数据中心能源白皮书(一)：UPS架构的发展

前言

近年来，随着大数据、云计算等技术的快速发展，传统的数据中心也迎来了一个飞速变革的时期。作为数据中心供配电系统的重要组成部分，UPS也开始发生变化。可靠，高效，易用易维护成为越来越多UPS厂家关注的重点特性。

那么从UPS产生至今，共经过了哪些变化？是什么引起了这些变化？现在市场上主流的产品有哪些？本文将对这几个问题进行解答。

1、UPS分类方法 

UPS的分类方法有很多，从储能方式可以大致分为动态UPS和静态UPS，动态UPS和静态UPS又可以细分为后备式，在线互动式，在线双转换式等；从技术上有工频高频之分，高频机中又细分为塔式机和模块化。 

1.1 动态UPS分类 

动态UPS的不间断供电是通过旋转部件释放动能，静态UPS以蓄电池为储能工具，动态UPS的典型代表是飞轮UPS，静态UPS目前市场应用最多的是双在线转换式UPS。

动态飞轮UPS经过几十年的发展与改进，在大功率UPS市场有着独树一帜的应用。市场上应用的飞轮UPS主要有如下几种。 

a).在线双变换式飞轮UPS（典型代表：Vycon解决方案) 

这种结构与在线双变换式UPS非常相像，区别在于，使用飞轮代替了电池进行储能，需要搭配传统UPS进行使用，因此应用比较局限。 

Vycon于2002年成立，专门从事飞轮储能研发生产。产品主要应用在北美。该飞轮后备时间可以达到15~90s。

b).旋转在线式飞轮UPS（典型代表：Piller解决方案）

不同于以上的Vycon解决方案，该解决方案替代传统UPS。 

耦合扼流圈主要功能是实现电能转换，补偿和滤波。

核心部件是M/G电动-发电机（UNIBLOCK™) ，市电正常时作为电动机带动飞轮(给飞轮充电），市电异常时飞轮放电，作为发电机，完全是机械式取代电力电子变 换，没有电力电子变换的精确控制，电网适应性和逆变出的质量会变差。

Piller是UPS领域的百年老店，主打产品UNIBLOCK-T，总部在德国。目前产品主要应用在欧洲和北美。

c).在线互动式飞轮UPS（典型代表：Active Power解决方案）

该方案替代传统UPS+电池方案。 

在线互动式是目前国内应用最多的方案。工作原理同在线互动式UPS，类似一个有源滤波器，可实现简单的滤波和稳压功能，拓扑简单，效率较高。但是电网适应性和输出性能指标明显偏差。 

1.2 三种动态UPS抗电网干扰能力对比 

以上是三种比较典型的动态UPS，下面表格对这三种动态UPS抗电网干扰能力做一个简单的对比。 

表1：三种动态UPS抗电网干扰能力对比

通过以上表格可以看出，在线双变换式飞轮UPS是抗干扰能力强的，但是这种飞轮UPS必须搭配传统UPS进行使用，应用比较局限，目前国内应用最多的是在线互动式飞轮UPS。 

1.3 静态UPS分类 

以上介绍了动态UPS的一些常见架构，下面对应介绍一些静态UPS。不同于动态UPS，静态UPS以电池为储能工具。从工作原理分类来说，常见的静态UPS主要有后备式，在线互动式，Delta变换式以及在线变换式双四种。 

a).后备式UPS

后备式UPS只有在供电异常才启动逆变器，正常供电时无法对市电电网问题进行调节，供电质量相比而言较差，但其效率较高。 

该架构多用于容量小于3KVA的UPS，结构简单，一般备电时间在10分钟左右，通常是方波输出，主要应用场景是PC机等。 

b).在线互动式UPS

在线互动式UPS相比后备式而言，增加了稳压环节，供给负载改良过的市电。其成本低，电路比较简单，但是无法消除输入失真和干扰。并且切换时有转换时间。该架构应用于功率容量5KVA的以下的小容量UPS ，结构简单，通常是方波输出或模拟正弦波输出。多用于对PC或办公设备提供保护 。 

c).Delta变换式UPS

Delta变换UPS的核心为Delta变换器和主变换器。

Delta变换器的作用为： 

l 控制输入电流，是一个高阻正弦波电流源； 

l 控制电流充电； 

l 补偿输入电压,保证输出电压稳定不变； 

l 控制调整输入功率因数。

主变换器的作用为： 

l 控制并稳定输出电压,是一个低内阻正弦波电压源； 

l 给电池充电； 

l 市电掉电时,向负载供电； 

l 市电正常时,补偿负载电流中的无功和谐波成分。 

从Delta变换器和主变换器的作用可以看出，Delta变换式UPS对输入调节能力更强，当然，结构也比在线互动式复杂。该架构应用于功率容量20-200KVA的UPS，输出为正弦波。 

d).在线变双换式UPS

在线双变换式UPS可以为负载提供很完美的保护，可以滤除电网中基本所有的干扰和谐波，缺点是架构复杂，一般成本较高。该架构应用于功率容量为1-1200 KVA的UPS；几个 架构对比来说可靠性高，目前80% UPS均采用该架构，输出为标准正弦波，主要对IT负载或其它行业重要负载提供保护。 

UPS工作状态有多种，分别为主路模式，静态旁路模式，电池模式以及维修旁路模式。在线双变换式UPS从架构来说还分为工频机和高频机，后文将会讲到。 

1.4 静态UPS抗电网干扰能力对比 

下表为以上介绍的四种静态UPS架构对电网干扰能力的对比。 

○：可以抵抗       ╳：可以部分抵抗       △：无法抵抗

表2：静态UPS抗电网干扰能力对比

可以看出，在线双变换式是抗电网干扰能力强的。 

1.5 动态与静态UPS的对比

以上分别介绍了动态和静态UPS的一些基本拓扑结构，那么动态和静态UPS对比而言又各有什么优劣呢？ 

静态UPS与动态UPS大的区别在于其储能方式，一个是电池储能，一个是飞轮储能，下表对比这两种储能方式的优劣。 

表3：蓄电池储能与飞轮储能对比

可以看出蓄电池储能与飞轮储能各有优劣，但是飞轮储能的后备时间一般仅有15秒，这使得其使用场景受到很大的局限。 

以下再对比以下目前主流的静态UPS与动态UPS，分别为在线双变换式与在线互动式飞轮UPS，其中在线双变换式以华为UPS5000系列为例，在线互动式飞轮UPS以Active Power为例。

表4：在线双变换式与飞轮UPS参数对比

从以上对比来看，除效率外，其他参数UPS5000要优于Active Power飞轮UPS，并且在UPS通常工作的低载段（40%）效率并不输给飞轮UPS。 表4：在线双变换式与飞轮UPS参数对比

通过以上两个对比我们可以得出如下结论： 

-  与传统UPS相比，飞轮UPS在节能、环保等方面具备一定优势； 

-  飞轮UPS由于固有的缺陷，应用存在一定的局限性： 

                备电时间短，仅15S，油机启动失败会造成严重停电事故； 

                价格昂贵，且必须与油机配合使用，增加了初始投资； 

                系统复杂，需要原厂专业维护，维护成本高； 

                电网适应性差，输入输出性能指标都弱于在线双变换式UPS。 

基于上述分析，飞轮UPS仅适用于以下场景： 

                可接受新技术，绿色环保型供电系统； 

                电网质量很好，较少断电事故，系统可靠性要求不高的场合