【中國(guó)傳動(dòng)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(yùn)行在數(shù)據(jù)中心與關(guān)鍵電源兩種場(chǎng)景，在IDC、Colo、金融、電信、醫(yī)療、半導(dǎo)體、石油石化、機(jī)場(chǎng)、軌道交通、電力等各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)近三十年的市場(chǎng)推廣與實(shí)際使用，用戶對(duì)工頻機(jī)、高頻機(jī)、固定功率一體機(jī)、模塊化UPS等概念已經(jīng)有了深刻的理解。

近十年來(lái)，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(dòng)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(duì)其中重要的五大新技術(shù)做簡(jiǎn)單介紹。

1.電氣變換技術(shù)的三種運(yùn)行模式

逆變器優(yōu)先

旁路優(yōu)先

超級(jí)旁路優(yōu)先

三相UPS走到今天，我們需要問(wèn)自己一個(gè)問(wèn)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(fù)載供電嗎？1%的精度對(duì)負(fù)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(yùn)行模式供用戶選擇使用。

逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式（雙變換）。如下圖示，從電氣變換技術(shù)角度來(lái)看，工頻機(jī)高頻機(jī)都是采用的雙變換在線式技術(shù)，即能量經(jīng)過(guò)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(yùn)行模式也可以稱為：逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式（雙變換）。

逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式的優(yōu)勢(shì)是輸出電壓精度高達(dá)1%。劣勢(shì)是由于能量的兩次100%轉(zhuǎn)換，在正常15-60%負(fù)荷下，UPS整機(jī)效率較低僅88-95%。同時(shí)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(yán)重，壽命降低，導(dǎo)致UPS可用性降低。而可用性才是用戶對(duì)UPS的最重要需求。

回過(guò)頭來(lái)看，逆變器優(yōu)先模式（雙變換）本身就是一種低可用性的運(yùn)行模式。這是這么多年以后大家才痛苦認(rèn)識(shí)到的一個(gè)事實(shí)。

有沒(méi)有新的思路？500VA的小功率的后備式UPS和5KVA的在線互動(dòng)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(huì)發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)：

IT負(fù)荷其實(shí)對(duì)交流電的要求不高，允許電壓-20%，+10%，頻率40-70HZ，允許中斷時(shí)間10-20ms。逆變器優(yōu)先模式最為驕傲的1%輸出精度其實(shí)沒(méi)有一點(diǎn)價(jià)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(dá)到99.94%。

這兩個(gè)因素促使我們認(rèn)識(shí)到三相中大功率UPS其實(shí)也可以和小功率UPS一樣選擇旁路優(yōu)先運(yùn)行模式。事實(shí)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(jì)模式）。

旁路優(yōu)先運(yùn)行模式（ECO模式）。如下圖示，在正常情況下，UPS優(yōu)先運(yùn)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(shí)，會(huì)切換到逆變器輸出模式。該模式的優(yōu)勢(shì)是效率高達(dá)99%。劣勢(shì)是由于市電直供，會(huì)產(chǎn)生雙向干擾，輸入功率因素輸入諧波電流指標(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(shí)，會(huì)出現(xiàn)4-20ms的切換時(shí)間，某些情況下會(huì)造成負(fù)載運(yùn)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(yùn)行效率，同時(shí)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)。

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

這種模式的最大優(yōu)勢(shì)是整流器和逆變器的功率器件流過(guò)的電流較小，元器件疲勞老化輕微，壽命延長(zhǎng)，UPS可用性提高。由于逆變器一直在并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)旁路市電超出窗口范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)0ms切換回逆變器工作，不存在切換失敗切換時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)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(yùn)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(xí)慣于傳統(tǒng)的雙變換逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式，那就需要對(duì)逆變器進(jìn)行改進(jìn)以提高可用性。

工頻機(jī)和早期的高頻機(jī)均采用兩電平逆變器技術(shù)。工頻機(jī)采用變壓器交流升壓技術(shù)。工頻機(jī)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(jī)采用DC/DC直流升壓技術(shù)。高頻機(jī)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(jī)在整流器后增加了一個(gè)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(dá)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(guò)研究場(chǎng)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(shí)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(yàn)實(shí)踐也證明工頻機(jī)逆變器比兩電平高頻機(jī)的逆變器可用性高。

