模塊化UPS的特質及應用

呂燕華，楊萬青

（山東山大華天科技集團股份有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

隨著電力電子技術的創新和發展，模塊化UPS已逐漸成為業界發展趨勢。當下模塊化直流電源已成主流產品，輸出電壓-48 V，220 V和750 V等電壓的直流電源均采用模塊化結構。交流的模塊化UPS也走上了快速發展道路。真正意義上的模塊化UPS具有哪些特質？如何應用可以揚長避短？本文將具體介紹。

1 控制技術的提升使UPS并聯模塊數增加

為什么如此多的用戶選擇了模塊化直流電源？因為模塊化產品有易擴容、易維護、易運輸、易安裝的突出優點。模塊化的直流電源已是行業主流，而交流UPS的模塊化還方興未艾。

直流電壓源輸出只有電壓幅值一個變量，多個模塊如果能保持電壓幅值的同步，就可以實現并聯輸出。直流電源輸出端可以加裝逆止二極管實現電流反灌保護功能，多模塊的直流并聯在技術上比較容易實現。直流模塊可以60個甚至更多并聯。交流電壓源有電壓幅值、頻率、相位多個變量，實現交流并聯的難度比直流并聯大很多，自UPS誕生以來，并聯的模塊數一直受到控制技術的制約。

UPS并聯技術主要有兩種：分布式控制（無主從控制）；集中式控制。

分布式沒有固定的主控單元，主控單元在并聯時競爭產生，當主機故障時，正常模塊重新競爭產生新的主控單元，分布式模塊間通信路由有N×（N-1）/2條；集中式控制有主控模塊，各功率模塊與主控模塊雙向通信，通信路由有N條或2N條（雙冗余控制），如果并聯模塊增加，兩種控制方式的通信路由數變化，如圖1所示。

從圖1中可見，當并聯模塊超過5個時，分布式通信路由就大于集中式路由，并且快速上升，在控制芯片的運算速度和路由傳輸速率一定時，控制模型就決定了并聯數量的上限。在現有技術下，分布式的并聯模塊數量就受到了限制，通常并聯模塊不超過10個。采用集中式的拓撲在多模塊并聯時有突出的優點，10個以上模塊通信路由遠遠小于分布式并聯路由數，當然，主控式也存在缺點，當系統只有一個控制單元時，存在單點“瓶頸”。模塊化UPS配置了雙冗余的控制模塊，2+1冗余的CAN控制總線，徹底消除了通信節點間的單點“瓶頸”，單系統并聯模塊數達到20個，可實現4個系統并聯，革命性地將并聯模塊數提升到80個。

2 新技術的采用使單一模塊的容量和功率密度提升

隨著計算機技術的快速發展，數據中心以海量級數增加，設備的功率密度也日益增加，數據中心的耗能也日益引起人們的關注，這就要求更加節能，更加省地的綠色產品。

同時為了方便熱插拔，單一模塊的體積和重量不能太大，市面上主流的模塊容量是5 kVA、10 kVA、20 kVA、25 kVA、30kVA和40kVA，高功率密度是模塊化UPS的發展方向。40 kVA模塊高度僅僅3U，單一標準機架可裝12個模塊，提供480 kVA的容量，占地面積僅0.5 m2，在全球處于領先地位。模塊功率密度與模塊的效率息息相關，效率提升可減少散熱器件和縮小風道，提升模塊的功率密度。

圖1 兩種控制模式路由數對比圖

高效的功率模塊得益于多個先進技術的應用：

（1）選用高效拓撲三電平技術[1]；

（2）動態均流，準諧波控制，降低輔助電源和整流功率器件的損耗；

（3）優化控制算法，保障UPS在各種負載條件下保持高效率模式；

（4）選用世界頂級廠家的第五代IGBT，第五代IGBT采用的場截止結構（Fieldstop）可顯著降低開關損耗，溝道柵技術（Trench）可降低飽和壓降Vce，從而大大降低產品損耗；

