模塊化UPS系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)分析

趙廣超，王哲坤，耿琳盈，汪璟曄（63886部隊(duì)，河南 洛陽(yáng)471003）

0 引 言

目前，通信行業(yè)一直沿用傳統(tǒng)的供電模式，即傳統(tǒng)UPS＋柴油發(fā)電機(jī)。但隨著通信行業(yè)的飛速發(fā)展，交流用電設(shè)備越來(lái)越多，設(shè)備功耗越來(lái)越大，供電的可靠性要求也越來(lái)越高，這種傳統(tǒng)供電模式在可靠性、安全性及能耗等方面的問(wèn)題越來(lái)越多，尤其是傳統(tǒng)大功率UPS（通常指容量在30 kVA以上的UPS）可靠性低、建設(shè)成本高、維護(hù)難度大、供電效率低、電流諧波大等局限性逐漸凸顯。業(yè)界在努力提升傳統(tǒng)UPS供電質(zhì)量的同時(shí)，也在不斷探索能夠替代傳統(tǒng)大功率UPS供電的新技術(shù)，其中，模塊化UPS是當(dāng)前主流技術(shù)之一。

1 模塊化UPS

1．1 設(shè)計(jì)理念

模塊化UPS是對(duì)功率變換主回路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并采用了分散控制理論及非固定主從的同步控制技術(shù)［1］。該技術(shù)主要借鑒了通信高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)也是對(duì)傳統(tǒng)UPS的一種創(chuàng)新。

1．2 和傳統(tǒng)UPS的區(qū)別

模塊化UPS實(shí)質(zhì)上是集成的N＋1冗余并機(jī)系統(tǒng)與模塊化體系結(jié)構(gòu)的融合［2］。系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可修復(fù)和可快速修復(fù)的根本條件，而冗余配置則是提高系統(tǒng)可靠性的最有效的措施。模塊化的UPS就是把模塊化快速插拔修復(fù)技術(shù)和冗余容錯(cuò)技術(shù)同時(shí)應(yīng)用到一臺(tái)UPS中，冗余容錯(cuò)功能和熱插拔修復(fù)技術(shù)是模塊化UPS的兩個(gè)根本特征。如圖1給出了UPS單機(jī)、UPS冗余并機(jī)和模塊化UPS體系結(jié)構(gòu)的區(qū)別。

圖1 模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS的區(qū)別

2 通信電源設(shè)備的有效使用年限

2．1 優(yōu)勢(shì)分析

2．1．1 電流諧波方面的優(yōu)勢(shì)

諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)及供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波干擾，造成設(shè)備故障、發(fā)熱、壽命降低等后果。目前，傳統(tǒng)大功率UPS多采用可控硅的整流方式，會(huì)產(chǎn)生大量的電流諧波，雖然通過(guò)增加整流脈沖次數(shù)可以降低諧波電流，但同時(shí)也增加了成本、設(shè)備重量和體積，并降低了整機(jī)效率，且不能從根本上解決諧波問(wèn)題，同時(shí)，為治理諧波而增加的濾波設(shè)備，也為UPS系統(tǒng)引入了新的故障點(diǎn)。

模塊化UPS采用了有源功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC），降低了輸入電流諧波，加強(qiáng)了設(shè)備抗電磁干擾的能力，提高了設(shè)備的整機(jī)效率。

2．1．2 系統(tǒng)供電效率方面的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)能量利用率低的主要原因有：需要經(jīng)過(guò)整流和逆變兩次變換，使得其本身效率低下；冗余配置使其工作在較低的負(fù)載率區(qū)間；本身產(chǎn)生的諧波電流會(huì)在供電回路上造成損耗及濾波設(shè)備自身的損耗。

模塊化UPS采用高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，減少器件開(kāi)關(guān)損耗，提高了整機(jī)效率；按需配置UPS模塊，系統(tǒng)工作在最佳負(fù)載率區(qū)間，提高工作效率；采用PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，諧波電流小，發(fā)熱損耗小。

2．1．3 可熱插拔快速修復(fù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

模塊化UPS支持熱插拔技術(shù)，相比傳統(tǒng)UPS，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的故障修復(fù)時(shí)間是單機(jī)冗余系統(tǒng)的1／8～1／10［1］；減少人為錯(cuò)誤、減低維護(hù)難度，提高安裝、調(diào)試和維護(hù)的質(zhì)量；模塊化的無(wú)工具安裝，提高部署速度，可將系統(tǒng)安裝時(shí)間縮短到單機(jī)冗余系統(tǒng)的1／10～1／15［1］；可按需要擴(kuò)展系統(tǒng)容量，有效地提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力；降低設(shè)備和備件成本，明顯地提高設(shè)備工作效率；簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、安裝流程，減少非設(shè)備成本。

2．1．4 可靠性方面的優(yōu)勢(shì)

目前，隨著企業(yè)對(duì)可靠性和可用性的要求越來(lái)越高，機(jī)房或數(shù)據(jù)中心配置多采用冗余技術(shù)供電。其中，絕大多數(shù)機(jī)房或數(shù)據(jù)中心的實(shí)際負(fù)載要小于設(shè)計(jì)額定負(fù)載的70%，甚至只有50%，或30%［2］，在這種情況下，模塊化UPS在可靠性方面的優(yōu)勢(shì)就凸現(xiàn)出來(lái)。

