開發(fā)更加可靠、高效的高頻機UPS的創(chuàng)新之路

李成章

(維諦技術有限公司，北京 100027)

1 提高高頻機UPS的效率和可靠性的發(fā)展歷程

近年來，由于云計算、大數(shù)據(jù)技術、5G以及互聯(lián)網(wǎng)+等市場需求的爆發(fā)式增長，在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中越來越多地選用高頻機UPS產(chǎn)品，因其是同工頻機UPS產(chǎn)品相比，具有效率更高、占地面積更小、重量更輕和價格更低等技術優(yōu)勢。

基于國家對新建數(shù)據(jù)中心PUE要求越來越低的客觀需求(注：PUE要求從十二五的應<1.5降低到十四五的<1.3)，提高UPS效率已變成各生產(chǎn)廠家和用戶的主要關注重點。在此背景下，近幾年內(nèi)高頻機UPS效率的提升速率更是被顯著加快。

近年來，因逆變器脈寬調(diào)制技術的不斷創(chuàng)新所帶來的高頻機的效率 vs.帶載率的運行特性的不斷改善趨勢以及其技術參數(shù)的對比分析被分別示于表1中。

需要說明的是：在2020年,已有逆變效率高達97.5%的新產(chǎn)品可供用戶選用。

高頻機UPS的效率 vs.帶載率運行特性的不斷改善的對比分析表 表1

2 為提高高頻機UPS可靠性，配置抗瞬態(tài)過壓保護部件的必要性

眾所周知,為確保UPS能安全可靠地運行，應對其輸入電壓的變化范圍設置必要的保護閥值。如圖1所示,對于高頻機UPS而言，其所允許的穩(wěn)態(tài)輸入電壓保護閥值為380V的-36% ～+20%。-36%是為防止出現(xiàn)電池放電而設置的欠壓輸入保護值，+20%是為防止出現(xiàn)輸出閃斷/輸出停電、電容爆炸、電池放電等故障隱患所設置的過壓輸入保護值。

圖1 UPS運行工況

通過長期對傳統(tǒng)高頻機UPS故障歷史記錄的分析發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)高頻機UPS，的確能對緩慢變化型輸入穩(wěn)態(tài)過壓故障提供可靠的輸入過壓保護，然而在其運行中,對于因10kV市電閃斷/停電、大容量ATS輸入開關執(zhí)行切換操作、多次利用UPS的輸入開關執(zhí)行開通和關斷操作來激活電池組的操作、鄰近高能耗用戶突然執(zhí)行拉閘等操作時，就可能誘發(fā)出持續(xù)時間僅20ms左右的輸入瞬態(tài)過壓故障。利用存儲示波器在用戶的UPS運行現(xiàn)場或專門搭建的故障模擬檢測平臺對高頻機UPS的輸入電壓所執(zhí)行的瞬態(tài)捕捉波形顯示：對于傳統(tǒng)高頻機UPS而言，在其運行中，如果因故遇到上述的輸入瞬態(tài)過壓故障時，它的整流器幾乎都將會喪失掉輸入過壓保護功能。此時，因輸入瞬態(tài)過壓的串入就會致使UPS整流器輸出直流母線電壓急劇增高，從而導致高頻機UPS出現(xiàn)如圖1(a)所示的種種故障現(xiàn)象。

(1) 當因輸入瞬態(tài)過壓所誘發(fā)的整流器的輸出電壓處于V整流關機< V整流輸出

(2) 當因輸入瞬態(tài)過壓所誘發(fā)的整流器的輸出電壓處于 V整流輸出≥V逆變關機時，UPS就會出現(xiàn)輸出閃斷/輸出停電,電容爆炸等事故。

下面將以圖1(b)所示的檢測結果來說明UPS輸出閃斷是如何發(fā)生的。 當ATS輸入開關從斷開切換到閉合的瞬間，由于輸入瞬態(tài)過壓的串入→整流器的輸出母線電壓從正常值急劇上升到919V DC>逆變器的輸入過壓保護值900V DC→ UPS出現(xiàn)逆變器自動關機故障+交流旁路輸入過壓故障同時出現(xiàn)的現(xiàn)象→UPS輸出閃斷→服務器宕機。

