在線互動(dòng)式 UPS的設(shè)計(jì)方案詳解

系統(tǒng)用途

交流電在發(fā)電時(shí)是穩(wěn)定且純凈的。然而，在輸電和配電過程中，交流電容易發(fā)生電壓驟降、尖峰和斷電等情況，可能會(huì)擾亂計(jì)算機(jī)運(yùn)行，造成數(shù)據(jù)丟失和設(shè)備損壞。

不間斷電源可保護(hù)所連接設(shè)備免受電源問題的影響，并在停電期間提供備用電池。此外，不間斷電源還可以防止昂貴設(shè)備遭受損壞、數(shù)據(jù)丟失和停機(jī)。根據(jù)類型的不同，不間斷電源還能針對(duì)異常電壓提供保護(hù)。對(duì)任何 UPS 而言，輸出容量都是一個(gè)非常重要的屬性。輸出容量是所連接負(fù)載可以從 UPS 系統(tǒng)獲得的最大功率，用 VA(伏安)表示。

目前，UPS 系統(tǒng)有三種類型：在線式、離線式和在線互動(dòng)式。它們各有優(yōu)點(diǎn)，并且各自都有更合適的應(yīng)用。

在線式 UPS

在線式 UPS 在提供高可靠性和電源保護(hù)方面表現(xiàn)出色，旨在為所連接的負(fù)載提供持續(xù)的電力。它的顯著特點(diǎn)是雙電源轉(zhuǎn)換級(jí)，能確保盡可能高的可靠性，同時(shí)對(duì)電源轉(zhuǎn)換效率提出了極高的要求。負(fù)載始終連接到 UPS 的逆變器，從而消除了開關(guān)延遲。

得益于功率因數(shù)校正級(jí)，輸出功率與輸入功率同相，整體效率得以提高。其電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與雙向充電器相結(jié)合，可以在交流輸入中斷時(shí)提供連續(xù)、無縫的電力供應(yīng)。在線式 UPS 最昂貴，但可以有效處理各種電源問題，并提供最高質(zhì)量的輸出。這使其成為了高靈敏度設(shè)備、數(shù)據(jù)中心和其他關(guān)鍵設(shè)備的理想選擇。

由于在線式 UPS 是最復(fù)雜和最受青睞的方案，因此 UPS 系統(tǒng)的研究和創(chuàng)新往往更多地集中于在線式 UPS，不僅涉及硬件，也涉及軟件。盡管這是一種強(qiáng)調(diào)可靠性的應(yīng)用，但與電動(dòng)汽車等應(yīng)用相比，其發(fā)展速度相對(duì)較慢。不過，隨著對(duì)綠色能源的需求不斷增長，以及人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的不斷發(fā)展，我們可以期待未來會(huì)有更多新技術(shù)和材料應(yīng)用于該領(lǐng)域，例如 SiC、GaN 等。

離線式 UPS

離線式 UPS(也稱待機(jī)式 UPS)是讓負(fù)載直接連接并由輸入電源供電，只有當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)才激活備用電源。切換到電池供電時(shí)總會(huì)出現(xiàn)短暫的中斷(幾十毫秒)。其成本最低，并且不提供額外的安全功能?？紤]到切換中的延遲可能引發(fā)潛在安全問題，這使得離線式 UPS 不太適合用于保護(hù)工業(yè)設(shè)施。離線式 UPS 最常用于家庭和小型辦公環(huán)境，在這些環(huán)境中，所需的備用電源相對(duì)較小，要求也沒那么嚴(yán)格。

在線互動(dòng)式 UPS

在線互動(dòng)式 UPS 與離線 UPS 類似，但它額外配備了有源電壓調(diào)節(jié)器。它通過提高或降低電壓來調(diào)節(jié)和補(bǔ)償交流輸出，從而為負(fù)載提供更穩(wěn)定的輸出電壓。在線互動(dòng)式 UPS 可以充當(dāng)電壓優(yōu)化器，并有助于延長電池壽命，因?yàn)槠浼せ铑l率較低。使用在線互動(dòng)式 UPS 時(shí)，輸入電源的問題在一定程度上得到解決，不像離線式 UPS 在出現(xiàn)異常輸入情況時(shí)必須切換到電池模式。在線互動(dòng)式 UPS 可用于中小型企業(yè)以及主電源電壓和質(zhì)量不太可靠的場(chǎng)所。