1＋1單機(jī)冗余并機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中只允許一臺(tái)發(fā)生故障，兩臺(tái)同時(shí)故障時(shí)系統(tǒng)就宕機(jī)，這與負(fù)載量大小沒(méi)有關(guān)系；而對(duì)于模塊化UPS系統(tǒng)，其冗余度會(huì)隨著負(fù)載量的降低而增加，從而使其可靠性隨著冗余度的增加而增加。以模塊化4＋1冗余UPS并機(jī)系統(tǒng)為例，其在100%負(fù)載時(shí)允許一臺(tái)功率模塊發(fā)生故障，但隨著負(fù)載量的降低，可靠性也會(huì)隨之增加。假定單機(jī)（模塊）的年度可靠度為R＝0．99，可計(jì)算出1＋1冗余并機(jī)與模塊化4＋1冗余并機(jī)的區(qū)別，以及負(fù)載量對(duì)可靠度的影響，如表1所示。其中，單機(jī)（模塊）的故障情況服從二項(xiàng)分布（N＋1，0．01），可計(jì)算出可靠度R（t）＝1－P｛X＝i｝；i為宕機(jī)時(shí)故障單機(jī)（模塊）的最小數(shù)目。

表1 模塊化UPS和傳統(tǒng)UPS冗余度和可靠度對(duì)比

通過(guò)分析表1可得如下兩點(diǎn)結(jié)論：

（1）由單機(jī)1＋1組成的冗余系統(tǒng)，不管系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載量是多少，系統(tǒng)都是1＋1冗余，只允許一臺(tái)故障，當(dāng)單機(jī)可靠度為0．99時(shí)，系統(tǒng)可靠度是0．9999；

（2）模塊化4＋1冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)的冗余度隨負(fù)載的降低而增加。如果單個(gè)模塊的可靠度為0．99，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載等于系統(tǒng)設(shè)計(jì)額定負(fù)載量時(shí)，系統(tǒng)的可靠度為0．999，低于單機(jī)1＋1組成冗余系統(tǒng)；但是當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載等于系統(tǒng)設(shè)計(jì)額定負(fù)載量的75%時(shí)，則4＋1冗余系統(tǒng)變成了3＋2冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠度高達(dá)0．99999，當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載等于系統(tǒng)設(shè)計(jì)額定負(fù)載量的50%時(shí)，4＋1冗余系統(tǒng)變成了2＋3系統(tǒng)，可靠度再次提高到0．99999995。

2．1．5 可用性方面的優(yōu)勢(shì)

可用性是衡量系統(tǒng)提供持續(xù)服務(wù)的能力，是系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間之和的比值。與單機(jī)1＋1冗余并機(jī)系統(tǒng)相比，模塊化UPS在可用性方面的優(yōu)勢(shì)主要有以下兩點(diǎn)原因：

（1）模塊化UPS的模塊故障可由維護(hù)人員熱插拔修復(fù)，使故障修復(fù)時(shí)間MTTR降到0．5 h，甚至更少；而單機(jī)UPS故障時(shí)間則為8 h（統(tǒng)計(jì)值）。模塊化設(shè)計(jì)使其故障處理和修復(fù)時(shí)間大幅度減少；

（2）當(dāng)實(shí)際負(fù)載低于設(shè)計(jì)額定負(fù)載時(shí)，模塊化UPS的可用性因冗余度增加而增大。

假定：?jiǎn)螜C(jī) UPS的 MTBF（Mean Time Between Failure）＝10萬(wàn)小時(shí)，MTTR（Means Time To Repair）＝8小時(shí)；模塊化UPS功率模塊的 MTBF＝10萬(wàn)小時(shí)；MTTR＝0．5小時(shí)；則UPS單機(jī)的可用性A＝MTBF／（MTBF＋MTTR）＝0．9999；1＋1單機(jī)冗余并機(jī)的可用性A1＋1＝0．99999999；模塊化 UPS單個(gè)功率模塊的可用性A＝MTBF／（MTBF＋MTTR）＝0．999995。表2是兩者之間的對(duì)比關(guān)系。

表2 模塊化UPS和傳統(tǒng)UPS冗余度和可用性對(duì)比

通過(guò)表2可得出如下結(jié)論：模塊化UPS的可用性比1＋1單機(jī)冗余并機(jī)可用性高。

2．1．6 建設(shè)及運(yùn)維成本方面的優(yōu)勢(shì)

模塊化UPS采用模塊化技術(shù)，可根據(jù)初期功耗配置UPS模塊，且不用配置濾波設(shè)備、選配輸出隔離變壓器，降低了建設(shè)初期成本；

模塊化UPS系統(tǒng)的高度集成，省去了現(xiàn)場(chǎng)安裝、連線(xiàn)、調(diào)試等工作，簡(jiǎn)化了安裝流程，減低了非設(shè)備資本成本，同時(shí)提高了管理維護(hù)水平，降低了運(yùn)行維護(hù)成本；

