开发更加可靠、高效的高频机UPS的创新之路

李成章

(维谛技术有限公司，北京 100027)

1 提高高频机UPS的效率和可靠性的发展历程

近年来，由于云计算、大数据技术、5G以及互联网+等市场需求的爆发式增长，在数据中心供电系统中越来越多地选用高频机UPS产品，因其是同工频机UPS产品相比，具有效率更高、占地面积更小、重量更轻和价格更低等技术优势。

基于国家对新建数据中心PUE要求越来越低的客观需求(注：PUE要求从十二五的应<1.5降低到十四五的<1.3)，提高UPS效率已变成各生产厂家和用户的主要关注重点。在此背景下，近几年内高频机UPS效率的提升速率更是被显著加快。

近年来，因逆变器脉宽调制技术的不断创新所带来的高频机的效率 vs.带载率的运行特性的不断改善趋势以及其技术参数的对比分析被分别示于表1中。

需要说明的是：在2020年,已有逆变效率高达97.5%的新产品可供用户选用。

高频机UPS的效率 vs.带载率运行特性的不断改善的对比分析表 表1

2 为提高高频机UPS可靠性，配置抗瞬态过压保护部件的必要性

众所周知,为确保UPS能安全可靠地运行，应对其输入电压的变化范围设置必要的保护阀值。如图1所示,对于高频机UPS而言，其所允许的稳态输入电压保护阀值为380V的-36% ～+20%。-36%是为防止出现电池放电而设置的欠压输入保护值，+20%是为防止出现输出闪断/输出停电、电容爆炸、电池放电等故障隐患所设置的过压输入保护值。

图1 UPS运行工况

通过长期对传统高频机UPS故障历史记录的分析发现：传统高频机UPS，的确能对缓慢变化型输入稳态过压故障提供可靠的输入过压保护，然而在其运行中,对于因10kV市电闪断/停电、大容量ATS输入开关执行切换操作、多次利用UPS的输入开关执行开通和关断操作来激活电池组的操作、邻近高能耗用户突然执行拉闸等操作时，就可能诱发出持续时间仅20ms左右的输入瞬态过压故障。利用存储示波器在用户的UPS运行现场或专门搭建的故障模拟检测平台对高频机UPS的输入电压所执行的瞬态捕捉波形显示：对于传统高频机UPS而言，在其运行中，如果因故遇到上述的输入瞬态过压故障时，它的整流器几乎都将会丧失掉输入过压保护功能。此时，因输入瞬态过压的串入就会致使UPS整流器输出直流母线电压急剧增高，从而导致高频机UPS出现如图1(a)所示的种种故障现象。

(1) 当因输入瞬态过压所诱发的整流器的输出电压处于V整流关机< V整流输出

(2) 当因输入瞬态过压所诱发的整流器的输出电压处于 V整流输出≥V逆变关机时，UPS就会出现输出闪断/输出停电,电容爆炸等事故。

下面将以图1(b)所示的检测结果来说明UPS输出闪断是如何发生的。 当ATS输入开关从断开切换到闭合的瞬间，由于输入瞬态过压的串入→整流器的输出母线电压从正常值急剧上升到919V DC>逆变器的输入过压保护值900V DC→ UPS出现逆变器自动关机故障+交流旁路输入过压故障同时出现的现象→UPS输出闪断→服务器宕机。

鉴于此，为提高传统高频机UPS的可靠性,有必要在其输入端配置抗瞬态过压保护部件。为方便描述，本文将未配置抗瞬态过压保护部件+输入PF为电容性的高频机/模块化UPS称为传统高频机UPS；将配置有抗瞬态过压保护部件+输入PF为电感性的高频机UPS称为增强型高频机UPS。

3 增强型高频机UPS的创新性技术优势(200～1 200kVA)

图2 采用可拆卸式的模块化设计方案的增强型高频塔式机UPS的结构图

为消除传统高频机/模块化UPS的抗瞬态输入过压保护能力较差及发电机带电容性负载能力相当差的技术缺陷，笔者所在单位开发出更加可靠和高效的增强型高频机UPS(图2)，其创新性技术优势可归纳如下。

同传统高频塔式机UPS/模块化相比，对于采用可拆卸式的模块化设计方案+无内部环流+配置抗瞬态输入过压保护部件+优选电感性输入PF +无公用电池组不均流充电隐患+优化高效风冷通道等设计方案所制备的增强型高频机UPS而言，它在确保逆变供电效率≥97%和输出PF=1的前提下，不仅能大幅度地提高UPS单机的可靠性且能大幅度缩短维修时间(功能模块的更换时间仅几分钟)。由此所带来的好处是：它同时具有增强型高频机UPS更高的可靠性, 模块化UPS更短的受损功能模块更换操作时间以及高频塔式机UPS更低的维修成本等综合性技术优势，从而为用户提供MW级高可用性的UPS供电系统奠定下坚实的技术基础。

