【中國傳動網(wǎng) 技術(shù)前沿】 三相中大功率UPS電源滲透入生活的每一重要單元，目前主要運行在數(shù)據(jù)中心與關(guān)鍵電源兩種場景，在IDC、Colo、金融、電信、醫(yī)療、半導體、石油石化、機場、軌道交通、電力等各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過近三十年的市場推廣與實際使用，用戶對工頻機、高頻機、固定功率一體機、模塊化UPS等概念已經(jīng)有了深刻的理解。

近十年來，在大型及超大型數(shù)據(jù)中心、半導體等行業(yè)需求的推動下，三相大功率UPS電源出現(xiàn)了很多新的理念與創(chuàng)新。本文對其中重要的五大新技術(shù)做簡單介紹。

1.電氣變換技術(shù)的三種運行模式

逆變器優(yōu)先

旁路優(yōu)先

超級旁路優(yōu)先

三相UPS走到今天，我們需要問自己一個問題：一定要采用雙變換電氣變換技術(shù)由逆變器提供1%精度交流電給負載供電嗎？1%的精度對負載很重要嗎？答案是否定的，業(yè)內(nèi)目前已經(jīng)發(fā)展出三種運行模式供用戶選擇使用。

逆變器優(yōu)先運行模式（雙變換）。如下圖示，從電氣變換技術(shù)角度來看，工頻機高頻機都是采用的雙變換在線式技術(shù)，即能量經(jīng)過整流器逆變器兩次能量變換后，由逆變器提供電壓精度為1%、諧波含量小于5%的正弦波交流電給負載供電。這種運行模式也可以稱為：逆變器優(yōu)先運行模式（雙變換）。

逆變器優(yōu)先運行模式的優(yōu)勢是輸出電壓精度高達1%。劣勢是由于能量的兩次100%轉(zhuǎn)換，在正常15-60%負荷下，UPS整機效率較低僅88-95%。同時電流每秒鐘都流經(jīng)整流器、逆變器、電容等功率器件，元器件疲勞老化嚴重，壽命降低，導致UPS可用性降低。而可用性才是用戶對UPS的最重要需求。

回過頭來看，逆變器優(yōu)先模式（雙變換）本身就是一種低可用性的運行模式。這是這么多年以后大家才痛苦認識到的一個事實。

有沒有新的思路？500VA的小功率的后備式UPS和5KVA的在線互動式UPS正常情況下是旁路市電輸出供電，不是也保護了IT負荷嗎？

仔細研究我們會發(fā)現(xiàn)兩點：

IT負荷其實對交流電的要求不高，允許電壓-20%，+10%，頻率40-70HZ，允許中斷時間10-20ms。逆變器優(yōu)先模式最為驕傲的1%輸出精度其實沒有一點價值。

今天市電電網(wǎng)的可用性得到了很大提高，城市10KV電網(wǎng)可用性達到99.94%。

這兩個因素促使我們認識到三相中大功率UPS其實也可以和小功率UPS一樣選擇旁路優(yōu)先運行模式。事實上早在2010年，各廠家三相UPS就允許用戶選擇工作在旁路優(yōu)先模式，即ECO模式（經(jīng)濟模式）。

旁路優(yōu)先運行模式（ECO模式）。如下圖示，在正常情況下，UPS優(yōu)先運行在靜態(tài)旁路，由市電直接給負載供電。當旁路電壓超出設(shè)定窗口范圍時，會切換到逆變器輸出模式。該模式的優(yōu)勢是效率高達99%。劣勢是由于市電直供，會產(chǎn)生雙向干擾，輸入功率因素輸入諧波電流指標較差。更重要的是，當旁路故障需要切換回逆變器模式時，會出現(xiàn)4-20ms的切換時間，某些情況下會造成負載運行中斷，極大的降低了UPS的可用性。

在這種情況下，能否找到一種新方法，既有高可用性，還能提高運行效率，同時性能指標參數(shù)也能滿足負載要求，就成為各廠家研發(fā)的重要目標。

超級旁路優(yōu)先運行模式（E變換模式）。施耐德電氣公司在2012年獲得了超級旁路優(yōu)先模式（E變換）的專利。

這種模式的最大優(yōu)勢是整流器和逆變器的功率器件流過的電流較小，元器件疲勞老化輕微，壽命延長，UPS可用性提高。由于逆變器一直在并聯(lián)運行，當旁路市電超出窗口范圍時，系統(tǒng)會0ms切換回逆變器工作，不存在切換失敗切換時間長的問題。該種模式效率高達98.8%，僅次于ECO模式。另外，由于可控制旁路回路只提供基波電流和有功功率，因此輸入功率因數(shù)0.99，輸入諧波電流<5%。

