模塊化 UPS 設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)勢

在多數(shù)發(fā)達(dá)國家中，公共配電系統(tǒng)已然相當(dāng)可靠，但有研究表明，即使是最完美的市電網(wǎng)絡(luò)也不可能完全滿足那些不間斷的重要數(shù)據(jù)處理運(yùn)營中心的需求。面對市電電源有可能引起停機(jī)及數(shù)據(jù)處理錯誤這一情況，大多數(shù)公司都選擇在公共配電系統(tǒng)與其關(guān)鍵負(fù)載之間安裝不間斷電源(UPS)系統(tǒng)。為應(yīng)用環(huán)境選擇何種UPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置方案會直接影響到該應(yīng)用環(huán)境中的IT 設(shè)備的可用性。影響系統(tǒng)可用性的因素有多種，包括人為錯誤、設(shè)備的可靠性、維護(hù)水平以及恢復(fù)時間等等。而以上每種因素對整個系統(tǒng)的可用性所造成的影響，在很大程度上是由所選擇的配置方案決定的。

長久以來，很多設(shè)計(jì)工程師都試圖設(shè)計(jì)出完美無瑕的 UPS 解決方案為關(guān)鍵負(fù)載提供支持，不過他們的設(shè)計(jì)方案卻往往不一定達(dá)到設(shè)計(jì)方案的可用性范圍。譬如，并聯(lián)冗余、串聯(lián)冗余、分布式冗余、熱連接、熱同步、多路并聯(lián)總線、雙系統(tǒng)以及故障預(yù)警系統(tǒng)等等，這些都是設(shè)計(jì)工程師或制造商賦予不同UPS 配置方案的名稱。這些名稱的問題在于，對于不同的用戶，它們可能具有不同的含義，可以存在很多種解釋方式。雖然目前市場上的 UPS 配置名目繁多且差別甚大，但最常用的不外乎五種。這 五種方案包括：(1) 容量，(2) 串聯(lián)冗余，(3) 并聯(lián)冗余，(4) 分布式冗余，(5) 雙總線系統(tǒng)。

模塊化 UPS 設(shè)計(jì)方案

由于傳統(tǒng)UPS 設(shè)計(jì)的局限性及設(shè)備本身的一些問題，如今一種機(jī)架式的模塊化UPS 正在悄悄地引起一種革命性的變革，它的引入必將引起不間斷電源新的革命。模塊化UPS 目前比較有代表性的結(jié)構(gòu)有兩類：一類是功率模塊化UPS，另一類是完全模塊化UPS.功率模塊化UPS 由機(jī)架加功率模塊構(gòu)成，功率模塊中包括傳統(tǒng)UPS 的整流、濾波、充電、逆變器等部分，但靜態(tài)旁通與系統(tǒng)的部分監(jiān)控和顯示共用一個機(jī)架，各模塊獨(dú)立控制并聯(lián)運(yùn)行，機(jī)架上的顯示控制模塊僅作為用戶開關(guān)UPS 主機(jī)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控平臺。完全模塊化UPS 由機(jī)架加單體模塊構(gòu)成，每個單體模塊內(nèi)部都裝有整個UPS 電源與控制電路，包括整流器、逆變器、靜態(tài)旁路開關(guān)及附屬的控制電路、CPU 主控板，每個UPS 模塊均有獨(dú)立的管理顯示屏。

我們同樣以前面的案例為依據(jù)，假設(shè)采用完全模塊化UPS 設(shè)備，配置方案如下：根據(jù)近期的負(fù)荷，結(jié)合遠(yuǎn)期發(fā)展需求，UPS 系統(tǒng)同樣按雙母線配置方式考慮，可配置2 套UPS 設(shè)備，每架只需配置2 個UPS 模塊(每塊50kVA)即可滿足本期需求，采用1+1 冗余方式配置，主用1 個模塊，冗余1 個模塊，若其中的一個模塊發(fā)生故障，它將自動脫離系統(tǒng)，由其它模塊繼續(xù)給負(fù)載供電，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行;2 套模塊化UPS 系統(tǒng)采用雙母線供電工作方式，主設(shè)備交流配電屏分別從2 套UPS 輸出屏各引接1 路，當(dāng)1 套UPS 故障時，由另1 套UPS 承擔(dān)全部負(fù)載供電，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

- UPS電源的設(shè)計(jì)探討

兩種 UPS 設(shè)備的比較

對以上兩種設(shè)計(jì)方案所配置的UPS 設(shè)備，可以從以下幾個方面進(jìn)行比較。

(1) 設(shè)備安裝及機(jī)房占地面積。

其一，模塊化UPS 采用先進(jìn)高頻技術(shù)，提高了功率密度，縮小了UPS 模塊的體積，其模塊本身就是一臺UPS，UPS 模塊安裝于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架中，相對于傳統(tǒng)UPS節(jié)省了占地面積與空間，便于安裝與維護(hù)。

其二，模塊化UPS 采用先進(jìn)的整流技術(shù)具有強(qiáng)抗干擾能力及較低的諧波失真度，一般正弦波輸入電流的總諧波失真度(THD)《5%，因而可以不必像傳統(tǒng)UPS配置濾波設(shè)備，減少了機(jī)柜數(shù)量。