市場(chǎng)信息和趨勢(shì)

蓬勃發(fā)展的全球市場(chǎng)

基于多方面因素的考量，UPS 市場(chǎng)的前景十分樂觀。預(yù)計(jì)到 2029 年，UPS 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 143 億美元，復(fù)合年增長率 (CAGR) 為 4.05%。隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)，各行各業(yè)都離不開可靠、穩(wěn)定的電力供應(yīng)，對(duì)電力供應(yīng)的需求一直在持續(xù)增長。物聯(lián)網(wǎng)、智能建筑和數(shù)據(jù)中心都在不斷增多，再加上快速發(fā)展的云計(jì)算行業(yè)，這些共同推動(dòng)了電力供應(yīng)市場(chǎng)的增長。

云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵性應(yīng)用對(duì)電力的效率和穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求。制造業(yè)和醫(yī)療保健等行業(yè)需要全天候運(yùn)營，因此可靠的備用電源必不可少。此外，不斷演變的環(huán)境保護(hù)需求促進(jìn)了能源管理的發(fā)展，提高能源效率和減少排放已成為首要的社會(huì)目標(biāo)。

在線式 UPS 系統(tǒng)普及的最大障礙是其高昂的成本。此外，由于需要更換電池，維護(hù)成本可能也會(huì)增加。UPS 單元的容量有限，因此可能不足以支持高功率應(yīng)用。

電網(wǎng)異常

針對(duì)特定應(yīng)用選擇合適的 UPS 方案時(shí)，重要的是考慮其用途、功率輸出要求和總體預(yù)算。了解電網(wǎng)的質(zhì)量以及可能出現(xiàn)哪些電力異常非常重要。有些功能是必不可少的，但在某些情況下，一些高級(jí)功能可能并不需要。各類型 UPS 的性能特點(diǎn)如表 1 所示。

模塊化 UPS

當(dāng)前對(duì)模塊化 UPS 的需求日益增長。模塊化可提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、冗余性和適應(yīng)性，降低維修成本，節(jié)約空間，并增強(qiáng)故障隔離能力。這些特點(diǎn)使模塊化 UPS 成為各種應(yīng)用的首選，尤其是那些需要可靠靈活的電源方案的應(yīng)用。

更高的功率密度和效率

模塊化設(shè)計(jì)的采用在一定程度上加速了高功率密度產(chǎn)品的開發(fā)。面對(duì)空間有限、輸出容量不斷增加、散熱環(huán)境更加苛刻等挑戰(zhàn)，下一代 UPS 產(chǎn)品需要轉(zhuǎn)向更高功率密度的設(shè)計(jì)。這就需要在提高輸出能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更緊湊的物理尺寸。高開關(guān)頻率仍然是一個(gè)重要考量因素。

不可否認(rèn)的是，提升效率是所有電源轉(zhuǎn)換器的首要發(fā)展方向，特別是在線式 UPS 這類連續(xù)進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品。提升效率可以改善成本效益，同時(shí)也是應(yīng)對(duì)緊迫的可持續(xù)發(fā)展要求的重要途徑。采用更先進(jìn)的電力電子器件和拓?fù)?，可以有效減少能量損耗，特別是在輕載條件下，效率提升尤為顯著。

電池系統(tǒng)

電池和電池管理系統(tǒng)是 UPS 的關(guān)鍵組成部分。UPS 主要使用鉛酸電池和鋰離子 (Li-ion) 電池。鉛酸電池可靠、性價(jià)比高、內(nèi)阻低。另外，鉛酸電池堅(jiān)固耐用，適合不受重量和空間限制的環(huán)境。鋰離子電池在一些方面擁有顯著的優(yōu)勢(shì)，包括更高的功率密度(因而可以更小更輕)和高可靠性(得益于集成的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng))，但成本仍然較高。采用更先進(jìn)、更緊湊的電池技術(shù)，目的是提供更長久的備用電力和更高的能量密度。