高度的集成化技術、運用高品質(zhì)的元器件和原材料，不斷提高UPS電源的可靠性和可用性，力爭可用性A為0．9999999，也就是說，一年之中允許停機時間≤3s。這些數(shù)據(jù)才是用戶真正需要的結果。
(5)智能化：微處理器在UPS上的應用，過去只在大、中型UPS上采用，但近年來已逐漸向小型、微型UPS方面發(fā)展，其帶來的結果是UPS的智能化發(fā)展，包括控制、檢測和通信。UPS逐漸由計算機來進行管理，并且計算機及外設能“自主”應付一些可能預見到的問題，能進行自動管理和調(diào)整，如自動關閉宿主計算機的操作系統(tǒng)并關閉其電源，定時開關UPS本身等，并能將有關信號通過網(wǎng)絡傳遞給操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡管理員，便于進行遠程管理。真正的做到計算機集中監(jiān)控代替人力職守，又計算機的智能化實現(xiàn)人們的“傻瓜操作”！
(6)綠色化：各種用電設備及電源裝置產(chǎn)生的諧波電流嚴重污染電網(wǎng)，隨著各種政策法規(guī)的出臺，對無污染的綠色電源裝置的呼聲越來越高。UPS除加裝高效輸入濾波器外，還應在電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技術，這樣既可消除本身由于整流濾波電路產(chǎn)生的諧波電流，又可補償輸人功率因數(shù)。整流器使用IGBT技術，可將輸入功率因數(shù)提高到接近于一，對電網(wǎng)的污染已降到了近似阻性負載的水平。另外，高頻脈寬調(diào)制技術、多脈沖整流技術、電磁屏蔽和濾波技術、廣義的軟開關技術、串并聯(lián)補償技術等技術也是實現(xiàn)UPS綠色化的有效途徑。
(7)經(jīng)濟化：低成本高性能的高頻機也將在一段時間之后成為市場的主流機型。
UPS電源在工業(yè)動力設備市場的前景分析
工業(yè)動力UPS電源系統(tǒng)設備主要應用于：工業(yè)動力設備行業(yè)電力、鋼鐵、有色金屬、煤炭、石油化工、建筑、醫(yī)藥、汽車、食品、軍事等領域，作為所有電力自動化工業(yè)系統(tǒng)設備、遠方執(zhí)行系統(tǒng)設備、高壓斷路器的分合閘、繼電保護、自動裝置、信號裝置等的交、直流不間斷電源設備，保證工業(yè)自動化動力供給的可靠性。工業(yè)動力用不間斷電源是不間斷電源產(chǎn)品中的高端產(chǎn)品，涉及大功率(可能達到兆瓦級)能量變換的電力電子技術、數(shù)字化控制技術、交流電源并聯(lián)冗余技術、有源諧波抑制技術、大功率產(chǎn)品制造技術等。顯然，一般的電源企業(yè)無法進入該領域，只有已經(jīng)擁有大功率電力電子技術和系列產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、服務能力，并積累相應工業(yè)應用經(jīng)驗的企業(yè)，才能做好工業(yè)動力不間斷電源系統(tǒng)的設計、生產(chǎn)、市場服務。傳統(tǒng)UPS廠家在這些地方采用的UPS電源往往是具備適應工業(yè)自然環(huán)境的UPS電源產(chǎn)品，而不是適應工業(yè)電氣環(huán)境、感性動力負載特性的真正工業(yè)動力設備用不間斷電源。
在電信、金融等行業(yè)的采購規(guī)模與以前相比出現(xiàn)了穩(wěn)步增長期間，有專業(yè)機構作出的調(diào)查表明，由于這兩個行業(yè)的硬件投資比重會逐漸減少，加上這兩個行業(yè)的UPS電源保有率較高，因此其UPS電源需求不太可能出現(xiàn)大的增長，預計未來的市場份額將逐漸下降。相反，一些以往占市場比重不大的行業(yè)如制造業(yè)、交通業(yè)、能源業(yè)等對UPS電源的需求呈現(xiàn)出快速增長的勢頭，特別是制造業(yè)中，中小企業(yè)的大規(guī)模崛起，更成為帶動UPS電源市場增長的新動力源泉。
工業(yè)動力UPS電源系統(tǒng)設備市場銷售額隨著工業(yè)自動化成套設備和設備更新改造的飛速發(fā)展，隨著重工業(yè)化時期的來臨，中國工業(yè)化、城市化進程加快，全球產(chǎn)業(yè)鏈加速向中國轉(zhuǎn)移。依據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析其數(shù)據(jù)特征，工業(yè)動力UPS電源系統(tǒng)設備市場潛力巨大。