因此為改善高頻機(jī)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(jī)。

四電平逆變器功率器件的承壓為266V，更是遠(yuǎn)低于工頻機(jī)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(yùn)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(huì)更高呢，答案不是這樣的，因?yàn)殡娖綌?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(shí)踐證明運(yùn)行在全球范圍內(nèi)的數(shù)萬(wàn)臺(tái)四電平逆變器可用性優(yōu)于傳統(tǒng)的工頻機(jī)

3.新型物理架構(gòu)的大功率并機(jī)系統(tǒng)

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(huì)搭建功率為1500KW及以上的UPS系統(tǒng)，這就需要采用多臺(tái)UPS并聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)。

并機(jī)系統(tǒng)的電氣架構(gòu)大家都知道有兩種，多臺(tái)UPS直接并機(jī)，和公用靜態(tài)旁路的多臺(tái)UPS并機(jī)。所有廠家都公認(rèn)：公用大功率靜態(tài)旁路的多臺(tái)UPS并機(jī)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(jī)系統(tǒng)目前也發(fā)展出有兩種模式。如圖示1500KVA并機(jī)物理結(jié)構(gòu)1，為傳統(tǒng)的3臺(tái)500KUPS單機(jī)通過(guò)外部配電柜和電纜進(jìn)行直接并聯(lián)，總共需要7個(gè)外部配電柜和多組電纜。每臺(tái)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境要求高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員技術(shù)要求高，施工工期長(zhǎng)。

為解決上述問(wèn)題，新的集成化預(yù)制化的物理結(jié)構(gòu)的并機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

并機(jī)物理結(jié)構(gòu)2，為6臺(tái)250KW的功率柜+1500KW靜態(tài)旁路+輸入輸出I/O柜通過(guò)外部主配電柜和主電纜進(jìn)行并聯(lián)，總共需要4個(gè)配電柜和少量電纜。每臺(tái)250KWUPS功率柜內(nèi)部集成了自動(dòng)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I/O柜連接，每臺(tái)UPS功率柜不再需要外配四把分?jǐn)嗦菲骱退慕M分電纜。

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

新型的并機(jī)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(tái)UPS直接并機(jī)的電氣架構(gòu)。

新型的并機(jī)物理結(jié)構(gòu)其實(shí)也是模塊化的并機(jī)架構(gòu)，可以根據(jù)用戶需求增減功率柜，目前市場(chǎng)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(dá)1600KW的MW系列UPS上使用了該并機(jī)物理架構(gòu)，并于2016年改良后運(yùn)用到了單系統(tǒng)最大可達(dá)1500KWN+1的VX系列UPS產(chǎn)品上。

4.鋰電池進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，讓原來(lái)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(guò)程中，用戶花在電池系統(tǒng)上面的錢甚至超過(guò)UPS主機(jī)。事實(shí)上UPS每秒鐘都在使用都在出力都在發(fā)揮價(jià)值，而在中國(guó)電網(wǎng)環(huán)境下電池一年只有1.22次放電機(jī)會(huì)，而且放電時(shí)間可能只有幾分鐘（在配套發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的情況下）。

可見傳統(tǒng)模式下，我們對(duì)電池系統(tǒng)的利用太低了。

由于電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能行業(yè)的驅(qū)動(dòng)，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(jià)格將會(huì)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(shì)。

很多UPS產(chǎn)品都號(hào)稱可以兼容鋰電池，但實(shí)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(méi)有任何意義，花了鋰電池的價(jià)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(diǎn)，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

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

快放的特點(diǎn)使得鋰電池特別適合大功率UPS系統(tǒng)短延時(shí)放電的場(chǎng)景。電池的容量是基于放電時(shí)間的。傳統(tǒng)鉛酸電池100AH一般是基于20小時(shí)放電。在大功率UPS一般要求的15分鐘延時(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(dá)到同樣的延時(shí)時(shí)間。這種情況下，鋰電池系統(tǒng)的價(jià)格甚至?xí)袃?yōu)勢(shì)，如果與膠體電池比，鋰電池價(jià)格更加明顯。