我們同樣以前面的案例為依據(jù)，采用傳統(tǒng)UPS 設(shè)備占地面積約為13 平方米。

采用模塊化UPS 占地面積約為5 平方米。

(2)建設(shè)投資。

在供電系統(tǒng)建設(shè)初期，傳統(tǒng)UPS 設(shè)備無法擴(kuò)容，只能按照設(shè)備遠(yuǎn)期負(fù)荷需求考慮，面對層出不窮新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用，設(shè)備用電需求難以準(zhǔn)確估計(jì)，使得UPS 設(shè)備容量產(chǎn)生過高的估計(jì)，造成采購成本過高。而模塊化UPS 通過可擴(kuò)充的模塊結(jié)構(gòu)有效解決了這一問題，其模塊化結(jié)構(gòu)能夠很方便地安裝和擴(kuò)容，它可以幫助用戶在未來發(fā)展不明確的情況下分階段進(jìn)行建設(shè)和投資。即滿足了后期業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，又降低了用戶的初期建設(shè)成本。

(3)并聯(lián)冗余與可靠性。

在機(jī)架式模塊化UPS 中，功率模塊部分是并聯(lián)冗余的，即功率部分是由許多模塊并聯(lián)在一起并均分負(fù)載，它們不分主從，互不依賴，并且均分負(fù)載。即使有一個功率模塊發(fā)生故障退出，也不影響整個系統(tǒng)工作。采用傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)，為保證安全需采用“1+1”或“N+1”的關(guān)聯(lián)冗余方式，這不僅增加了采購、安裝及維護(hù)成本，而且一般情況下只能容錯一次。而機(jī)架式模塊化UPS 系統(tǒng)，用戶只需購買相應(yīng)的功率模塊，即可實(shí)現(xiàn)“N+X”的故障冗余，容錯率大大提高。

傳統(tǒng)UPS 供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，由于系統(tǒng)過于復(fù)雜，難以準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)，并且受限于維修人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)、備件儲備等客觀原因，造成故障排除時間過長。而且UPS 維修時均采取轉(zhuǎn)旁路的方式，在這種情況下負(fù)載完全不受UPS 保護(hù)，此時如果發(fā)生電源中斷、過載等故障，將會造成嚴(yán)重的問題。而機(jī)架式模塊化UPS 可以有效解決這些問題，因?yàn)槠渌械哪K都是熱插撥，熱插撥技術(shù)可以允許單體功率模塊在不需停電的前提下任意進(jìn)入或退出UPS 系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)無需專業(yè)技術(shù)人員到場，無需專門的儀器即可進(jìn)行系統(tǒng)在線維修。

(4)節(jié)能與環(huán)保。

綠色環(huán)保已經(jīng)成為社會各行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的必要趨勢。隨著各種政策的出臺，要求無污染的綠色電源設(shè)備已成為必然發(fā)展趨勢，以前各種用電設(shè)備及電源裝置產(chǎn)生的諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng)，模塊化UPS 采用電子式調(diào)整技術(shù)使輸入諧波失真低于5%，整流器使用IGBT 技術(shù)，可將輸入功率因數(shù)提高到0.99 接近于1，從而大大降低對電網(wǎng)的污染程度。

節(jié)能減排在當(dāng)今已成為基本國策，節(jié)約能源已成為企業(yè)發(fā)展和競爭的需要。

節(jié)電也是節(jié)能的一種體現(xiàn)，模塊化UPS 相比傳統(tǒng)UPS 設(shè)備在節(jié)電方面顯得更為突出。

我們可通過年節(jié)電費(fèi)用做一比較，下面我們根據(jù)設(shè)計(jì)滿載情況來比較，同樣以上面的案例為依據(jù)，傳統(tǒng)UPS 和模塊化UPS 的輸出功率都為250kVA 即200kW，傳統(tǒng)UPS 的輸入功率因數(shù)為0.9，效率為80%.模塊化UPS 的輸入功率因數(shù)為0.99，效率為95%.通過計(jì)算，可得出UPS 的輸入功率(輸出功率/效率)。傳統(tǒng)UPS 輸入功率=200/80%=250 kW，模塊化UPS 輸入功率=200/95%=210 kW.這樣就可計(jì)算出UPS 的熱損耗(輸入功率-輸出功率)：傳統(tǒng)UPS 熱損耗=250-200=50 kW，模塊化UPS 熱損耗=210-200=10 kW.

假設(shè)每度電按0.8 元計(jì)算，模塊化UPS 相對傳統(tǒng)UPS 每年可節(jié)電：

40*8760*0.8=28 萬元。

以上是按滿載情況比較得出每年節(jié)電28 萬元，如果以初建時負(fù)載率特別低的實(shí)際情況比較，節(jié)電效果將會更加明顯。

4、結(jié)論

模塊化UPS 相對于傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)而言，具有高可用性、高適應(yīng)性、高可管理性的特點(diǎn)，在便于設(shè)備安裝、節(jié)省占地空間、減少初期建設(shè)投資、方便維修、節(jié)能減排等各個方面都有明顯的優(yōu)勢。因此，模塊化UPS 設(shè)備將成為新一代的UPS，將會被越來越多的企業(yè)用戶所選擇。