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1、数据中心UPS系统应用建设方案UPS是一种利用电池化学能作为后备能量，在市电断电或发生异常等电网故障时，不间断地为用户设备提供（交流）电能的一种能量转换装置，正式名称为不间断供电系统（Uninterruptible Power System）。UPS的设计和选型对于数据中心供电系统的建设具有核心的意义。1.1 UPS分类及定义根据中华人民共和国国家标准不间断电源设备 第3部分：确定性能的方法和试验要求GB 072602003的附录B定义，将UPS运行分为：双变换运行、互动运行、后备运行等三类运行方式，即UPS行业广为熟悉的双变换UPS、互动UPS、后备UPS等三种。我国的国标GB 7260等同
2、国际电联标准IEC 62040 Uninterruptible Power System（UPS），也等同欧洲标准EN 62040-2001。1双变换UPS国标GB 072602003定义为“在正常运行方式下，由整流器/逆变器组合连续地向负载供电。当交流输入供电超出了UPS预定允差，UPS单元转入储能供电运行方式，由蓄电池/逆变器组合在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前（按两者之较短时间），连续向负载供电”。同时国标强调，避免使用“在线”一词，防止定义混淆，而只使用术语“双变换”。下图为国标GB 072602003对在线UPS的定义与说明：2互动UPS国标GB 072
3、602003定义为：“在正常运行方式下，由合适的电源通过并联的交流输入和UPS逆变器向负载供电。”国标GB 072602003特别强调：“逆变器或者电源接口的操作是为了调节输出电压和/或给蓄电池充电；UPS输出频率取决于交流输入频率。”3后备UPS国标GB 072602003定义为：在正常运行方式下，负载由交流输入电源的主电源经由UPS开关供电。可能需结合附加设备（例如铁磁谐振变压器或者自动抽头切换变压器）对供电进行调节。这种UPS通常称为“离线UPS”。 1.2 三种类型UPS原理及特点1后备式UPS：如国标、IEC、EN等标准所言，后备式UPS电源的功率变换主回路的构成比较简单。市电正常时
4、，UPS一方面通过滤波电路向用电设备供电，另一方面通过充电回路给后备电池充电。当电池充满时，充电回路停止工作，在这种情况下，UPS的逆变电路不工作。当市电发生故障，逆变电路开始工作，后备电池放电，在一定时间内维持UPS的输出。主要由充电器，逆变器，输出转换开关和自动电压调压等部分构成。图43 后备式UPS原理框图充电器：市电存在时，对蓄电池充电，如果是长延时UPS，就要求它有较强的充电能力，或者外加相应容量的附加充电器。 DC-AC逆变器：市电存在时，逆变器不工作；市电掉电时，由它将直流电压（电池供给）变成符合负载要求的交流电压，电压波形有方波、准方波、正弦波三种形式。输出转换开关：市电存在时
5、，接通输入电源向负载供电；市电掉电时，断开电网，接通逆变器，继续向负载供电。 自动电压调压：实质上是一个变压器装置，可自动进行升压和降压的设置。因此可以拓宽UPS在市电状态下的工作范围，通常以可选件的形式存在。后备式UPS的性能特点： 1）当市电正常且输出带载时，效率高可达98%以上； 2）当市电正常且输出带载时，输入功率因数和输入电流谐波取决于负载电流； 3）当市电存在时，输出电压稳定精度差，但能满足负载要求； 4）市电掉电时，输出有转换时间，一般可做到4-10ms左右，足以满足普通负载要求；但对于服务器等用电设备存在一定的风险；5）市电掉电时，后备时间一般不长（一般为分钟级别）；6）无论市
6、电工况还是电池工况，整机抗干扰能力较差；7）电路简单，成本低，可靠性高； 8）由于输出有转换开关，受切换电流能力和动作时间的限制，UPS输出功率做大有一定困难，当前面市的后备式UPS多在2KVA以下。2互动式UPS：双向变换器式UPS市电正常，交流电通过工频变压器直接输送给负载；当市电超出上述范围，在150276V之间时，UPS通过逻辑控制，驱动继电器动作，使工频变压器抽头升压或降压，然后向负载供电。若市电低于150V或高于276V，UPS将启动逆变器工作，由电池逆变向负载供电。在市电在150276V之间时，身兼充电器/逆变器的变换器同时还给电池充电，处于热备份状态，一旦市电异常，马上就转换为