目前主流一線品牌廠家在三相大功率UPS系列上均與E變換技術(shù)類似的運行模式，供用戶選擇使用。

2.多電平逆變器技術(shù)

有的行業(yè)用戶不愿意用市電供電模式，還是習慣于傳統(tǒng)的雙變換逆變器優(yōu)先運行模式，那就需要對逆變器進行改進以提高可用性。

工頻機和早期的高頻機均采用兩電平逆變器技術(shù)。工頻機采用變壓器交流升壓技術(shù)。工頻機一般配置32只12V電池，浮充狀態(tài)下直流母線電壓432V，較低，只能逆變出160V交流電，只好在逆變器后端采用工頻升壓變壓器，輸出220/380V交流電。逆變器功率器件的承壓為432V，較低，選用600-800V耐壓值的IGBT即可滿足要求。

高頻機采用DC/DC直流升壓技術(shù)。高頻機一般配置40-64只電池，為取消變壓器，保證逆變器可以直接逆變出220V/380V交流電，高頻機在整流器后增加了一個IGBT的DC/DC升壓環(huán)節(jié)，使得逆變器前端的直流母線電壓達到800V，這樣逆變器功率器件的承壓為800V，需要選用1200-1500V耐壓值的IGBT才能滿足要求。

通過研究場效應(yīng)管和IGBT等功率器件的失效率曲線，發(fā)現(xiàn)1500V耐壓值的功率器件其失效率數(shù)倍于800V耐壓值的功率器件。這樣，研發(fā)人員意識到降低功率器件的承壓、選擇低耐壓值的功率器件可以提高逆變器的可用性。用戶體驗實踐也證明工頻機逆變器比兩電平高頻機的逆變器可用性高。

因此為改善高頻機在可用性方面的不足，業(yè)內(nèi)研發(fā)了三電平四電平逆變器。

三電平逆變器功率器件的承壓為400V，低于工頻機。

四電平逆變器功率器件的承壓為266V，更是遠低于工頻機的432V。

施耐德電氣公司于2010年獲得了四電平逆變器技術(shù)的專利。該技術(shù)的運用，不但提高了逆變器的可用性，還提高了UPS效率，達到96.5%。

那么是否五電平六電平逆變器的可用性會更高呢，答案不是這樣的，因為電平數(shù)越多，逆變器需要的功率器件的數(shù)量就越多，使得逆變器出故障的可能性增多。因此，需要在功率器件的耐壓值和數(shù)量上找到合理的平衡。施耐德電氣的實踐證明運行在全球范圍內(nèi)的數(shù)萬臺四電平逆變器可用性優(yōu)于傳統(tǒng)的工頻機

3.新型物理架構(gòu)的大功率并機系統(tǒng)

大型及超大型數(shù)據(jù)中心及半導體行業(yè)的用戶，經(jīng)常會搭建功率為1500KW及以上的UPS系統(tǒng)，這就需要采用多臺UPS并聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)。

并機系統(tǒng)的電氣架構(gòu)大家都知道有兩種，多臺UPS直接并機，和公用靜態(tài)旁路的多臺UPS并機。所有廠家都公認：公用大功率靜態(tài)旁路的多臺UPS并機系統(tǒng)可用性更高，但成本較貴。

而從物理架構(gòu)的角度出發(fā)，并機系統(tǒng)目前也發(fā)展出有兩種模式。如圖示1500KVA并機物理結(jié)構(gòu)1，為傳統(tǒng)的3臺500KUPS單機通過外部配電柜和電纜進行直接并聯(lián)，總共需要7個外部配電柜和多組電纜。每臺UPS都有外配的主輸入、旁路輸入、UPS輸出、電池回路等四把交直流斷路器和四組交直流電纜，使得UPS系統(tǒng)操作復雜，造成可用性降低，配套的配電柜和電纜成本高，對現(xiàn)場施工環(huán)境要求高，對現(xiàn)場施工人員技術(shù)要求高，施工工期長。

