近年来,随着大数据、云计算等技术的快速发展,传统的数据中心也迎来了一个飞速变革的时期。作为数据中心供配电系统的重要组成部分,UPS也开始发生变化。可靠、高效、易用、易维护成为越来越多UPS厂家关注的重点。那么从UPS诞生至今,共经过了哪些变化?是什么引起了这些变化?现在市场上主流产品有哪些?文中将对这几个问题进行解答。
1 UPS分类方法
UPS的分类方法很多,按储能方式大致可分为动态UPS和静态UPS,动态UPS和静态UPS又可以细分为后备式、在线互动式、在线双转换式等;从技术上又有工频和高频之分,高频机中又细分为塔式高频机和模块化高频机。
(1)动态UPS分类
动态UPS是通过旋转部件释放动能,其典型代表是飞轮UPS。飞轮UPS在市场上的应用主要有如下几种:
①在线双变换式飞轮UPS
该结构使用飞轮代替了电池进行储能,需要搭配传统UPS,因此应用比较局限。图1给出了在线双变换式飞轮UPS的组成。
②旋转在线式飞轮UPS
图2为旋转在线式飞轮UPS的组成。该解决方案替代传统UPS。
耦合扼流圈主要功能是实现电能转换、补偿和滤波。核心部件是M/G电动-发电机,市电正常时作为电动机带动飞轮(给飞轮充电),市电异常时飞轮放电,作为发电机,完全是机械式取代电力子变换,没有电力电子变换的精确控制,电网适应性和逆变出的电能质量会变差。
③在线互动式飞轮UPS
该方案替代传统UPS+电池方案。图3为在线互动式飞轮UPS的组成。其工作原理同在线互动式UPS,类似一个有源滤波器,可实现简单的滤波和稳压功能,拓扑简单,效率较高。但是电网适应性和输出性能指标明显偏差。
④三种动态UPS抗电网干扰能力对比
以上是三种比较典型的动态UPS,表1对这三种动态UPS抗电网干扰能力做一个简单的对比。
从表1可以看出,在线双变换式飞轮UPS是抗干扰能力最强的,但是这种飞轮UPS必须搭配传统UPS进行使用,应用比较局限,目前国内应用最多的是在线互动式飞轮UPS。
(2)静态UPS分类
静态UPS以电池为储能工具。从工作原理分类来说,常见的静态UPS主要有后备式、在线互动式、Delta变换式以及在线双变换式四种。
①后备式UPS
后备式UPS只有在供电异常时才启动逆变器,正常供电时,无法对市电电网问题进行调节,供电质量相对较差,但其效率较高。
该架构多用于容量小于3kVA的UPS,结构简单,一般备电时间在10min左右,通常是方波输出,主要应用场景是PC机等。图4为后备式UPS的原理图。
②互动式UPS
互动式UPS相比后备式而言,增加了稳压环节,供电质量好于后备式UPS。其成本低、电路比较简单,但是无法消除输入失真和干扰。并且切换时有转换时间。该架构应用于功率容量5kVA以下的小容量UPS,通常是方波输出或模拟正弦波输出。多用于对PC或办公设备提供保护。图5为在线互动式UPS的原理图。
③Delta变换式UPS
Delta变换式UPS的核心为Delta变换器和主变换器。图6为Delta变换式UPS的原理图。
Delta变换器的作用是:控制输入电流,是一个高阻正弦波电流源;控制电流充电;补偿输入电压,保证输出电压稳定不变;控制调整输入功率因数。
主变换器的作用是:控制并稳定输出电压,是一个低内阻正弦波电压源;给电池充电;市电掉电时,向负载供电;市电正常时,补偿负载电流中的无功和谐波成分。
从Delta变换器和主变换器的作用可以看出,Delta变换式UPS对输入调节能力更强,当然,结构也比在线互动式复杂。该架构应用于功率容量20～200kVA的UPS,输出为正弦波。
④在线双变换式UPS
在线双变换式UPS能为负载提供很完美的保护,可以滤除电网中几乎所有的干扰和谐波,缺点是架构复杂,一般成本较高。该架构应用于功率容量为1～1200kVA的UPS;与以上几个架构对比,其可靠性最高。目前80%的UPS均采用该架构,输出为标准正弦波,主要对IT负载或其它行业重要负载提供保护。图7为在线双变换式UPS的原理图。