(1) 同存在内部环流+输出电流不均流隐患的传统高频塔式机和模块化UPS相比，采用无内部环流/极低内部环流隐患的设计方案, 有利于提高UPS的可靠性。

同内含3～4个功率模块的传统高频机UPS和内含10～12个功率模块的模块化UPS相比, 对于输出功率=200～500kVA 增强型UPS而言，采用单机、单功率模块的设计方案，能彻底消除传统高频机/模块化UPS因存在内部环流和输出不均流所诱发的故障发生几率。对于输出功率=600～1 200kVA 增强型UPS而言，采用单机、双整流-逆变功率模块的设计方案，能大幅度地降低传统高频机/模块化UPS因存在内部环流和输出不均流所诱发的故障发生几率。

(2) 如上所述，对于传统高频机UPS/模块化UPS而言，在其运行中，当因故遇到10kV市电闪断/停电等事故时，会在这种UPS的输入端诱发出持续时间为20ms 左右的瞬态输入过压。在此条件下，极易致使传统高频机UPS/模块化UPS发生输出闪断/停电,炸机，电容爆炸以及电池异常放电等事故。为消除此类故障隐患，在增强型高频机UPS的输入端，增配抗瞬态输入过压保护部件，能消除掉因瞬态输入过压所诱发的种种故障隐患。它的可靠性已非常接近传统工频机UPS的同等可靠性水平。近5～6年的运行统计资料显示: 它从未出现过影响用户设备安全运行的事故。

(3)同输入功率因数(PF)为电容性的传统高频塔式机和模块化UPS相比, 对于输入PF为电感性的增强型髙频机UPS而言, 由于它具有同12脉冲+11th滤波工频机UPS几乎相同的输入PF和输入THDI vs. 带载率的运行特性。由此所带来优势有：1)有利于消除/减少发电机因带电容性负载所可能诱发的发电机自动关机隐患以及降低发电机与UPS之间的容量匹比，有利于降低发电机供电系统的TCO。在此需说明的是，在发电机带载的条件下，当输入PF为电容性的传统UPS处于逆变供电状态时，故障率还是较低的。然而，当这种UPS因故转入交流旁路供电状态时，则会发生故障率急增的现象。近年来，在大型数据中心的运行中，曾多次发生过因发电机自动关机所诱发的数据中心瘫痪的严重事故。2)为了节能降耗，电力局会对用户执行如下的收费奖惩措施：当用户的用电设备因故向市电电网馈送电容性无功功率时,会被罚款。相比之下，对于向市电电网馈送电感性无功功率的用户而言,当它的电感性输入PF>0.95时,就可享受到优惠电价待遇。这样一来，对于因故处于轻载运行的传统高频UPS而言，可能会遇到罚款问题。反之，对于选用输入PF为电感性的增强型高频机UPS而言，则可通过执行同电容无功补偿柜之间的协调操作，将电网的电感性输入PF调到0.98～0.99,从而获得电费优惠的待遇。

(4)同传统高频塔式机UPS/模块化UPS相比, 采用可拆卸式的模块化设计方案的增强型高频的技术优势何在？

如图2(b)(c)(d)所示，同传统高频塔式机UPS相比, 对于采用可拆卸式的模块化设计方案的增强型高频机UPS而言，由于它采用了与模块化UPS类似设计方案(由便于执行插拔操作的功率模块,静态开关模块,静态旁路模块和显示与控制模块等四大部件组成)，必然会获得易组装、易维护、易执行故障定位操作的技术优势。

众所周知，对于模块化UPS而言, 一旦它的某个功能模块因故被损坏时，就必须用另一个新的功能模块去更换掉受损的功能模块 →淘汰整个受损的模块，相当浪费。然而,对于采用可拆卸式的模块化设计方案的增强型高频机UPS而言，一旦它的某个功能模块因故被损坏时，仅需对受损的模块中的相关的受损元器件执行更换操作即可，能大幅度降低用户的后期运维成本。

综上所述: 对于采用可拆卸式的模块化设计方案的增强型高频机UPS而言，它同时具有模块化UPS对受损功能模块执行快速更换操作以及塔式机UPS更低的后期维修成本的两大技术优势。

(5)当UPS供电系统因故进入110%过载状态时，同传统高频塔式机UPS/模块化UPS只可运行30～60min相比, 增强型高频塔式机UPS具有可允许长期运行更强的过载能力，有利大幅度提高N+1UPS 并机系统运行的可靠性。