為解決上述問題，新的集成化預制化的物理結(jié)構(gòu)的并機系統(tǒng)應(yīng)運而生。

并機物理結(jié)構(gòu)2，為6臺250KW的功率柜+1500KW靜態(tài)旁路+輸入輸出I/O柜通過外部主配電柜和主電纜進行并聯(lián)，總共需要4個配電柜和少量電纜。每臺250KWUPS功率柜內(nèi)部集成了自動控制的接觸器和熔斷器，內(nèi)部還集成和預制了主輸入、旁路輸入、主輸出和電池母線的銅排背板與I/O柜連接，每臺UPS功率柜不再需要外配四把分斷路器和四組分電纜。

新型的并機物理結(jié)構(gòu)簡化了整個UPS系統(tǒng)，減少了外部配套的配電柜、開關(guān)和電纜。簡化了開關(guān)機操作，銅排連接使得輸出阻抗一致性高，這些特點都有利于提高UPS系統(tǒng)的可用性。

新型的并機系統(tǒng)在電氣架構(gòu)上還包括了公用的1500KW靜態(tài)旁路，這種電氣架構(gòu)早就被證明可用性高于普通的多臺UPS直接并機的電氣架構(gòu)。

新型的并機物理結(jié)構(gòu)其實也是模塊化的并機架構(gòu)，可以根據(jù)用戶需求增減功率柜，目前市場上的UPS功率柜一般為200-300KW。靈活性與適應(yīng)性更高。

施耐德電氣公司最早于2003年在單系統(tǒng)最大可達1600KW的MW系列UPS上使用了該并機物理架構(gòu)，并于2016年改良后運用到了單系統(tǒng)最大可達1500KWN+1的VX系列UPS產(chǎn)品上。

4.鋰電池進入數(shù)據(jù)中心，讓原來沉睡的電池為我們賺錢

普通鉛酸蓄電池大約每3-4年更換一次，在三相大功率UPS系統(tǒng)10-12年全生命周期過程中，用戶花在電池系統(tǒng)上面的錢甚至超過UPS主機。事實上UPS每秒鐘都在使用都在出力都在發(fā)揮價值，而在中國電網(wǎng)環(huán)境下電池一年只有1.22次放電機會，而且放電時間可能只有幾分鐘（在配套發(fā)電機系統(tǒng)的情況下）。

可見傳統(tǒng)模式下，我們對電池系統(tǒng)的利用太低了。

由于電動汽車和儲能行業(yè)的驅(qū)動，2018年鋰電池的成本已經(jīng)降低到1.2-1.4元/wh，而普通鉛酸電池的成本為0.7元/wh。在可見的2-3年內(nèi)，鋰電池的價格將會與鉛酸電池齊平。因此鋰電池在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用成為重要的趨勢。

很多UPS產(chǎn)品都號稱可以兼容鋰電池，但實際上有較大差異。一種兼容是把鋰電池當普通鉛酸電池用。這種兼容沒有任何意義，花了鋰電池的價格只享受到鉛酸電池的好處，得不償失。

而另外一種兼容是把鋰電池當鋰電池用，真正利用鋰電池的特點，發(fā)揮其優(yōu)勢。

鋰電池相比于鉛酸蓄電池在電氣性能方面的優(yōu)點是：快充，快放，循環(huán)壽命高達6000-10000次。

快放的特點使得鋰電池特別適合大功率UPS系統(tǒng)短延時放電的場景。電池的容量是基于放電時間的。傳統(tǒng)鉛酸電池100AH一般是基于20小時放電。在大功率UPS一般要求的15分鐘延時時間下，100AH鉛酸電池只能放出約30AH的容量，而100AH鋰電池可以放出90AH容量。很明顯，大功率UPS常用的5-30分鐘延時時間范圍，是鋰電池的天下，只需要配置鉛酸電池25-40%的容量即可達到同樣的延時時間。這種情況下，鋰電池系統(tǒng)的價格甚至會有優(yōu)勢，如果與膠體電池比，鋰電池價格更加明顯。

快充的特點使得鋰電池可以每天進行多次充放電循環(huán)以配合峰谷計價。為更好的與鋰電池進行兼容配套，新型的UPS充電功率從傳統(tǒng)的10-20%大幅度提升到35%、40%，甚至最高可達80%。這增加了UPS充電器和整流器的成本，但快充可以使得鋰電池在一天內(nèi)可多次充放電，以達到利用峰谷電價差節(jié)省運行電費成本的目的。普通UPS充電功率不足，較難利用鋰電池可以快充的特點。

循環(huán)壽命6000-10000次。前面我們說過，正常情況下，即使每年人為增加2次電池充放電維護保養(yǎng)，每年電池的總放電次數(shù)也不過4次，12年下來不超過50次，鉛酸蓄電池循環(huán)壽命500次完全滿足要求。那這個鋰電池6000次循環(huán)壽命還有必要嗎？還有用嗎？

