開發更加可靠、高效的高頻機UPS的創新之路

李成章

(維諦技術有限公司，北京 100027)

1 提高高頻機UPS的效率和可靠性的發展歷程

近年來，由于云計算、大數據技術、5G以及互聯網+等市場需求的爆發式增長，在數據中心供電系統中越來越多地選用高頻機UPS產品，因其是同工頻機UPS產品相比，具有效率更高、占地面積更小、重量更輕和價格更低等技術優勢。

基于國家對新建數據中心PUE要求越來越低的客觀需求(注：PUE要求從十二五的應<1.5降低到十四五的<1.3)，提高UPS效率已變成各生產廠家和用戶的主要關注重點。在此背景下，近幾年內高頻機UPS效率的提升速率更是被顯著加快。

近年來，因逆變器脈寬調制技術的不斷創新所帶來的高頻機的效率 vs.帶載率的運行特性的不斷改善趨勢以及其技術參數的對比分析被分別示于表1中。

需要說明的是：在2020年,已有逆變效率高達97.5%的新產品可供用戶選用。

高頻機UPS的效率 vs.帶載率運行特性的不斷改善的對比分析表 表1

2 為提高高頻機UPS可靠性，配置抗瞬態過壓保護部件的必要性

眾所周知,為確保UPS能安全可靠地運行，應對其輸入電壓的變化范圍設置必要的保護閥值。如圖1所示,對于高頻機UPS而言，其所允許的穩態輸入電壓保護閥值為380V的-36% ～+20%。-36%是為防止出現電池放電而設置的欠壓輸入保護值，+20%是為防止出現輸出閃斷/輸出停電、電容爆炸、電池放電等故障隱患所設置的過壓輸入保護值。

圖1 UPS運行工況

通過長期對傳統高頻機UPS故障歷史記錄的分析發現：傳統高頻機UPS，的確能對緩慢變化型輸入穩態過壓故障提供可靠的輸入過壓保護，然而在其運行中,對于因10kV市電閃斷/停電、大容量ATS輸入開關執行切換操作、多次利用UPS的輸入開關執行開通和關斷操作來激活電池組的操作、鄰近高能耗用戶突然執行拉閘等操作時，就可能誘發出持續時間僅20ms左右的輸入瞬態過壓故障。利用存儲示波器在用戶的UPS運行現場或專門搭建的故障模擬檢測平臺對高頻機UPS的輸入電壓所執行的瞬態捕捉波形顯示：對于傳統高頻機UPS而言，在其運行中，如果因故遇到上述的輸入瞬態過壓故障時，它的整流器幾乎都將會喪失掉輸入過壓保護功能。此時，因輸入瞬態過壓的串入就會致使UPS整流器輸出直流母線電壓急劇增高，從而導致高頻機UPS出現如圖1(a)所示的種種故障現象。

(1) 當因輸入瞬態過壓所誘發的整流器的輸出電壓處于V整流關機< V整流輸出

(2) 當因輸入瞬態過壓所誘發的整流器的輸出電壓處于 V整流輸出≥V逆變關機時，UPS就會出現輸出閃斷/輸出停電,電容爆炸等事故。

下面將以圖1(b)所示的檢測結果來說明UPS輸出閃斷是如何發生的。 當ATS輸入開關從斷開切換到閉合的瞬間，由于輸入瞬態過壓的串入→整流器的輸出母線電壓從正常值急劇上升到919V DC>逆變器的輸入過壓保護值900V DC→ UPS出現逆變器自動關機故障+交流旁路輸入過壓故障同時出現的現象→UPS輸出閃斷→服務器宕機。

鑒于此，為提高傳統高頻機UPS的可靠性,有必要在其輸入端配置抗瞬態過壓保護部件。為方便描述，本文將未配置抗瞬態過壓保護部件+輸入PF為電容性的高頻機/模塊化UPS稱為傳統高頻機UPS；將配置有抗瞬態過壓保護部件+輸入PF為電感性的高頻機UPS稱為增強型高頻機UPS。

3 增強型高頻機UPS的創新性技術優勢(200～1 200kVA)

圖2 采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻塔式機UPS的結構圖

為消除傳統高頻機/模塊化UPS的抗瞬態輸入過壓保護能力較差及發電機帶電容性負載能力相當差的技術缺陷，筆者所在單位開發出更加可靠和高效的增強型高頻機UPS(圖2)，其創新性技術優勢可歸納如下。

同傳統高頻塔式機UPS/模塊化相比，對于采用可拆卸式的模塊化設計方案+無內部環流+配置抗瞬態輸入過壓保護部件+優選電感性輸入PF +無公用電池組不均流充電隱患+優化高效風冷通道等設計方案所制備的增強型高頻機UPS而言，它在確保逆變供電效率≥97%和輸出PF=1的前提下，不僅能大幅度地提高UPS單機的可靠性且能大幅度縮短維修時間(功能模塊的更換時間僅幾分鐘)。由此所帶來的好處是：它同時具有增強型高頻機UPS更高的可靠性, 模塊化UPS更短的受損功能模塊更換操作時間以及高頻塔式機UPS更低的維修成本等綜合性技術優勢，從而為用戶提供MW級高可用性的UPS供電系統奠定下堅實的技術基礎。