鑒于此，為提高傳統(tǒng)高頻機UPS的可靠性,有必要在其輸入端配置抗瞬態(tài)過壓保護部件。為方便描述，本文將未配置抗瞬態(tài)過壓保護部件+輸入PF為電容性的高頻機/模塊化UPS稱為傳統(tǒng)高頻機UPS；將配置有抗瞬態(tài)過壓保護部件+輸入PF為電感性的高頻機UPS稱為增強型高頻機UPS。

3 增強型高頻機UPS的創(chuàng)新性技術優(yōu)勢(200～1 200kVA)

圖2 采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻塔式機UPS的結構圖

為消除傳統(tǒng)高頻機/模塊化UPS的抗瞬態(tài)輸入過壓保護能力較差及發(fā)電機帶電容性負載能力相當差的技術缺陷，筆者所在單位開發(fā)出更加可靠和高效的增強型高頻機UPS(圖2)，其創(chuàng)新性技術優(yōu)勢可歸納如下。

同傳統(tǒng)高頻塔式機UPS/模塊化相比，對于采用可拆卸式的模塊化設計方案+無內(nèi)部環(huán)流+配置抗瞬態(tài)輸入過壓保護部件+優(yōu)選電感性輸入PF +無公用電池組不均流充電隱患+優(yōu)化高效風冷通道等設計方案所制備的增強型高頻機UPS而言，它在確保逆變供電效率≥97%和輸出PF=1的前提下，不僅能大幅度地提高UPS單機的可靠性且能大幅度縮短維修時間(功能模塊的更換時間僅幾分鐘)。由此所帶來的好處是：它同時具有增強型高頻機UPS更高的可靠性, 模塊化UPS更短的受損功能模塊更換操作時間以及高頻塔式機UPS更低的維修成本等綜合性技術優(yōu)勢，從而為用戶提供MW級高可用性的UPS供電系統(tǒng)奠定下堅實的技術基礎。

(1) 同存在內(nèi)部環(huán)流+輸出電流不均流隱患的傳統(tǒng)高頻塔式機和模塊化UPS相比，采用無內(nèi)部環(huán)流/極低內(nèi)部環(huán)流隱患的設計方案, 有利于提高UPS的可靠性。

同內(nèi)含3～4個功率模塊的傳統(tǒng)高頻機UPS和內(nèi)含10～12個功率模塊的模塊化UPS相比, 對于輸出功率=200～500kVA 增強型UPS而言，采用單機、單功率模塊的設計方案，能徹底消除傳統(tǒng)高頻機/模塊化UPS因存在內(nèi)部環(huán)流和輸出不均流所誘發(fā)的故障發(fā)生幾率。對于輸出功率=600～1 200kVA 增強型UPS而言，采用單機、雙整流-逆變功率模塊的設計方案，能大幅度地降低傳統(tǒng)高頻機/模塊化UPS因存在內(nèi)部環(huán)流和輸出不均流所誘發(fā)的故障發(fā)生幾率。

(2) 如上所述，對于傳統(tǒng)高頻機UPS/模塊化UPS而言，在其運行中，當因故遇到10kV市電閃斷/停電等事故時，會在這種UPS的輸入端誘發(fā)出持續(xù)時間為20ms 左右的瞬態(tài)輸入過壓。在此條件下，極易致使傳統(tǒng)高頻機UPS/模塊化UPS發(fā)生輸出閃斷/停電,炸機，電容爆炸以及電池異常放電等事故。為消除此類故障隱患，在增強型高頻機UPS的輸入端，增配抗瞬態(tài)輸入過壓保護部件，能消除掉因瞬態(tài)輸入過壓所誘發(fā)的種種故障隱患。它的可靠性已非常接近傳統(tǒng)工頻機UPS的同等可靠性水平。近5～6年的運行統(tǒng)計資料顯示: 它從未出現(xiàn)過影響用戶設備安全運行的事故。