大型數(shù)據(jù)中心可以很好的利用鋰電池的6000-10000次循環(huán)壽命配合峰谷電價計費模式“掙錢”。這需要UPS主機有峰谷運行的功能，即在電價為0.4元的谷底時給鋰電池充電，在電價為1.5元的峰值時讓鋰電池放電，一來一回每度電電價差1.1元。

100AH12V電池能放出來的電量大約為1度電，如果每天兩次充放電循環(huán)，刨去效率，刨去必須保有基本30%容量不能全部放光，估計100AH12V電池可以賺1.5元錢。鋰電池日歷壽命為15年，在UPS系統(tǒng)12年的生命周期過程中，需要365*2*12=8760次充放電循環(huán)，可以賺1.5*365*12=6570元。很明顯，鉛酸電池只有500次循環(huán)壽命，不能進行這種操作。

專為Colo行業(yè)研發(fā)的扛峰削峰功能。Colo行業(yè)的用戶，非常希望把變壓器用足甚至用超，同樣2000KVA的變壓器就可以帶更多的IT負載更多的機柜，賺更多的錢。但在傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)中IT負載的功率不能超過變壓器的功率，否則就過載了。

由于IT負載是一條變化的曲線，波峰時段可以比波谷負荷高10-20%，為了讓2000KVA的變壓器帶更大的IT平均負荷，又不會在IT波峰時過載，施耐德電氣開發(fā)出了UPS削峰功能。

假定我們在2000KVA變壓器和配電系統(tǒng)后帶一套2500KW的UPS系統(tǒng)，設(shè)計帶平均值為2000KW的IT負荷。當IT負荷處于波峰時段達到2400KW時，UPS會同時利用從電網(wǎng)吸入的2000KW功率+電池組提供的400KW功率，通過逆變器給2400KW的IT負荷供電。利用鋰電池儲存的能量短時間內(nèi)應(yīng)對IT峰值，同時又不讓變壓器和配電系統(tǒng)過載。

施耐德電氣VX系列UPS允許最大35%功率來自于鋰電池，最小65%功率來自于電網(wǎng)。

5.云服務(wù)提高了系統(tǒng)可用性

行業(yè)用戶對大功率UPS系統(tǒng)的快速恢復能力非常看重，因為這極大的決定了系統(tǒng)的可用性。傳統(tǒng)的本地使用、本地監(jiān)控管理、本地維護的模式注定需要較長的時間才能修復系統(tǒng)。

一般的維修流程是，用戶發(fā)現(xiàn)UPS系統(tǒng)故障，用戶自己是不會做什么維修動作的，只能立即撥打廠家400電話，廠家技術(shù)人員通過詢問用戶觀察到的指示燈或顯示器上的報警信息來判斷故障位置，可能需要1-2小時。然后400開始指派備件運輸，指派工程師到用戶現(xiàn)場。如果判斷錯誤，可能需要二次備件運輸，甚至更高級別工程師出動。整個維修恢復過程需要8-48小時。

而新型的云服務(wù)，用戶的UPS或整個系統(tǒng)都可以直接連接到施耐德電氣的云監(jiān)控平臺，施耐德電氣有經(jīng)驗的熟悉產(chǎn)品的資深工程師24小時值班監(jiān)控，可以預警潛在的故障風險，提前處理。真的出現(xiàn)故障時可以第一時間發(fā)現(xiàn)故障，并快速準確判斷出故障所在，立即內(nèi)部調(diào)動備件與工程師，整個維修恢復過程縮短到4-24小時。

云服務(wù)徹底改變了售后維修模式，減少了故障次數(shù)，縮短了維修時間，提高了系統(tǒng)可用性。

為同時實現(xiàn)用戶在本地的私有系統(tǒng)的監(jiān)控和公有的云平臺的監(jiān)控，這就要求UPS具有多網(wǎng)卡功能。施耐德電氣三相中大功率UPS都具有多網(wǎng)卡功能，同時兼容IPV6。

三相中大功率UPS領(lǐng)域近十年來，出現(xiàn)了多個技術(shù)革命與創(chuàng)新，并已經(jīng)在實際運用中被證明是切實可行的，提高了整個UPS系統(tǒng)的可用性、靈活性、適應(yīng)性、可維護性，降低了系統(tǒng)的TCO。