数据中心能源白皮书(二)：如何选用模块化UPS_IDCUPS电力

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前言

近年来，随着大数据、云计算等技术的快速发展，传统的数据中心系统也在飞速变革。而作为数据中心供配电系统的关键组成部分，UPS行业也正在发生变化。模块化UPS技术日益成熟，越来越多的用户已经或正在考虑使用模块化UPS来建设新的数据中心，为迎合绿色、高效、易扩容、易维护等新的用户需求，各厂家也陆续推出大容量模块化UPS，传统塔式UPS的地位正在遭受挑战。

面对众多UPS厂家铺天盖地的宣传，以及各技术流派的不同观点。如何选用一款合适的模块化UPS，什么样的UPS才是真正的模块化UPS，正困扰着众多的UPS用户。本文将为读者解答这一难题。

1. 为什么要用模块化UPS？

事实上很多用户都会问这个问题。业界通常的认识是，在安装维护、后期扩容方面，模块化UPS具备塔式UPS无法替代的优势。而在绿色环保、高效节能等方面，则主要取决于UPS内部电路与所使用的技术，如IGBT整流还是SCR整流、输出是否有隔离变压器等，与外部结构的关系并不大。但要注意的是：与早期的工频机相比，目前大部分模块化UPS因为采用无变压器设计与IGBT整流等高频化技术，在降低谐波与提升效率方面有明显优势，这同时也是高频塔式UPS相对传统工频UPS的技术亮点。

1.1 模块化UPS的优势

一般来说，厂家宣传中的模块化UPS都具备以下几个优点：

易用性好，安装扩容方便

可用性强，维护简单

随需扩容，节省初期投资

模块休眠提升效率，节省运营成本

智能网管，强大的监控

作为高频机家族的一员，高频模块化UPS与高频塔式UPS的共同优点还包括：

绿色环保，降低谐波污染：得益于DSP控制的功率因数校正技术，高频UPS抛弃了工频机时代的SCR（可控硅）整流技术，输入谐波电流进一步降低，对电网的污染减小，而输入功率因数也接近于1（大部分可做到0.99，几乎相当于纯阻性负载）

高效节能，降低电费开支：变压器的取消、低导通损耗的功率器件、软开关技术、新拓扑的应用，进一步提升了高频UPS的效率。

体积小重量轻，运输安装方便：因为取消了输出隔离变压器，高频UPS的体积进一步缩小，重量也轻了很多。无论是运输还是安装，都比工频UPS更加方便。

高功率密度，节省占地面积：大功率器件的应用、DSP数字控制系统、更先进的拓扑结构、损耗的降低、热仿真等关键技术的广泛应用，使得在同等体积下，高频UPS可以获得更大的输出功率。而单机架容量的大幅提升、有限的机房面积，也使得越来越多的数据中心更青睐高频UPS。

无论从发展趋势，采购成本，还是实际的售后维护角度来看，除个别场景外，高频UPS各方面指标都优于传统的工频UPS。高频机取代工频机这一发展趋势也已经获得业界的广泛认可，目前各生产厂家均减少或停止了工频机的研究。最近几年的统计数据显示，海外绝大部分的新建数据中心都已经将高频UPS作为采购首选。

表1：工频UPS、高频塔式UPS、高频模块化UPS的区别

1.2用户常见问题

a).工频UPS器件少，是不是比模块化UPS更可靠？

工频UPS主要采用可控硅进行整流（6脉冲或12脉冲），在输入功率因数、谐波电流等电气指标上性能较差，但其电路结构比较简单，经过三十余年的发展，技术已经比较成熟。而且因为UPS一般使用年限较长，一些用户在更换时还会习惯性的选择很多年前曾经使用过的工频UPS。高频UPS推出市场也已经有十多年的时间，目前各厂家的技术已经相当成熟，在电路结构上，和工频UPS相比可靠性并无多少差别。