7、逆变状态，为负载供电。图44 双向变换器UPS原理图双向变换器式UPS与后备式UPS的区别是“双向变换器”：当市电存在时，“双向变换器”的工作状态是AC- DC，给电池充电并浮充；市电掉电后，其工作状态为DC-AC，由电池供电，保持UPS继续向负载供电。变换器时刻处于热备份状态，市电/逆变切换时间比后备式要短，同时兼顾了对电池充电的功能，提高了后备式UPS的功率容量，减小了市电掉电时的转换时间，提高了对输出电压的滤波作用。双向变换器式UPS性能特点是：1）当市电正常时，效率高，可达98%以上； 2）当市电存在时，输入功率因数和输入电流谐波成份取决于负载电流；3）市电掉电时，因为输入开关存在开断
8、时间，至使UPS输出仍有转换时间，但比后备式要小；4）市电存在时，输出电压稳定精度差； 5）市电存在时，因为逆变器直接接在输出端，并且处在热备份状况，对输出电压尖峰干扰有滤波作用； 6）充电器/逆变器共用使电路更简单，成本低，可靠性高； 7）逆变器同时有充电功能，省掉了后备式UPS的附加充电器，其充电能力要比附加充电器强的多，当要求长延时供电时，无须再增加机外充电设备； 此外，业界还有一种设计十分独特的UPS， 把交流稳压技术中的电压补偿原理用到了UPS的主电路中，一般称之为Dalta变换式UPS。Dalta变换式UPSDelta UPS实际相当于一台串联调控型的交流稳压电源，它的主要功能是对
9、市电进行稳压处理，将原来不稳定普通市电电源变成电压稳压精度为380V+/-1%的交流稳压电源。其控制原理与利用“伺服电机”来调节碳刷的位置来进行“电压补偿”的“全自动补偿方式”交流稳压电源的控制原理相同。其重大改进是采用高频脉宽调制技术和利用双向能量传递特性的“四象限”变换器（Detla变换器和主输出变换器）来取代易于产生机械磨损的伺服电机和碳刷调节系统。图45 Dalta变换式UPS原理图Delta 逆变器（图中逆变器/充电器）：它是一组DC-AC和AC-DC双向逆变器，它的输出变压器（高频）的副边串联在UPS主电路中，其功能有三个： 1）对UPS输入端进行输入功率因数补偿，并抑制输入电流谐
10、波； 2）与主逆变器一起，完成对输入电压的补偿，当输入电压高于输出电压额定值时，Delta 逆变器吸收功率，反极性补偿输入输出电压的差值，当输入电压低于输出电压额定值时，Delta 逆变器输出功率，正极性补偿输入输出电压的差值； 3）与主逆变器一起完成对电池的充电和浮充功能。 主逆变器：该逆变器同样是DC-AC和AC-DC双向逆变器，它的功能有四个： 1）同Delta 逆变器一起，完成对输入输出电压差值的补偿； 2）同Delta 逆变器一起完成对电池的充电和电压浮充功能； 3）随时监测输出电压，保证输出电压的稳定，对输出电压波形失真和输出电流谐波成份进行补偿，使其不对电网产生影响； 4）当市电
11、掉电时，全部输出功率由主逆变器给出，并且保证输出电压不间断，转换时间为零。Dalta变换式UPS的性能特点如下： 1）因为主逆变器随时监视控制输出电压，并通过Delta 逆变器参与主回路电压的调整，所以不管市电有无，都可以向负载提供高质量的电源，主要电气指标在稳态时比较好； 2）市电掉电时，输出电压不受响应，没有转换时间。并且，当负载电流发生畸变时，也由主逆变器调整补偿掉；3）当市电存在时，Delta 逆变器和主逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿，逆变器承担的最大功率（当输入电压处于上限和下限时）仅为输出功率的20%（相当于输入电压变化范围），所以功率强度很小（1/5），功率余量