(1) 同存在內部環流+輸出電流不均流隱患的傳統高頻塔式機和模塊化UPS相比，采用無內部環流/極低內部環流隱患的設計方案, 有利于提高UPS的可靠性。

同內含3～4個功率模塊的傳統高頻機UPS和內含10～12個功率模塊的模塊化UPS相比, 對于輸出功率=200～500kVA 增強型UPS而言，采用單機、單功率模塊的設計方案，能徹底消除傳統高頻機/模塊化UPS因存在內部環流和輸出不均流所誘發的故障發生幾率。對于輸出功率=600～1 200kVA 增強型UPS而言，采用單機、雙整流-逆變功率模塊的設計方案，能大幅度地降低傳統高頻機/模塊化UPS因存在內部環流和輸出不均流所誘發的故障發生幾率。

(2) 如上所述，對于傳統高頻機UPS/模塊化UPS而言，在其運行中，當因故遇到10kV市電閃斷/停電等事故時，會在這種UPS的輸入端誘發出持續時間為20ms 左右的瞬態輸入過壓。在此條件下，極易致使傳統高頻機UPS/模塊化UPS發生輸出閃斷/停電,炸機，電容爆炸以及電池異常放電等事故。為消除此類故障隱患，在增強型高頻機UPS的輸入端，增配抗瞬態輸入過壓保護部件，能消除掉因瞬態輸入過壓所誘發的種種故障隱患。它的可靠性已非常接近傳統工頻機UPS的同等可靠性水平。近5～6年的運行統計資料顯示: 它從未出現過影響用戶設備安全運行的事故。

(3)同輸入功率因數(PF)為電容性的傳統高頻塔式機和模塊化UPS相比, 對于輸入PF為電感性的增強型髙頻機UPS而言, 由于它具有同12脈沖+11th濾波工頻機UPS幾乎相同的輸入PF和輸入THDI vs. 帶載率的運行特性。由此所帶來優勢有：1)有利于消除/減少發電機因帶電容性負載所可能誘發的發電機自動關機隱患以及降低發電機與UPS之間的容量匹比，有利于降低發電機供電系統的TCO。在此需說明的是，在發電機帶載的條件下，當輸入PF為電容性的傳統UPS處于逆變供電狀態時，故障率還是較低的。然而，當這種UPS因故轉入交流旁路供電狀態時，則會發生故障率急增的現象。近年來，在大型數據中心的運行中，曾多次發生過因發電機自動關機所誘發的數據中心癱瘓的嚴重事故。2)為了節能降耗，電力局會對用戶執行如下的收費獎懲措施：當用戶的用電設備因故向市電電網饋送電容性無功功率時,會被罰款。相比之下，對于向市電電網饋送電感性無功功率的用戶而言,當它的電感性輸入PF>0.95時,就可享受到優惠電價待遇。這樣一來，對于因故處于輕載運行的傳統高頻UPS而言，可能會遇到罰款問題。反之，對于選用輸入PF為電感性的增強型高頻機UPS而言，則可通過執行同電容無功補償柜之間的協調操作，將電網的電感性輸入PF調到0.98～0.99,從而獲得電費優惠的待遇。

(4)同傳統高頻塔式機UPS/模塊化UPS相比, 采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻的技術優勢何在？

如圖2(b)(c)(d)所示，同傳統高頻塔式機UPS相比, 對于采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻機UPS而言，由于它采用了與模塊化UPS類似設計方案(由便于執行插拔操作的功率模塊,靜態開關模塊,靜態旁路模塊和顯示與控制模塊等四大部件組成)，必然會獲得易組裝、易維護、易執行故障定位操作的技術優勢。

眾所周知，對于模塊化UPS而言, 一旦它的某個功能模塊因故被損壞時，就必須用另一個新的功能模塊去更換掉受損的功能模塊 →淘汰整個受損的模塊，相當浪費。然而,對于采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻機UPS而言，一旦它的某個功能模塊因故被損壞時，僅需對受損的模塊中的相關的受損元器件執行更換操作即可，能大幅度降低用戶的后期運維成本。

綜上所述: 對于采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻機UPS而言，它同時具有模塊化UPS對受損功能模塊執行快速更換操作以及塔式機UPS更低的后期維修成本的兩大技術優勢。

(5)當UPS供電系統因故進入110%過載狀態時，同傳統高頻塔式機UPS/模塊化UPS只可運行30～60min相比, 增強型高頻塔式機UPS具有可允許長期運行更強的過載能力，有利大幅度提高N+1UPS 并機系統運行的可靠性。