作为高频UPS家族的新成员，模块化UPS推出时间稍晚，但因为易维护等特点，发展较为迅速，各厂家也纷纷推出自己的模块化UPS。

图1：6脉冲与12脉冲的电路与电流波形

早期的模块化UPS因为技术上尚未成熟，尤其是一些厂家在控制逻辑、模式转换、故障退出等方面的设计缺陷，给部分用户留下模块化UPS可靠性不高的印象。而实际上，经过多年的发展，尤其是各种新器件、新技术的应用，各主流厂家的模块化UPS技术上已经成熟，质量上也较为可靠。越来越多的高频塔式UPS为方便后续维护，也在机械结构上采用“类模块化”的技术。

可以说，产品的形态并不是区别可靠性的标准。产品的可靠性由厂商追求可靠性的态度和专一程度决定，如系统方案是否有充足的冗余、应用电路是否成熟、器件是否保留充足裕量、生产工艺与制造体系是否完备、产品出厂测试是否全面等等。模块化UPS的可靠性并不比工频机差，同时因为其模块化的结构，维护方便，可用性更高等特点越来越受到市场的青睐。因此，决定产品是否可靠的因素，更多的还是要看生产厂家本身的实力。

b).模块化UPS均流能力怎么样？

模块化UPS的均流与其它形态的UPS的均流并没有本质区别，性能指标都要遵从国际标准和行业标准或规范。参考国内邮电部UPS的行业标准YDT-2165，输出功率大于4kVA时，系统满载输出不均流度小于等于5%，输出功率小于4kVA时，系统满载输出不均流度小于等于10%。

c).模块化UPS可靠性和塔式UPS并机系统一样？

很多用户都将模块化UPS看做传统塔式机的简单并机，但二者在工作原理上的区别，往往被人们忽视。比如，并机系统中一台UPS损坏后其他UPS仍可工作，很多人认为和模块化UPS是一样的。但实际上并机系统中一台UPS故障后（切换到旁路模式），为避免不同UPS输出差异造成短路（正常模式输出额定电压，旁路模式输出的是市电电压），系统会将全部并机UPS整体切换到旁路模式，此时市电直供存在掉电风险。而模块化UPS不存在此风险—一台功率模块故障后会自动退出系统，系统中的剩余功率模块仍然可以正常工作。所以模块化UPS的使用安全性更高。

图2：并机UPS系统其中一台故障后全部UPS转旁路模式

d).模块化UPS可靠吗？常见的故障有哪些？

UPS的故障大部分发生在功率转换部分（整流与逆变电路）。从模块化UPS的设计理念上来看，因为采用了功率模块冗余技术，功率转换部分的可靠性显著提升，其他部分如旁路、输入输出配电、监控等部分因电路结构简单，器件较少，本身可靠性较高。所以模块化UPS的整体可用性比塔式UPS更高。从部分用户的反馈来看，模块化UPS容易出现的故障情况一般是：功率模块故障后不能退出系统、主控模块故障后备用模块无法快速接替工作、模块间通讯故障造成的系统故障、各种通讯线干扰造成的误告警、功率模块之间无法均流等。

e).模块化UPS没有隔离变压器是否可靠？

传统的工频UPS因为电路拓扑与早期功率器件的局限性，需要在输出端内置变压器来进行升压，以便达到负载需要的工作电压。同时输出端的变压器也能一定程度上缓冲负载对UPS的影响。相当于隔离变压器对系统多形成了一层隔离。在现今的模块化UPS中功率模块一般在输入/输出都配有保险丝，输出也有继电器隔离，可以起到与工频机隔离变压器相同的作用。同时一旦功率模块故障，DSP能快速做出反应，将故障模块隔离出系统。所以，模块化UPS并不会因为缺少了隔离变压器就会降低系统的可靠性。相反，传统工频机的隔离变压器因为体积大、重量重等因素越来越难以适应高密高效、灵活安装等新型数据中心的需求。同时变压器本身的损耗在降低系统效率的同时还会产生大量热量，缩短UPS内部器件的寿命。

目前各大UPS主流厂家均将无输出隔离变压器的高频UPS产品作为主打产品进行推广。除一些特殊场景外，需要隔离变压器的场景已经越来越少了。

2. 模块化UPS与塔式UPS对比

模块化UPS相比传统塔式UPS有很多优点，但在不同的地区和行业，因为认知的不同也存在一些争议。本文不做过多比较，仅列举相关特性对比如下。投资对比仅供参考，各厂家产品价格不同，应以实际情况为准）