12、大，这就大大增强了UPS的输出能力；4）Delta 逆变器同时完成了对输入端的功率因数校正功能，使输入功率因数等于1，输入谐波电流降到3%以下。在市电存在时，由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的1/5，所以整机效率据称在很大的功率范围内都可达到96%；5）无法对频率和相位进行补偿，因此严格说来该型UPS不是VFI（电压频率独立）型供电设备；6）无法完全隔离市电，从而无法从根本上解决市电上的谐波污染，比如：频率异常、浪涌、噪声等，将直接输入到重要负载；7）该型UPS对稳态的市电异常补偿十分精确，但对偶发的市电异常（比如“瞬态过压”或“频率突变”）可能会出现严重的工作异常；8）电路和控制系统
13、复杂，工况众多，可靠性一般。通过分析完上述两种类型的UPS，可以发现如果严格按照GB 07260.3-2003/ IEC62040-3-1999对UPS类型的定义，双向变换器式UPS应该划入后备式UPS一类，而Dalta变换式UPS才是互动式UPS。3双变换式UPS：图46 双变换式UPS原理图市电正常供电时，交流输入经AC/DC变换100%转换成直流，一方面给蓄电池充电，另一方面给逆变器供电；逆变器自始至终都处于工作状态，将直流电压经DC/AC逆变成交流电压给用电设备供电。整流器：交流市电输入经过整流器转换为直流电，给电池的充电，并通过逆变器向负载供电.。逆变器：该逆变器为DC-AC单向逆变
14、，当市电存在时，它由整流器取得功率后再送到输出端，并保证向负载提供高质量的电源；当市电掉电时，由电池通过该逆变器向负载供电。静态开关：正常时处在旁路侧断开，逆变侧导通状态；当逆变电路发生故障，或者当负载受冲击或故障过载时，逆变器停止输出，静态开关逆变侧关闭，旁路侧接通，由电网直接向负载供电。 双变换式UPS的性能特点如下： 1）双变换式UPS具有优越的电气特性：由于采用了AC/DC、DC/AC双变换设计，可完全消除来自于市电电网的任何电压波动、波形畸变、频率波动及干扰产生的任何影响。2）同其他类型UPS相比，由于该型UPS可以实现对负载的稳频、稳压供电，供电质量明显优势；3）市电掉电时，输出电
15、压不受任何影响，没有转换时间； 4）器件、电气设计成熟，应用广泛；5）效率同其他类型UPS相比不占优势；6）整流器在工作时会引起输入电源质量变差，因此需要采取谐波治理方案；7）价格相对较高。1.3 数据中心UPS供电方案UPS应用中，通常有五种供电方式：1.单机工作供电方案；2.热备份串联供电方案；3. 直接并机供电方案；4. 模块并联供电方案；5.双母线（2N）供电方案。此外，近年来三总线和Catcher Bus的供电方案在某些大型数据中心供电系统的建设中也屡见不鲜。1单机供电方案单机工作供电方案为UPS供电方案中结构最简单的一种，就是单台UPS输出直接接入用电负荷。一般使用于小型网络、单独
16、服务器、办公区等场合；系统由UPS主机和电池系统组成，不需要专门的配电设计和工程施工，安装快捷；缺点是可靠性较低。2热备份串联供电方案串联备份技术是一种比较早期、简单而成熟的技术，它被广泛地应用于各个领域，UPS串联备份的定义是：备机UPS的逆变器输出直接接到主机的旁路输入端，在运行中一旦主机逆变器故障时能够快速切换到旁路，由备机的逆变器输出供电，保证负载不停电。在各种UPS技术资料中，串联备份的英文为Series Configuration或Isolated Redundant。在中文里串联也有称热备份，简称串联。UPS串联的特点是，两台UPS均为完整的具有独立旁路的在线式UPS单机。两台U
17、PS除了电源线的连接外不需要其他信号的连接。在正常情况下，主机100%的给负载供电，从机的负载为零。组成串联系统的UPS必须具有如下技术条件：在线式UPS电源，这样逆变器才能保持和旁路的同步；UPS具有整流器和旁路双重输入端；UPS能够承受100%的负载跳变。方案优点：结构简单、安装方便；价格便宜；不同公司，不同功率的UPS也可串联。方案缺点：不中断负载用电的扩容必须带电操作，十分危险；主从机老化状态不一致，从机电池寿命降低；当负载有短路故障时，从机逆变器容易损坏。图47 串联备份方案3直接并机供电方案直接并机供电方案是将多台同型号、同功率的UPS，通过并机柜、并机模块或并机板，把输出端并接而