（5）選用直流偏置性能更優磁性材料，降低磁損；

（6）優化散熱布局，配合智能風機調速功能，最大限度降低風扇損耗。

3 冗余式設計實現真正意義的熱插拔功能

熱插拔技術是模塊化UPS的關鍵技術之一。熱插拔可以使客戶實現在線擴容、在線維護。根據工信部YD/T2165—2016《通訊用模塊化不間斷電源》要求，各個功能模塊（含整流、逆變、充電、監控、旁路）模塊具備熱插拔功能[2]。模塊化UPS采用冗余式設計，所有模塊（功率、監控、旁路）均可在線熱插拔，在更換和增加模塊時，UPS保持正常工作狀態。

4 系統可用性

以一套200 kVA的UPS供電系統為例，采用傳統塔式機搭建，為了實現冗余，通常以N+1方式搭建。假設選擇2臺200 kVA塔式機，組成1+1并機供電系統，在相同的配置下，如果采用模塊化，配置將更加簡單，以200 kVA為例，可選用5+1 40 kVA模塊系統或5+ 2 40 kVA模塊系統。

從系統可用性分析：

模塊式UPS具有無與倫比的平均故障恢復時間MTBF，一般模塊更換時間在5～10 min。而傳統塔式UPS出現嚴重故障后，需要專業的服務工程師火速趕到現場，到了現場也會因為種種原因無法快速定位和排除故障，系統恢復正常運行少則需要幾個小時，多則幾天。兩者的差距可以說天差地別。通過數學模型估算，塔式機單機和1+1并機系統可用性約為99.99%，而模塊化UPS可用性是99.999 9%以上[3]。

客戶選用模塊化UPS，設備發生故障后的焦慮和無助可以煙消云散，保修到期后還可以省下巨額的維保費用。

模塊化UPS多采用小功率模塊（相對于輸出總容量）并聯，而塔式UPS采用N+1模式。模塊化UPS發生故障時，因為單模塊容量顆粒度低，內置的保險絲和控制電路可以快速動作，切離并機系統，從而保證系統的安全工作。而塔式機單機容量較大，保險絲容量相應較大，控制回路采樣點多，結構復雜，當發生一些臨界故障時，UPS無法快速正常切離，導致其他UPS將故障UPS當成負載，發生雪崩效應導致整個系統輸出中斷。這樣事故在現場多次發生。某數據中心采用4+1 500 kVA并機系統，當其中一臺UPS故障時，故障機沒有正常退出，將其余四臺UPS全部拉垮，也未轉到旁路供電，系統輸出完全中斷，給用戶造成了重大損失。考慮故障單元非正常退出的現象，塔式UPS并聯系統可用性實際數據遠小于理論計算值。

5 應用節能性

塔式UPS因為難擴容，需要提前規劃，一般場景下帶載率在10%～40%；模塊化UPS可輕松在線擴容，無需提前規劃，一般場景下帶載率高于40%。

同樣負載下，模塊化UPS處于50%負載率，效率可達96%；塔式UPS處于20%負載率，效率降至94%甚至更低。如表1所示，以200 kW負載為例，模塊化UPS一年總計可以節省電費51 773元，能耗降 低34.8%。

表1 模塊化與塔式機電費對比表

6 結 論

在技術日新月益的今天，交流模塊化UPS逐漸消除了原有的技術“瓶頸”，模塊并聯數量和單模塊功率容量極大提升，且易運輸、易安裝、易擴容、易維護和綠色節能的特點充分解決了用戶的“痛點”，滿足了客戶的實際需求，在數據中心和通信領域已成為業界的主流發展趨勢[4]。

但終究尺有所短、寸有所長，模塊化UPS源于高頻電力電子技術，在一些環境惡劣，沖擊電流大，電機型負載（風機、水泵、空調等）的應用場景，會出現高頻UPS的故障率高于工頻UPS的現象，在這些應用場所，仍然建議選擇傳統的工頻塔式UPS。