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目前UPS产品在行业应用已有五十余年的历史，其为保障关键设备和业务的不间断运行做出了的贡献。随着信息化建 设的不断推进，需要UPS保护的场景越来越多，其作用愈发重要。当前市场上存在工频机、高频塔式机、高频模块化UPS三类产品，其利弊优劣众说纷纭，令用 户感到十分困惑。本文旨在通过阐述UPS的发展历史及对比各类UPS的优劣势，帮助用户识别UPS产品发展的趋势所在。 
一、从工频机UPS到高频塔式机UPS的发展

工频机结构UPS技术出现在上世纪70年代，因其整流工作频率与电网频率*而得名。受制于当时半导体技 术发展，逆变器中IGBT器件耐压只能做到600V，故母线电压受限，逆变器输出电压不能做到380V；而且工频机逆变器是全桥电路，输出为三相火线，无 法满足单相IT负载和三相四线制负载的需求，必须进行Δ-Y转换。为解决这些问题，厂家在工频机逆变器输出端加入了变压器用于升压和产生中线，以使输出电 压满足负载的要求，这便是工频机内置变压器的真实目的。图-1所示为工频机的典型拓扑。


图-1 工频机典型拓扑 
而到上世纪90年代，第三代沟槽型IGBT面世，其耐压能力提升至1200V，促使了UPS技术的革新。通过整流侧高频升压电路将母线电压提升至 700V左右，逆变器输出电压可以做到380V，输出变压器得以取消。而这种整流逆变电路都工作在高频（几kHz以上）且没有输出变压器的UPS就被称为 高频UPS。图-2所示为一典型的高频机拓扑。



图-2 高频机典型拓扑 
二、高频UPS与工频UPS的对比

1.工频机输入功率因数低、谐波高

工频机UPS采用可控硅半控整流，6脉冲整流UPS输入功率因数低于0.7，谐波高达30%；12脉冲整流UPS输入功率因数zui高仅为0.8，谐波 高达15%，即使加上谐波处理措施，功率因数zui高也只能改善至0.95。相比之下，高频机采用IGBT-PFC全控整流，输入功率因数业界均可做到 0.99，谐波电流小于3%。严重的谐波污染不仅可能干扰其他设备无法工作、使控制与保护器件误动作外，而且直接导致投资大幅增加：客户需要购买额外的谐 波处理设备降低谐波；如果前端接柴油发电机备电，发电机的容量要配置为UPS容量的2-3倍，同时前级配电器件、线缆等均需要提升20%左右，而高频机只 需前端发电机容量配置为UPS容量的1.2-1.5倍即可，配电容量和UPS容量保持*或略高。

2.工频机功耗大

有三个因素导致工频UPS效率低于高频UPS。一是工频UPS整流为降压拓扑，器件工作电流大，无论是内部线路无论是线性损耗还是平方损耗都比高频 机高；二是因输出需要升压的原因工频机比高频机多内置一个输出变压器，致使工频机效率下降2%-3%左右；三是在实际应用中，为了提高输入功率因数至 0.95以上，并降低其注入电网的谐波污染，工频机还要外置一个5次或11次谐波滤波器，效率将再次下降2%-3%。据英国某运营商与 西班牙某运营商现网运行统计数据，工频UPS的效率一般在85%左右，相比高频92%左右的运行效率和模块化96%左右的运行效率，导致大量的能量损失。 以400kW负载为例，工频机将比高频机年多耗电41万度，比模块化年多耗电近58万度。除此之外，工频UPS还有高谐波、低功率因数等导致配电线缆损耗 增大等问题。

3.工频机体积大、重量重

因为工频机采用低频器件且配置输出变压器，致使UPS体积重量大大增加。以某品牌400kVA工频机和高频机对比，工频机重量是高频机的2.2倍， 体积是高频机的1.5倍，在实际运输中可能存在机房门或者走道偏小、电梯载重不够、楼层承重不足等问题，有些情况下甚至需要用吊车装卸，然后破墙而入来安 装工频UPS，大大增加了运输时间及成本。

4.工频机相比高频机在可靠性方面并无优势

工频机和高频机的主要差异体现在整流器和变压器上。工频机整流器采用SCR器件，电压应力小，电流应力大，高频机主要采用IGBT器件，电流应力 小，电压应力大。SCR与IGBT目前均为成熟器件，只要应用得当，可靠性并不会有差异。事实上，工频机的逆变部分也是使用IGBT，并没有因此而降低工 频机的可靠性，也没有证据证明逆变器是工频机的薄弱环节。从拓扑上讲，工频机用的是相控整流+全桥逆变，高频机一般采用高频整流+半桥逆变。这些拓扑均为 电力电子技术上非常常用的拓扑，并不存在谁原理上更可靠的问题，其可靠度取决于设计的水平。