模塊化UPS的可熱插拔快速修復(fù)優(yōu)勢(shì)，大大縮短了系統(tǒng)的故障修復(fù)時(shí)間和運(yùn)行維護(hù)成本；

模塊化UPS的高頻化設(shè)計(jì)使設(shè)備具有更高的功率密度、更小的體積和更輕的重量，降低了安裝物理空間及承重要求。

2．2 存在的局限性

2．2．1 功率限制

由于模塊化UPS采用PFC技術(shù)，IGBT電流、電壓應(yīng)力相對(duì)于傳統(tǒng)UPS的可控硅較低［1］，因此單個(gè)模塊的功率受到限制；同時(shí)模塊化UPS復(fù)雜的模塊并機(jī)控制致使其在并機(jī)模塊的數(shù)量上受到限制。上述兩個(gè)限制造成同等條件下，模塊化UPS整機(jī)功率不如傳統(tǒng)的塔式機(jī)。

2．2．2 可靠性提升方面

在可靠性方面，模塊化UPS的可靠性較傳統(tǒng)UPS有較大幅度的提高，但由于模塊化UPS采用相同的電源變換結(jié)構(gòu)，仍然存在單點(diǎn)故障、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，使其供電可靠性并沒(méi)有得到質(zhì)的改變。另外，由于IGBT整流通常采用升壓模式，直流母線(xiàn)電壓較高，蓄電池需通過(guò)電壓變換器（蓄電池充電時(shí)降壓，放電時(shí)升壓）與直流母線(xiàn)連接，增加了電池充放電回路的故障點(diǎn)［1］。

2．2．3 系統(tǒng)效率提升方面

模塊化UPS采用了高頻整流技術(shù)，使得其系統(tǒng)效率較傳統(tǒng)UPS有較大提升，但由于模塊化UPS仍然需要經(jīng)過(guò)整流及逆變兩次變換，同時(shí)模塊之間也會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)環(huán)流，使得其效率提升受到限制。

2．2．4 建設(shè)成本方面

目前模塊化UPS單位成本仍然高于傳統(tǒng)UPS，主要原因是目前僅有部分廠商掌握模塊化UPS的核心生產(chǎn)技術(shù)，其應(yīng)用范圍還比較小，尚未大規(guī)模生產(chǎn)。

3 模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS的對(duì)比分析

3．1 模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS的對(duì)比分析

表3從技術(shù)性能、建設(shè)維護(hù)兩個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析：（1）從技術(shù)性能上來(lái)看，模塊化UPS采用高頻化和模塊化設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)的可靠性、效率、功率密度等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)UPS；（2）從建設(shè)維護(hù)上來(lái)看，模塊化UPS各項(xiàng)指標(biāo)也均優(yōu)于傳統(tǒng)UPS，目前處于試點(diǎn)期。

表3 模塊化UPS和傳統(tǒng)UPS的對(duì)比分析

3．2 模塊化UPS的應(yīng)用建議

目前，傳統(tǒng)UPS應(yīng)用廣泛，模塊化UPS還處于試點(diǎn)期，但模塊化UPS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使其成為交流不間斷供電的發(fā)展方向。下面是模塊化UPS的幾點(diǎn)應(yīng)用建議［1］：

（1）受電設(shè)備比較老舊的原UPS供電系統(tǒng)的改造，和后端配電情況復(fù)雜，難以理清的原UPS系統(tǒng)的改造，適合采用模塊化UPS；

（2）對(duì)于接入層機(jī)房等機(jī)房等級(jí)程度不高的機(jī)房，如需采用交流不間斷電源供電時(shí)，適合采用模塊化UPS；對(duì)于托管機(jī)房，在客戶(hù)對(duì)高壓直流認(rèn)可度不高，或無(wú)相關(guān)協(xié)議支持時(shí)，建議選用模塊化UPS供電；

（3）當(dāng)設(shè)備負(fù)荷較大時(shí)（＞200 kVA），應(yīng)謹(jǐn)慎采用模塊化UPS。

4 結(jié)束語(yǔ)

各個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展對(duì)用電設(shè)備的供電質(zhì)量提出了更高的要求，模塊化UPS的出現(xiàn)，是對(duì)傳統(tǒng)交流不間斷供電技術(shù)的一種探索和創(chuàng)新，一定程度上滿(mǎn)足了當(dāng)前業(yè)界對(duì)大功率交流不間斷供電的需求。本文通過(guò)論述傳統(tǒng)UPS和模塊化UPS的區(qū)別、分析模塊化UPS的優(yōu)劣勢(shì)、對(duì)比傳統(tǒng)UPS和模塊化UPS兩種通信設(shè)備交流供電系統(tǒng)，認(rèn)為模塊化的UPS較傳統(tǒng)的UPS供電具有一定的優(yōu)越性，是通信交流設(shè)備不間斷供電的重要發(fā)展方向。

［1］ 宮俊峰．通信交流設(shè)備不間斷供電的比較［J］．通信電源技術(shù)，2012，5：78－80．

［2］ 李 南．高智能容錯(cuò)UPS的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)論證［J］．中達(dá)電通，2012，4：23－25．