勢必成為UPS市場的主流產(chǎn)品
1、引 言
模塊化UPS因其具有可用度高，便于安裝維護以及方便擴容而成為UPS未來的發(fā)展趨勢。通信用開關直流電源的發(fā)展為UPS樹立了榜樣，DSP器件和控制技術的發(fā)展為模塊化UPS提供了物質(zhì)和技術基礎。但是模塊化UPS成本高以及實際運行可靠性不如理論計算值高的問題，需要進行深入研究，以求提高可靠性，降低成本，促進模塊化UPS的發(fā)展。
2、模塊化UPS的優(yōu)勢
UPS模塊化被認為是UPS的發(fā)展趨勢之一，模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS相比具有如下優(yōu)勢：
2.1 通信用48V直流電源高頻模塊化為UPS模塊化樹立了榜樣
90年代初期的可控硅SCR整流的相控電源還非常紅火，如當時專為程控交換機配套的單機架整流器DZY02 48V/ 400A，該設備單機重量約1000kg，可以通過幾個機架并聯(lián)獲得更大的系統(tǒng)容量。經(jīng)過十幾年技術和市場的發(fā)展，現(xiàn)在100A的高頻開關整流器模塊可以做到1.5U或者1/2*2U，重量不到10kg，一個19寸標準機架可以配置高達4000A系統(tǒng)。直流電源系統(tǒng)模塊化應用成功為UPS模塊化樹立了榜樣。模塊化UPS系統(tǒng)是類似于目前通信用高頻開關直流電源系統(tǒng)結構、由能完成UPS基本功能的可拔插功能模塊組成的交流不停電供電系統(tǒng)。
2.2 DSP控制技術的發(fā)展和功能齊全的DSP芯片大規(guī)模商用為模塊化UPS發(fā)展打下技術和物質(zhì)基礎
DSP控制方式是采用軟件控制技術替代原來通過模擬器件實現(xiàn)的控制（如PID比例積分微分等原來通過電阻電容運算放大器等模擬器件來實現(xiàn)）。采用DSP控制，只要軟件測試通過不存在BUG和防干擾做得比較好。如有用戶擔心出廠時各個并聯(lián)UPS模塊的均流特性很好，環(huán)流很小，但是在使用幾年后均流特性變差，環(huán)流增大，這個在以前的模擬控制技術中比較普遍，而DSP控制技術應用將這種漂移降到低。功能強大的DSP控制芯片出現(xiàn)以及DSP控制技術的發(fā)展為UPS模塊化并聯(lián)的發(fā)展提供了前提和基礎。
2.3 模塊化UPS具有更高的可用性
（1） 可靠性的指標和定義
對于UPS等大多數(shù)可修復的設備，只用可靠性指標描述其性能便不全面了，因為它并不能描述出設備在其整個使用壽命內(nèi)的可用率。從用戶角度講，不但要考慮故障發(fā)生的概率，而且還要考慮故障的持續(xù)時間。
設備的維修時間MTTR是指設備從發(fā)生故障到恢復功能的時間，它由故障發(fā)生到故障檢測時間、故障檢測到故障發(fā)現(xiàn)時間、后勤保障時間、故障維修時間、恢復時間多個時間段組成。
故障率λ（即失效系數(shù)）：元器件或者功能模塊或者系統(tǒng)出故障的概率。
平均無故障時間MTBF：mean time between failure，MTBF定義為利用數(shù)學統(tǒng)計方法計算出的設備在發(fā)生的兩次故障之間的運行時間。
故障率λ是MTBF的倒數(shù)，…………………………公式1
平均維修時間MTTR（Mean time to repair）來表示。它是設備發(fā)生故障瞬間開始到通過維修而重新投入使用所需的平均時間。
修復率μ是MTTR的倒數(shù)，…………………………公式2
可用度Availability是一個可用性指標，可用度A與其它幾個指標的關系：
…………………………公式3
對于一般傳統(tǒng)的雙變換UPS系統(tǒng)，UPS有四種工作方式：正常在線雙變換、電池逆變、自動旁路、手動旁路。四種工作方式的目的是為了提高UPS向負載供電的可用性。
多臺UPS并聯(lián)的目的有二：提高系統(tǒng)的容量或增加系統(tǒng)的可用性。
從用戶負載考慮，只要求保障UPS系統(tǒng)送到負載端的電壓不間斷地滿足要求即可。如市電停電或者UPS整流器部分故障，只要在電池放完電之前市電能恢復或者整流器部分的故障能修復即可。也就是說盡管系統(tǒng)出現(xiàn)故障但沒有影響供電。
