模块化UPS系统的优劣势分析

赵广超，王哲坤，耿琳盈，汪璟晔（63886部队，河南 洛阳471003）

0 引 言

目前，通信行业一直沿用传统的供电模式，即传统UPS＋柴油发电机。但随着通信行业的飞速发展，交流用电设备越来越多，设备功耗越来越大，供电的可靠性要求也越来越高，这种传统供电模式在可靠性、安全性及能耗等方面的问题越来越多，尤其是传统大功率UPS（通常指容量在30 kVA以上的UPS）可靠性低、建设成本高、维护难度大、供电效率低、电流谐波大等局限性逐渐凸显。业界在努力提升传统UPS供电质量的同时，也在不断探索能够替代传统大功率UPS供电的新技术，其中，模块化UPS是当前主流技术之一。

1 模块化UPS

1．1 设计理念

模块化UPS是对功率变换主回路进行模块化设计，并采用了分散控制理论及非固定主从的同步控制技术［1］。该技术主要借鉴了通信高频开关电源的设计思路，同时也是对传统UPS的一种创新。

1．2 和传统UPS的区别

模块化UPS实质上是集成的N＋1冗余并机系统与模块化体系结构的融合［2］。系统模块化设计是系统可修复和可快速修复的根本条件，而冗余配置则是提高系统可靠性的最有效的措施。模块化的UPS就是把模块化快速插拔修复技术和冗余容错技术同时应用到一台UPS中，冗余容错功能和热插拔修复技术是模块化UPS的两个根本特征。如图1给出了UPS单机、UPS冗余并机和模块化UPS体系结构的区别。

图1 模块化UPS与传统UPS的区别

2 通信电源设备的有效使用年限

2．1 优势分析

2．1．1 电流谐波方面的优势

谐波会对电网及供电系统产生谐波干扰，造成设备故障、发热、寿命降低等后果。目前，传统大功率UPS多采用可控硅的整流方式，会产生大量的电流谐波，虽然通过增加整流脉冲次数可以降低谐波电流，但同时也增加了成本、设备重量和体积，并降低了整机效率，且不能从根本上解决谐波问题，同时，为治理谐波而增加的滤波设备，也为UPS系统引入了新的故障点。

模块化UPS采用了有源功率因数校正技术（PFC），降低了输入电流谐波，加强了设备抗电磁干扰的能力，提高了设备的整机效率。

2．1．2 系统供电效率方面的优势

传统UPS供电系统能量利用率低的主要原因有：需要经过整流和逆变两次变换，使得其本身效率低下；冗余配置使其工作在较低的负载率区间；本身产生的谐波电流会在供电回路上造成损耗及滤波设备自身的损耗。

模块化UPS采用高频软开关技术，减少器件开关损耗，提高了整机效率；按需配置UPS模块，系统工作在最佳负载率区间，提高工作效率；采用PFC功率因数校正技术，谐波电流小，发热损耗小。

2．1．3 可热插拔快速修复的技术优势

模块化UPS支持热插拔技术，相比传统UPS，具有明显的技术优势：对关键设备的故障修复时间是单机冗余系统的1／8～1／10［1］；减少人为错误、减低维护难度，提高安装、调试和维护的质量；模块化的无工具安装，提高部署速度，可将系统安装时间缩短到单机冗余系统的1／10～1／15［1］；可按需要扩展系统容量，有效地提高系统的扩展能力；降低设备和备件成本，明显地提高设备工作效率；简化设计、安装流程，减少非设备成本。

2．1．4 可靠性方面的优势

目前，随着企业对可靠性和可用性的要求越来越高，机房或数据中心配置多采用冗余技术供电。其中，绝大多数机房或数据中心的实际负载要小于设计额定负载的70%，甚至只有50%，或30%［2］，在这种情况下，模块化UPS在可靠性方面的优势就凸现出来。

1＋1单机冗余并机系统在运行中只允许一台发生故障，两台同时故障时系统就宕机，这与负载量大小没有关系；而对于模块化UPS系统，其冗余度会随着负载量的降低而增加，从而使其可靠性随着冗余度的增加而增加。以模块化4＋1冗余UPS并机系统为例，其在100%负载时允许一台功率模块发生故障，但随着负载量的降低，可靠性也会随之增加。假定单机（模块）的年度可靠度为R＝0．99，可计算出1＋1冗余并机与模块化4＋1冗余并机的区别，以及负载量对可靠度的影响，如表1所示。其中，单机（模块）的故障情况服从二项分布（N＋1，0．01），可计算出可靠度R（t）＝1－P｛X＝i｝；i为宕机时故障单机（模块）的最小数目。

表1 模块化UPS和传统UPS冗余度和可靠度对比

通过分析表1可得如下两点结论：

（1）由单机1＋1组成的冗余系统，不管系统实际负载量是多少，系统都是1＋1冗余，只允许一台故障，当单机可靠度为0．99时，系统可靠度是0．9999；

（2）模块化4＋1冗余系统，系统的冗余度随负载的降低而增加。如果单个模块的可靠度为0．99，当系统实际负载等于系统设计额定负载量时，系统的可靠度为0．999，低于单机1＋1组成冗余系统；但是当系统实际负载等于系统设计额定负载量的75%时，则4＋1冗余系统变成了3＋2冗余系统，系统的可靠度高达0．99999，当系统的实际负载等于系统设计额定负载量的50%时，4＋1冗余系统变成了2＋3系统，可靠度再次提高到0．99999995。