而对于变压器，业界经常可以听到其很多所谓的优点，比如抗冲击能力强、降低零地电压等，然而真的是这样吗？

*，过载能力强，抗负载冲击能力强。过载能力是IEC62040-3中要求标称的关键指标之一，其强弱可通过实际数据来衡量。表-1所示为同一厂商的工频机与高频机过载能力，由表-1可知，两类机型过载能力并没有区别。


表-1 某厂商工频机与高频机过载能力对比 
输出变压器并不会增强工频机的抗冲击能力，对于变压器可以增强抗冲击能力的想象来源于变压器的电感特性，电感平滑电流的能力在负载电流激增时可以平 滑电流波形延缓电流冲击。但实际上电感平滑电流的能力与其本身感量成正比。工频机输出变压器变比小，变压器输出绕组的励磁电感也不会太大，在大电流冲击下 极易饱和，很难对逆变器的冲击有明显的缓冲作用。而按照传统变压器传递能量的特点与磁性器件原理分析，当后级负载也就是变压器输出侧出现能量冲击时，在变 压器能量传递能力达到饱和上限之前，后端的尖峰励磁电流会直接反射到前端对UPS的IGBT产生冲击，并且由于变压器的变比问题前端所受到的冲击电流会比 输出端更大，同时造成的损害也更为严重。而且，工频系统由于变压器的磁滞特性，难以实时监测后级动态响应。当变压器后端出现突变并反馈到前级时，系统采取相关动作较无变压器的高频机来说会延迟几十甚至几百个ms，此时流过IGBT的冲击电流已经足够损坏UPS甚至引发火灾。

第二，在逆变器IGBT管直通故障时隔断直流危险电压。工频机变压器确实可以避免直流传递至副边，但高频机通过快速检测与保护措施一样可以避免直流 危险电压对负载造成危害。当高频机逆变某IGBT出现直通故障时，UPS控制器可立即检测输出电流异常，并通过整流单元关机及输出端口熔丝保护等措施快速 隔断直流危险电压到输出端口的路径。在保护过程中，输出到负载端口的电压约为持续几个ms的400V直流。对于使用开关电源供 电的IT负载来说，其输入允许电压可以达到276Vac，整流之后电压也在400Vdc左右，器件选型等均依据母线电压选型。此时输入端口的400Vdc 不会超出器件耐受范围，不可能对设备造成伤害。而对于工频机而言，其原边加载直流电压，将导致电流急剧增大，温度快速上升，可能引发火灾等更严重故障。

第三，可以降低零地电压。许多服务器等 设备都有零地电压的要求，尽管这样设计的原因已无法考证，因为从理论上来说零地电压的大小并不会影响IT设备的正常工作。在数据中心中，IT设备只允许使 用TN-S或TN-C-S供电制式，那么IT设备输入端口的零地电压主要由零线接地点(TN-S系统)或零线与地线分离点(TN-C-S系统)至IT输入 端口的零线阻抗与零线电流及系统中三次谐波电流决定。在相同的系统中，无论是工频机还是高频机均不会影响零线阻抗，而零线电流及三次谐波电流主要是与三相 负载配置与负载特性有关，即UPS的类型不会对于零地电压不会有明显的影响。真正决定零地电压的是配电系统的设计。如果需要改善零地电压，是从配电系 统入手，着手减少线路阻抗与零线电流。减少线路阻抗zui有效的方式即在负载的列头柜内置隔离变压器。需要注意的是在应用时有将工频机变压器副边直接接地的做 法，这是一种不规范的做法。工频机变压器N线并未隔离，对于TN-S系统和N与PE已经分开的TN-C-S系统，N线重新接地也将导致PE线有电流流过， 可能干扰设备正常工作。国标还是IEC标准均不允许此种不规范做法。

而第四，工频UPS的变压器可以起到隔离作用，可以保障人身安全。为了保障主旁平稳切换，工频UPS输出N线由旁路引入，也即工频机的变压器并不能 起到电气隔离作用，也不能重新接地。在需要隔离场合的场景，即使使用工频UPS，其旁路也必须加一变压器用于隔离N线，以实现真正的隔离。

实际上，变压器的设计反而增大了环流的风险。图-3所示为两类机型的环流路径。工频机UPS的并联就是变压器的直接并联，整条回路上没有器件限制，电压的偏差很容易产生环流。而高频机的环流路径上具备多个二极管，小于2V的电压差根本形不成环流。


图-3 工频机与高频机并机环流路径 
5.工频机增加用户投资

由于工频机整流工作在市电频率，需要更大的电感储能。其更大体积的电感与无法省掉的变压器均由铜和磁性材料组成，成本难以下降，价格一般比高频机要高30%以上。

综上，从性能、可靠性、价格上讲，高频机比工频机均具备优势。从各主要厂家的系列来看，业界主要厂商均已不推出新工频机型，部分厂商已全面转向高频机的研发与销售。工频机被高频机取代已是大势所趋。