18、成。目的是为了共同分担负载功率。其基本原理是：正常情况下，多台UPS均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台UPS故障时，由剩下的UPS承担全部负载。并联冗余的本质，是UPS均分负载。实现组网型式多有N+1（N台工作，一台冗余）或者M+N（M台工作，N台冗余）。图48 并联供电方案要实现并联冗余，必须解决以下技术问题：各UPS逆变器输出波形保持同相位、同频率；各UPS逆变器输出电压一致；各UPS必须均分负载；UPS故障时能快速脱机。方案优点：多台UPS均分负载，可靠性大大提高；扩容相对以前方案方便很多；正常运行均分负载，系统寿命和可维护性大大提高。方案缺点：控制负载；成本增加；在并机输出侧依然具
19、有单点故障。4模块并联供电方案所谓模块并联供电方案实质上就是直接并机供电的解决方案的一种，只不过其具体的实现方式和传统的直接并机供电方案有所不同：模块化UPS包括机架、可并联功率模块、可并联电池模块、充电模块等，见下图：图49 模块并联UPS供电方案模块并联供电方案的特点：由机架、UPS功率模块、电池模块、配电系统组成；功率模块配置为N+1冗余，减少了维护时间；共用输入、输出、并联的电池系统、控制系统；5双母线（2N）供电方案早期应用于数据中心的UPS供电方案多为单机方案或UPS串/并联方案，均存在输出单点故障瓶颈问题。输出的配电系统，包括开关跳闸、保险烧毁、电路短路等供电回路故障往往很大程度
20、上影响UPS系统供配电的可靠性：为保证机房UPS供电系统可靠性，2N或 2（N+1）的系统开始在中大型数据中心中得到了规模的应用，在业界经常也被称之为双总线或者双母线供电系统。2N供电方案由两套独立工作的UPS、负载母线同步跟踪控制器（LBS，Load Bus Synchronization）、一至多台静态切换开关系统（STS，Static Transfer Switch）、输入、输出配电屏组成。图50 2N供电方案该方案特点如下：1）考虑到系统实现的成本，数据中心的负载被分为两类：单电源/三电源负载；双电源负载。正常工作时，两套母线系统共同负荷所有的双电源负载；通过STS的设置，各自负荷一半
21、的关键的单电源负载。因此，正常工作时两套母线系统会各自带有50%的负载；2）将其中的一套单机系统作为双总线系统的一根输出母线，另外一套单机系统作为双总线的另一根输出母线，将两套母线系统输出通过同步跟踪控制器同步起来。负载母线同步跟踪控制器（LBS）用于双总线UPS系统中，用来保证两套UPS输出系统的同步。如上述双总线系统图中，先设定任意一套UPS并机系统为主机（Master），LBS同时监视两条母线上的UPS输出频率及相位。一旦发现它们超出同步跟踪范围（例如10，该参数可调）时，LBS激活，内部控制对预先定义为Master的UPS继续跟踪市电，而另一条母线上的UPS将通过LBS的控制，对Mas
22、ter进行跟踪，从而实现两套系统同步。3）即使是一套系统完全失效或者需要检修，双电源负载因为有一根输出母线仍然有电所以会继续正常工作；而关键的单电源负载会通过STS零切换到另外一根输出母线也会正常工作。静态切换开关系统（STS）用来为单路电源负载供电切换时使用，单电源负载接在STS输出端上，STS两个输入端分别接在输入电源1和输入电源2，当其中一个系统供电母线上的任何设备或电缆发生故障或需要维护时，其负载可经转换时间1/4周波的静态转换开关切换至另一个系统供电。图51 STS 原理图4）区别于以前的供电方案，系统的备份首先带来的是负载用电的可靠性的显著提升。除此之外，该方案具有优秀的开放性和良
23、好的前瞻性，系统以后的扩容升级和维护也会显得十分方便。因为任何时候我们均可将其中的一套系统完全下电进行处理去处理维护或者扩容的问题。双总线系统真正实现了系统的在线维护、在线扩容、在线升级，提供了更大的配电灵活性，满足了服务器的双电源输入要求。解决了供电回路中的“单点故障”问题，做到了点对点的冗余，极大增加了整个系统的可靠安全性，提高了输出电源供电系统的“容错”能力。5）该方案建设成本相对较高，在实际建设的过程中，需要注意可靠性和经济性的适当权衡。 6三母线供电方案三总线系统是双总线供电系统的一种变异形式，系统最大安全带载率可由双总线系统的50%提升至66%，同时任具备双总线系统的可靠性等级。这