2．1．5 可用性方面的优势

可用性是衡量系统提供持续服务的能力，是系统的运行时间与系统运行时间和系统停机时间之和的比值。与单机1＋1冗余并机系统相比，模块化UPS在可用性方面的优势主要有以下两点原因：

（1）模块化UPS的模块故障可由维护人员热插拔修复，使故障修复时间MTTR降到0．5 h，甚至更少；而单机UPS故障时间则为8 h（统计值）。模块化设计使其故障处理和修复时间大幅度减少；

（2）当实际负载低于设计额定负载时，模块化UPS的可用性因冗余度增加而增大。

假定：单机 UPS的 MTBF（Mean Time Between Failure）＝10万小时，MTTR（Means Time To Repair）＝8小时；模块化UPS功率模块的 MTBF＝10万小时；MTTR＝0．5小时；则UPS单机的可用性A＝MTBF／（MTBF＋MTTR）＝0．9999；1＋1单机冗余并机的可用性A1＋1＝0．99999999；模块化 UPS单个功率模块的可用性A＝MTBF／（MTBF＋MTTR）＝0．999995。表2是两者之间的对比关系。

表2 模块化UPS和传统UPS冗余度和可用性对比

通过表2可得出如下结论：模块化UPS的可用性比1＋1单机冗余并机可用性高。

2．1．6 建设及运维成本方面的优势

模块化UPS采用模块化技术，可根据初期功耗配置UPS模块，且不用配置滤波设备、选配输出隔离变压器，降低了建设初期成本；

模块化UPS系统的高度集成，省去了现场安装、连线、调试等工作，简化了安装流程，减低了非设备资本成本，同时提高了管理维护水平，降低了运行维护成本；

模块化UPS的可热插拔快速修复优势，大大缩短了系统的故障修复时间和运行维护成本；

模块化UPS的高频化设计使设备具有更高的功率密度、更小的体积和更轻的重量，降低了安装物理空间及承重要求。

2．2 存在的局限性

2．2．1 功率限制

由于模块化UPS采用PFC技术，IGBT电流、电压应力相对于传统UPS的可控硅较低［1］，因此单个模块的功率受到限制；同时模块化UPS复杂的模块并机控制致使其在并机模块的数量上受到限制。上述两个限制造成同等条件下，模块化UPS整机功率不如传统的塔式机。

2．2．2 可靠性提升方面

在可靠性方面，模块化UPS的可靠性较传统UPS有较大幅度的提高，但由于模块化UPS采用相同的电源变换结构，仍然存在单点故障、结构复杂等问题，使其供电可靠性并没有得到质的改变。另外，由于IGBT整流通常采用升压模式，直流母线电压较高，蓄电池需通过电压变换器（蓄电池充电时降压，放电时升压）与直流母线连接，增加了电池充放电回路的故障点［1］。

2．2．3 系统效率提升方面

模块化UPS采用了高频整流技术，使得其系统效率较传统UPS有较大提升，但由于模块化UPS仍然需要经过整流及逆变两次变换，同时模块之间也会产生系统环流，使得其效率提升受到限制。

2．2．4 建设成本方面

目前模块化UPS单位成本仍然高于传统UPS，主要原因是目前仅有部分厂商掌握模块化UPS的核心生产技术，其应用范围还比较小，尚未大规模生产。

3 模块化UPS与传统UPS的对比分析

3．1 模块化UPS与传统UPS的对比分析

表3从技术性能、建设维护两个方面进行了对比分析：（1）从技术性能上来看，模块化UPS采用高频化和模块化设计，在系统的可靠性、效率、功率密度等方面均优于传统UPS；（2）从建设维护上来看，模块化UPS各项指标也均优于传统UPS，目前处于试点期。

表3 模块化UPS和传统UPS的对比分析

3．2 模块化UPS的应用建议

目前，传统UPS应用广泛，模块化UPS还处于试点期，但模块化UPS的技术优势使其成为交流不间断供电的发展方向。下面是模块化UPS的几点应用建议［1］：

（1）受电设备比较老旧的原UPS供电系统的改造，和后端配电情况复杂，难以理清的原UPS系统的改造，适合采用模块化UPS；

（2）对于接入层机房等机房等级程度不高的机房，如需采用交流不间断电源供电时，适合采用模块化UPS；对于托管机房，在客户对高压直流认可度不高，或无相关协议支持时，建议选用模块化UPS供电；

（3）当设备负荷较大时（＞200 kVA），应谨慎采用模块化UPS。

4 结束语

各个行业的快速发展对用电设备的供电质量提出了更高的要求，模块化UPS的出现，是对传统交流不间断供电技术的一种探索和创新，一定程度上满足了当前业界对大功率交流不间断供电的需求。本文通过论述传统UPS和模块化UPS的区别、分析模块化UPS的优劣势、对比传统UPS和模块化UPS两种通信设备交流供电系统，认为模块化的UPS较传统的UPS供电具有一定的优越性，是通信交流设备不间断供电的重要发展方向。

［1］ 宫俊峰．通信交流设备不间断供电的比较［J］．通信电源技术，2012，5：78－80．

［2］ 李 南．高智能容错UPS的系统优势论证［J］．中达电通，2012，4：23－25．