(3)同輸入功率因數(shù)(PF)為電容性的傳統(tǒng)高頻塔式機和模塊化UPS相比, 對于輸入PF為電感性的增強型髙頻機UPS而言, 由于它具有同12脈沖+11th濾波工頻機UPS幾乎相同的輸入PF和輸入THDI vs. 帶載率的運行特性。由此所帶來優(yōu)勢有：1)有利于消除/減少發(fā)電機因帶電容性負載所可能誘發(fā)的發(fā)電機自動關機隱患以及降低發(fā)電機與UPS之間的容量匹比，有利于降低發(fā)電機供電系統(tǒng)的TCO。在此需說明的是，在發(fā)電機帶載的條件下，當輸入PF為電容性的傳統(tǒng)UPS處于逆變供電狀態(tài)時，故障率還是較低的。然而，當這種UPS因故轉入交流旁路供電狀態(tài)時，則會發(fā)生故障率急增的現(xiàn)象。近年來，在大型數(shù)據(jù)中心的運行中，曾多次發(fā)生過因發(fā)電機自動關機所誘發(fā)的數(shù)據(jù)中心癱瘓的嚴重事故。2)為了節(jié)能降耗，電力局會對用戶執(zhí)行如下的收費獎懲措施：當用戶的用電設備因故向市電電網(wǎng)饋送電容性無功功率時,會被罰款。相比之下，對于向市電電網(wǎng)饋送電感性無功功率的用戶而言,當它的電感性輸入PF>0.95時,就可享受到優(yōu)惠電價待遇。這樣一來，對于因故處于輕載運行的傳統(tǒng)高頻UPS而言，可能會遇到罰款問題。反之，對于選用輸入PF為電感性的增強型高頻機UPS而言，則可通過執(zhí)行同電容無功補償柜之間的協(xié)調(diào)操作，將電網(wǎng)的電感性輸入PF調(diào)到0.98～0.99,從而獲得電費優(yōu)惠的待遇。

(4)同傳統(tǒng)高頻塔式機UPS/模塊化UPS相比, 采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻的技術優(yōu)勢何在？

如圖2(b)(c)(d)所示，同傳統(tǒng)高頻塔式機UPS相比, 對于采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻機UPS而言，由于它采用了與模塊化UPS類似設計方案(由便于執(zhí)行插拔操作的功率模塊,靜態(tài)開關模塊,靜態(tài)旁路模塊和顯示與控制模塊等四大部件組成)，必然會獲得易組裝、易維護、易執(zhí)行故障定位操作的技術優(yōu)勢。

眾所周知，對于模塊化UPS而言, 一旦它的某個功能模塊因故被損壞時，就必須用另一個新的功能模塊去更換掉受損的功能模塊 →淘汰整個受損的模塊，相當浪費。然而,對于采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻機UPS而言，一旦它的某個功能模塊因故被損壞時，僅需對受損的模塊中的相關的受損元器件執(zhí)行更換操作即可，能大幅度降低用戶的后期運維成本。

綜上所述: 對于采用可拆卸式的模塊化設計方案的增強型高頻機UPS而言，它同時具有模塊化UPS對受損功能模塊執(zhí)行快速更換操作以及塔式機UPS更低的后期維修成本的兩大技術優(yōu)勢。

(5)當UPS供電系統(tǒng)因故進入110%過載狀態(tài)時，同傳統(tǒng)高頻塔式機UPS/模塊化UPS只可運行30～60min相比, 增強型高頻塔式機UPS具有可允許長期運行更強的過載能力，有利大幅度提高N+1UPS 并機系統(tǒng)運行的可靠性。