24、样基本不损失可靠性的前提之下有效地降低建设成本。7Catcher Bus供电方案Catcher Bus 无需复杂的开关装置，由 STS负责供电切换，最大负荷 (N-1)/N带载率从双总线50%提高到75%-90%,可实现系统节能减排。但相比于双总线/三总线系统，可靠性有所下降。图52 三总线原理图 图53 Catcher Bus原理图1.4 数据中心UPS关注热点数据中心UPS的技术和应用热点都和UPS的电气性能指标直接相关，UPS的性能指标总体参见前文表2（YD/T 10952008通信用不间断电源UPS）综合当前的应用实践来看，绿色技术，模块化，高频化以及系统化是当前UPS设计与应用主要的
25、热点问题。1数据中心UPS关注热点之绿色电源技术UPS绿色技术在电气指标上首先体现为UPS的输入指标“输入电流谐波成份”&“输入功率因数”，上述指标主要体现了UPS和电网之间的相互影响。业界的措施主要是围绕着如何改善UPS整流器的输入特性而展开的。其次体现为UPS的输出指标“输出有功功率”，表征了UPS和负载之间的相互匹配。业界的主要措施是围绕着如何改善UPS逆变器的输出特性而展开的。（1）UPS谐波分析与治理数据中心UPS系统在从低压电网获取能量的同时，也会对低压电网造成不同程度的污染。污染的严重程度取决于UPS整流器的实现和治理方式。传统的6脉冲整流器会引起很严重的谐波污染。所谓6脉冲整流
26、器是指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由6个开关脉冲对6个可控硅分别控制。 图54 6脉冲整流器 图55脉冲整流器的输入电流与电压畸变以某型200KVA UPS（满载）为实例，可得出谐波具体数据。考虑到计算为理想状态，忽略了很多因数，如换相过程、直流侧电流脉动、触发延迟角，交流侧电抗。因此实测值与计算值有一定出入。表16 某型6脉冲UPS理论的和实际谐波成分谐波次数5th7th11th13th17th19th23th%谐波含量（理论）201498654%谐波含量（实测）32383422由UPS整流装置产生的超最大过30%的谐波对电力系统中的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：对发电设
27、备的危害：谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，产生振动和发出异常的噪音。对输电设备的危害：损耗增加（趋肤效应）、引发谐振（线路电感、对地电容）、中线电流增大、影响线路的稳定运行（继电保护的误动或拒动）；对供电设备的危害：损害电容、变压器降容（铜损、涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗 ）、降低可靠性、影响电力测量的准确性；对用电设备的危害：视在功率增大、干扰敏感性的电子设备；对人体的危害：人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影
28、响人的脑磁场与心磁场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康。对数据中心UPS谐波的治理主要有以下两种手段：1）无源滤波器原理：电感和电容形成谐振电路，主要针对5次谐波形成低阻通道。优点：技术简单，价格便宜。缺点：只能滤除特定频率的谐波；滤波效果受负载率及频率变化影响大；有系统谐振风险；UPS轻载输入呈容性，与柴油发电机匹配困难；设计参数单一，针对特定频谱。 图56 5次谐波滤波器 图57 有源滤波器 2）有源滤波器原理：有源滤波器实质上是电流发生器。系统侦测负载电流，由DSP分析谐波形状，再提供给电流发生器，在下一个周波精确补偿。优势：不会因制造误差、设备老化、电网频率变化造成滤波效果下降；不