快充的特點(diǎn)使得鋰電池可以每天進(jìn)行多次充放電循環(huán)以配合峰谷計(jì)價(jià)。為更好的與鋰電池進(jìn)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(dá)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(dá)到利用峰谷電價(jià)差節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)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(diǎn)。

循環(huán)壽命6000-10000次。前面我們說(shuō)過(guò)，正常情況下，即使每年人為增加2次電池充放電維護(hù)保養(yǎng)，每年電池的總放電次數(shù)也不過(guò)4次，12年下來(lái)不超過(guò)50次，鉛酸蓄電池循環(huán)壽命500次完全滿足要求。那這個(gè)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(jià)計(jì)費(fèi)模式“掙錢”。這需要UPS主機(jī)有峰谷運(yùn)行的功能，即在電價(jià)為0.4元的谷底時(shí)給鋰電池充電，在電價(jià)為1.5元的峰值時(shí)讓鋰電池放電，一來(lái)一回每度電電價(jià)差1.1元。

100AH12V電池能放出來(lái)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(jì)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(guò)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(jìn)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(fù)載更多的機(jī)柜，賺更多的錢。但在傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)中IT負(fù)載的功率不能超過(guò)變壓器的功率，否則就過(guò)載了。

由于IT負(fù)載是一條變化的曲線，波峰時(shí)段可以比波谷負(fù)荷高10-20%，為了讓2000KVA的變壓器帶更大的IT平均負(fù)荷，又不會(huì)在IT波峰時(shí)過(guò)載，施耐德電氣開發(fā)出了UPS削峰功能。

假定我們?cè)?000KVA變壓器和配電系統(tǒng)后帶一套2500KW的UPS系統(tǒng)，設(shè)計(jì)帶平均值為2000KW的IT負(fù)荷。當(dāng)IT負(fù)荷處于波峰時(shí)段達(dá)到2400KW時(shí)，UPS會(huì)同時(shí)利用從電網(wǎng)吸入的2000KW功率+電池組提供的400KW功率，通過(guò)逆變器給2400KW的IT負(fù)荷供電。利用鋰電池儲(chǔ)存的能量短時(shí)間內(nèi)應(yīng)對(duì)IT峰值，同時(shí)又不讓變壓器和配電系統(tǒng)過(guò)載。

施耐德電氣VX系列UPS允許最大35%功率來(lái)自于鋰電池，最小65%功率來(lái)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(duì)大功率UPS系統(tǒng)的快速恢復(fù)能力非?？粗兀?yàn)檫@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(zhǎng)的時(shí)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(huì)做什么維修動(dòng)作的，只能立即撥打廠家400電話，廠家技術(shù)人員通過(guò)詢問(wèn)用戶觀察到的指示燈或顯示器上的報(bào)警信息來(lái)判斷故障位置，可能需要1-2小時(shí)。然后400開始指派備件運(yùn)輸，指派工程師到用戶現(xiàn)場(chǎng)。如果判斷錯(cuò)誤，可能需要二次備件運(yùn)輸，甚至更高級(jí)別工程師出動(dòng)。整個(gè)維修恢復(fù)過(guò)程需要8-48小時(shí)。

而新型的云服務(wù)，用戶的UPS或整個(gè)系統(tǒng)都可以直接連接到施耐德電氣的云監(jiān)控平臺(tái)，施耐德電氣有經(jīng)驗(yàn)的熟悉產(chǎn)品的資深工程師24小時(shí)值班監(jiān)控，可以預(yù)警潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)，提前處理。真的出現(xiàn)故障時(shí)可以第一時(shí)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(dòng)備件與工程師，整個(gè)維修恢復(fù)過(guò)程縮短到4-24小時(shí)。

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(shí)間，提高了系統(tǒng)可用性。

為同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶在本地的私有系統(tǒng)的監(jiān)控和公有的云平臺(tái)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(shí)兼容IPV6。

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