三、从高频塔式机UPS到模块化UPS的发展

模块化UPS早在上世纪九十年代即已出现，但因为技术能力沉寂了很长时间。而自2000年起，由于DSP、数字控制等技术的发展，多功率模块并联均流控制问题得以逐步解决，模块化UPS技术开始蓬勃发展。2009-2010年中国电信对模块化UPS展开深入测试，根据各地实际使用单位的反馈，中国电信认为业界主流模块化UPS已满足通信行业的使用要求，并于2011年底开始对模块化UPS进行集中采购。中国移动模块化UPS也以单独标段进行集采。

四、模块化UPS与高频塔式UPS的对比

1.模块化UPS系统可用性高

供配电系统作为现在信息系统极为重要的一环，对其一个基本的要求就是该系统必须能连续工作。而要达到连续工作这一目的，首先是系统应具备较高的可靠 性，其次该系统必须做到能够快速修复。如果不能快速修复，就可能面临二次故障导致整个系统瘫痪的风险，客户的负载就不能保障连续工作。

在快速修复方面，模块化UPS具备天生优势。首先，在修复时间上，由于快速插拔这一特性，模块化UPS现场即可完成更换，平均的修复时间在半小时之 内，相比于传统塔式机典型修复时间24小时，修复速度明显提升。其次，在修复质量上，模块化UPS的修复形式是将故障模块更换，而传统塔式机需要原厂派专 业工程师到现场进行故障定位，然后拆机修复故障电路、单板，修复周期长，而且存在沟通和定位过程，易造成重复工作，影响故障处理效率。

可能有的用户会质疑，认为模块化UPS的N+1体系结构不如1+1并机系统稳定。确实，从理论上来讲，N+1并机系统中1+1的可靠性肯定是zui高的。但是实际的场景中往往不是这么简单：

首先，此结论忽略了负载率这一情况，作为1+1并机系统，zui多只能允许一台UPS损坏；而对于模块化UPS体系，以4+1为例，100%负载的时候 可靠性要低于1+1，但是75%负载率的时候，模块化体系实际就变成了3+2，50%的时候就变成了2+3，可靠性要远大于1+1并机。在常见应用场景 中，UPS负载率是在20~40%左右的，在这种情况下模块化的优势具有非常明显的优势。

其次，不同于传统单机，模块化UPS可以轻易实现N+2、N+3这种冗余模式，仅需增加1-2个模块即可实现，而塔式机要做到此模式不仅仅是增加1台主机，机器运输、场地安装、走线设计以及相应的配电、电池都需变更，导致投资大幅增加。

综上，UPS模块化在实际场景中可靠性远高于传统塔式并机；再加上UPS快速维护、扩容的特性，模块化UPS的可用性更是大大高于传统塔式机。

2.模块化UPS的扩展性更好

塔式机扩容需要购买整台新机、将机器安装到位、将系统中其他UPS转旁路后把新机接入系统，整个步骤中不仅投资高、安装时间长，而且在并入新机时由于整个系统处于旁路状态，存在市电中断导致负载掉电的风险。

而模块化只要初期规划好配电系统，就可以通过增加模块来匹配负载的提升，且在扩容过程中保障对原有负载的不间断供电。

3.模块化UPS运输安装难度低

塔式机UPS需要作为一个整体来安装、运输，大型单机就会比较困难。如容量400kVA的UPS重量一般为1500kg左右，体积超过3m3，塔式 机UPS会受到运输通道不足、重量高难运输的困难，而模块化UPS一方面可以将模块、机架分开搬运，另一方面多数机型机架之间可以分开运输，塔式UPS可 能遇到的问题将迎刃而解。

4.模块化UPS实际运行效率高

目前高频塔式UPS与模块化UPS均可做到zui高96%的效率值，但这是在负载率在50%以上才能达到的。而前面提到，因为系统冗余及超前规划，常见 工况下UPS负载率在20~40%左右。高频塔式机在此工况下只能做到94~95%的效率，而主流模块化UPS普遍具备“模块休眠”特性在保证一定系统冗 余的基础上，可以休眠一定数量的模块（可以手动或者设置自动），让UPS系统工作在效率比较高的区域，即保持在效率zui高点96%附近。图-4即展示了休眠 提升负载率与运行效率的原理。


图-4 休眠可有效提升UPS负载率与运行效率 
而且有些厂家考虑到模块老化时间可能不同，更进一步开发了“轮换休眠功能”：即每隔一段设定好的周期，休眠模块进行轮换，以平均每个模块的老化时间，提升整体UPS系统寿命。图-5展示了轮换休眠的典型过程。


图-5 轮换休眠技术 
五、结束语

自其诞生之日起，模块化UPS就旨在满足用户对于供电系统的可用性、可靠性、可维护性及节能等方面的需求。经过长期的运行验证，模块化UPS在这些 方面相较传统UPS系统确实具备很大优势。随着能源成本持续增加及用户对供电系统的灵活性、可用性等要求的进一步提高，模块化UPS必将得到更广泛的应 用。