29、容易与电网产生谐振，而且具有谐振抑制作用，不会造成谐波放大；可以仅仅对谐波进行抑制而不引入大的无功，或兼有谐波补偿和无功补偿功能；适应于多种性质（阻、感、容性）的负载，并可利用现有无功补偿设备容量；具有处理复杂频谱谐波的能力。劣势:存在误补偿问题：由于它的补偿响应时间长达40ms以上，存在“误补偿”隐患。当在输入电源上、执行切除/投入操作或在UPS的输入上游侧、作大负载的切除/投入操作时，易产生”误补偿”。轻者，造成UPS的输入谐波电流”突变”。严重时，会导致UPS的输入开关误跳闸；可靠性偏低：对于6脉冲+有源滤波器的UPS来说，由于在它的有源滤波器中、使用IGBT管作为它的整流器和变换器的功
30、率驱动管， 其故障率偏高；降低系统效率，增加运行成本；有源滤波器价格相对昂贵。上述办法都是先默认UPS整流先产生谐波而后治理的思路，更好的处理谐波的思路是通过改善UPS的整流器架构使严重的谐波无从产生，也就是控制源头的思路。IGBT高频整流器结构都具有小于5%的输入电流谐波成份。（2）UPS输出有功功率（输出功率因素）在“通信行业标准YD/T10952000 通信用不间断电源 UPS”标准中，表15第17项提出“输出功率因数”项目，技术要求 0.8，第5部分试验方法中第5.16项中提出了输出功率因数的试验方法及测试电路。但是在YD/T10952008对该部分的要求重新做出了修订，改成了“输出有
31、功功率额定容量0.7KW/KVA”。实际上业界是想用合适的指标表征UPS输出带有功功率的能力。YD/T1095-2008的界定明显更为合理。根据IEC 62040-3的UPS性能标准（UPS Performance）和IEC 60146-4的UPS设计标准，其输出的功率因数为：PF = KW / KVA。在UPS设计时是以线性负载Cosw=0.8作为设计标准的，所以一般我们会看到数据中心主流UPS厂商以输出功率因素0.8界定视在功率和有功功率的关系（例如200KVA/160KW）。此外，UPS允许使用负载功率因数为0.6超前到0.6滞后，但其他功率因素下UPS不得不降额使用，如图62。问题在于
32、数据中心UPS后挂的用电负载（服务器，交换机等IT设备）大都是开关电源型的非线性负载设备，在IEC 62040-3标准中称之为“RCD型负载”，表现为低额定电流、高峰值因数、低输入功率因数、24In的起动电流。负载功率因数大多数为0.6-0.7。2001年以后，随着技术的发展，对于1997年制定的IEC 61000-3-2标准进行了修订，即IEC 61000-3-2 AMD1-2001标准的出台，该标准对单相输入电流不大于16A的专业设备规定了谐波电流发射的限值，从此对IT设备的输入特性有了明确的规定。大量的IT设备制造商开始着手修正自己产品的输入特性，他们为这些专业设备增加了升压（BOOST
33、）线路，功率因数由0.7提高至0.9以上，并改善了其THDi（20%）。图58 不同负荷功率因素与UPS输出视在功率和有功功率的折算关系 图59 传统IT设备电源框架 图60 新一代IT设备电源框架（圈内为Boost线路）假定所有的负荷功率因素是0.9容性，对于某型300KVA UPS，其视在功率降额到221KVA，有功功率降额到199KW，也就是说，超过这两个降额后的功率阀值，UPS就会发出过载报警。若按标称，其有功功率报警阀值应为300KVA/240KW（但标称情况是带功率因素0.8感性负载）。这是数据中心运营者经常碰到的UPS未到满载却发出过载报警的现象。这就要求UPS的输出特性必须要相
34、应的作出改变，简单而言，就是UPS的输出能够较好地适应容性负载的输入特性。具体而言， UPS输出的有功功率至少可以在负载Cos = 0.8滞后到 Cos = 0.80.9超前的整个范围内保持恒定不变（因为在实际的负载测量中，大部分负载其超前的Cos一般在0.950.9之间）。 3数据中心高频UPS近年来数据中心大容量UPS高频化的趋势越来越明显，各大厂家纷纷推出了自己的高频UPS。业界关于高频UPS和工频UPS的争论也一直纷繁芜杂。（1）工频机和高频机的定义和原理分析 UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅SCR整流器，IGBT逆变器，旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器
