近十年來,在大型及超大型數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)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。

　　如圖1所示,工頻機高頻機從電氣變換技術(shù)角度來看,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(fù)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)先模式的優(yōu)勢是輸出電壓精度高達(dá)1%。劣勢是由于能量的兩次100%轉(zhuǎn)換,在正常15%～60%負(fù)荷下,UPS整機效率較低僅88%～95%。同時電流每秒鐘都流經(jīng)整流器逆變器的功率器件,元器件疲勞老化嚴(yán)重,壽命降低,導(dǎo)致UPS可用性降低。而可用性才是用戶對UPS的最重要需求。

　　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。這是這么多年以來才痛苦認(rèn)識到的一個事實。

　　有沒有新的思路?小功率的后備式UPS和在線互動式UPS正常情況下是旁路市電輸出供電,不是也保護(hù)了IT負(fù)荷嗎?

　　仔細(xì)研究我們會發(fā)現(xiàn)兩點:

　　如圖2所示,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(fù)載供電。當(dāng)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(dá)99%。劣勢是由于市電直供,會產(chǎn)生雙向*,輸入功率因數(shù)輸入諧波電流指標(biāo)較差。更重要的是,當(dāng)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(fù)載運行中斷,極大地降低了UPS的可用性。

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

　　施耐德公司在2012年獲得了超級旁路優(yōu)先模式(E變換)的專利。如圖3所示,正常情況下,逆變器與旁路市電并聯(lián)工作,相當(dāng)于有源濾波器,逆變器提供諧波電流和無功功率,旁路市電回路提供基波電流和有功功率。輸出電壓由旁路決定。這種模式的優(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(dāng)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(dá)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。

　　工頻機和早期的高頻機均采用兩電平逆變器技術(shù)。如圖4所示。

　　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升壓工頻變壓器,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),使得兩電平逆變器前端的直流母線電壓達(dá)到800V,這樣逆變器功率器件的承壓為800V,需要選用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)人員意到降低功率器件的承壓從而選擇低耐壓值的功率器件理論上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。為改善高頻機的可用性,業(yè)內(nèi)研發(fā)了三電平四電平逆變器。

　　如圖5所示為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(見圖6),遠(yuǎn)低于工頻機的432V。

　　施耐德公司于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(dá)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。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大大優(yōu)于傳統(tǒng)的工頻機。

　　大型及超大型數(shù)據(jù)中心及半導(dǎo)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。

　　而并機物理架構(gòu)目前也發(fā)展出有兩種。

　　如圖7(a)所示并機物理結(jié)構(gòu)1,為傳統(tǒng)的多臺單機通過外部配電柜和電纜進(jìn)行并聯(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(fù)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,必須采用新的集成化預(yù)制化的物理結(jié)構(gòu)的并機系統(tǒng)。

　　如圖7(b)所示位并機物理結(jié)構(gòu)2,為多臺功率柜和輸入輸出I/O柜通過外部主配電柜和主電纜進(jìn)行并聯(lián),總共需要4個配電柜和少量電纜。每臺UPS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(yù)制了主輸入、旁路輸入、主輸出和電池母線的銅排背板與公共的I/O柜連接,每臺UPS不再需要外配四把分?jǐn)嗦菲骱退慕M分電纜。

　　新型的并機物理結(jié)構(gòu)簡化了整個UPS系統(tǒng),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)。減少了外部配套的配電柜和電纜。

　　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,目前市場上的功率柜一般為200～300kW。靈活性與適應(yīng)性更高。

　　施耐德公司最早于2003年在單系統(tǒng)最大可達(dá)1600kW的MW系列UPS使用了類似的并機物理架構(gòu),并于2016年改良后運用到了單系統(tǒng)最大可達(dá)1500kW的N+1的VX系列UPS產(chǎn)品上。

　　計算可知,由于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)�？梢妭鹘y(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1.1～1.4元/Wh,而鉛酸電池的成本為0.7元/Wh。在可見的1～2年內(nèi),鋰電池的價格將會與鉛酸電池齊平。

　　很多UPS系列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(dāng)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(dāng)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:可快充,可快放,循環(huán)壽命高達(dá)6000～10000次。

　　行業(yè)用戶對大功率UPS系統(tǒng)的快速恢復(fù)能力非�？粗�,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(hù)的模式注定需要較長的時間才能修復(fù)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(fù)過程需要8～48h。

　　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的云監(jiān)控平臺,施耐德有經(jīng)驗的熟悉產(chǎn)品的資深工程師24h值班監(jiān)控,可以預(yù)警潛在的故障風(fēng)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(zhǔn)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(fù)過程縮短到4-24h。

　　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。