（2） 單機或者模塊的可用性計算
假設UPS單機或者模塊的MTBF=5萬小時，另分別假設MTTR為0.5小時、5小時、50小時、120小時，計算出系統(tǒng)的可用性為：99.9990%、99.990%、99.90%、99.76%。
對于上述MTTR時間假設，基于如下考慮：
A．假設用戶自己在設備現(xiàn)場，用戶備有可以供更換的備用模塊，模塊更換時間為30分鐘，用戶一發(fā)現(xiàn)問題就立即自己更換，則MTTR=30分鐘。這是一種理想短的時間。
B．用戶維護人員不在設備現(xiàn)場，模塊一旦故障即可實時通知（如手機短信）用戶維護人員，設備現(xiàn)場有可供更換用的備用模塊，維護人員在5小時之內(nèi)趕到現(xiàn)場并完成更換工作。此時MTTR=5小時。
C．用戶自己沒有備用模塊，或者用戶即使有備用模塊但用戶自己不能更換而需要廠家技術人員趕來更換，假設廠家承諾解決問題的時間為48小時 ，因為更換模塊只30分鐘，MTTR=48小時+30分鐘≈50小時（便于計算方便）。
D．對于傳統(tǒng)的立柜式UPS，需要廠家資深的工程師，帶齊備品備件，假設響應時間48小時，現(xiàn)場維修時間3天，則MTTR=48h+3*24h=120h。
對于模塊化UPS，采用第B種情況和C種情況比較合理，即MTTR=5h或者50h。
（3）“N+X”并聯(lián)系統(tǒng)可用性模型和計算
定義“N+X”系統(tǒng)的任務剖面為系統(tǒng)提供正常的交流輸出。
工作狀態(tài)任務可靠性模型框圖如圖1所示。
規(guī)格型號：
|
型號
|
額定電壓（V）
|
額定容量（Ah）
|
尺寸（mm）
|
重量（kg）
|
端子
|
|
C10
|
C1
|
長
|
寬
|
高
|
總高
|
|
GFM-100
|
2
|
100
|
56
|
81
|
173
|
260
|
283
|
7.7
|
M8
|
|
GFM-120
|
2
|
120
|
68
|
81
|
173
|
260
|
283
|
8.6
|
M8
|
|
GFM-150
|
2
|
150
|
84
|
94
|
173
|
261
|
283
|
10.0
|
M8
|
|
GFM-200
|
2
|
200
|
112
|
92
|
178
|
362
|
370
|
13.8
|
M8
|
|
GFM-300
|
2
|
300
|
168
|
134
|
178
|
362
|
370
|
19.6
|
M8
|
|
GFM-400
|
2
|
400
|
224
|
164
|
179
|
362
|
370
|
25.6
|
M8
|
|
GFM-500
|
2
|
500
|
280
|
205
|
179
|
362
|
371
|
31.8
|
M8
|
|
GFM-600
|
2
|
600
|
336
|
234
|
180
|
363
|
371
|
36.8
|
M8
|
|
GFM-800
|
2
|
800
|
448
|
318
|
179
|
369
|
382
|
50.0
|
M8
|
|
GFM-1000
|
2
|
1000
|
560
|
417
|
179
|
369
|
379
|
66.2
|
M8
|
|
GFM-1300
|
2
|
1300
|
728
|
513
|
182
|
369
|
379
|
81.5
|
M8
|
|
GFM-1600
|
2
|
1600
|
896
|
334
|
358
|
371
|
381
|
103
|
M8
|
|
GFM-2000
|
2
|
2000
|
1120
|
425
|
358
|
371
|
381
|
130
|
M8
|
|
GFM-2600
|
2
|
2600
|
1456
|
518
|
357
|
371
|
381
|
164
|
M8
|
|
GFM-3000
|
2
|
3000
|
1680
|
620
|
362
|
371
|
381
|
192
|
M8
|
|
GFM-3900
|
2
|
3900
|
2184
|
740
|
358
|
371
|
381
|
240
|
M8
|
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