35、工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工频UPS。 典型的工频UPS拓扑如下：图62 典型工频UPS拓扑主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属于半控器件，控制系统只能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零之后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断控制。由于SCR整流器属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低，要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。同时，由于
36、增加了隔离变压器，系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离，显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。同时，工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。工频机典型母线电压通常为300V500V之间，可直接挂接电池（业界32节电池的方案很常见），不需要另外增加电池充电器。按整流器晶阐管数量的不同，工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。高频机通常由IGBT高频整流器，电池变换器，逆变器和旁路组成，IGBT可以通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几K到几十KHz，甚至高达上百KHz，相对于50Hz工频， 称之为高频UPS。图63 高频UPS拓扑图高频UP
37、S整流属于升压整流模式，其输出直流母线的电压比输入线电压的峰峰值高，一般典型值为800V左右，如果电池直接挂接母线，所需要的标配电池节数达到67节。因此一般高频UPS会单独配置一个电池变换器，市电正常的时候电池变换器把母线800V的母线电压降压到电池组电压；市电故障或超限时，电池变换器把电池组电压升压到800V的母线电压。从而实现电池的充放电管理。由于高频机母线电压为800V左右，所以逆变器输出相电压可以直接达到220V，逆变器之后就不再需要升压变压器。（2）工频机高频机优缺点对比分析表17 工频机高频机对比分析序号条目高频机工频机备注1成本低高高频机由于取消了输出隔离变压器，同型号整机成本及
38、定价比工频低15%-30%2输入谐波电流采用IGBT整流技术，满载输入THDi3% 采用可控硅整流技术，12脉冲+11次谐波滤波器THDi0.99采用可控硅整流技术，12脉冲+11次谐波滤波器PF0.854体积小大工作频率提高，取消输出隔离变压器等措施使高频机体积和重量都小于工频机，可有效缓解数据中心占地及承重问题5重量轻重6效率高低IGBT整流器技术和无变压器设计使高频机的效率有所提高，特别是在轻载（50%以下）时，效率提高更加明显7故障率高低高频机投入市场的时间远短于工频机，其安全运行需要更长的时间去检验和改善8零地电压输出有高频谐波耦合在零线上，可能抬升零地电压，一般会在1.7-10V之
39、间输出配置隔离变压器，零地电压增量小于1V高频机由于零线贯通，会在零线上耦合出高频噪声，一般都大于2V。9逆变器逆变器直接挂接负载，抗负载冲击能力弱从而可能降低逆变器的可靠性逆变器部分的输出隔离变压器自身短路阻抗的作用及高频衰减隔离特性，使得工频机具有很好的抗负载冲击能力，降低负载突变和短路对UPS的影响由于高频机在逆变器部分省掉隔离变压器，使其逆变器的可靠性不如工频机10逆变器负载直挂，带非线性负载的能力弱输出变压器具有消除负载侧3N次谐波电流反灌的隔离能力，带非线性负载的能力强11主旁路同源主路旁路N线必须相同，因此无法实现主旁路不同源配置可以实现主旁路不同输入源的配置方案，满足高可靠性场地的配电要求数据中心一般都有两路市电进线，所以主路旁路不同源的配电设计十分常见。因此高频机配电的灵活性不如工频机