浅谈三相ups电源五大最新技术

     说起三相ups电源，可能对于很多人来说这都是个比较陌生的词，但我们所不知道的是它所运用的行业，包括金融行业、电信行业、医疗行业、半导体、石油石化、机场、轨道交通、电力行业等应用的比较广泛，随着近年来的不断发展，本文对其中较为关键的一些新技术做了简单讲解。

1.电气变换技术的三种运行模式

逆变器优先 旁路优先 超级旁路优先

三相UPS走到今天，我们需要问自己一个问题：一定要采用双变换电气变换技术由逆变器提供1%精度交流电给负载供电吗?1%的精度对负载很重要吗?答案是否定的，业内目前已经发展出三种运行模式供用户选择使用。

逆变器优先运行模式(双变换)。如下图示，从电气变换技术角度来看，工频机高频机都是采用的双变换在线式技术，即能量经过整流器逆变器两次能量变换后，由逆变器提供电压精度为1%、谐波含量小于5%的正弦波交流电给负载供电。这种运行模式也可以称为：逆变器优先运行模式(双变换)。

     逆变器优先运行模式的优势是输出电压精度高达1%。劣势是由于能量的两次100%转换，在正常15-60%负荷下，UPS整机效率较低仅88-95%。同时电流每秒钟都流经整流器、逆变器、电容等功率器件，元器件疲劳老化严重，寿命降低，导致UPS可用性降低。而可用性才是用户对UPS的最重要需求。

回过头来看，逆变器优先模式(双变换)本身就是一种低可用性的运行模式。这是这么多年以后大家才痛苦认识到的一个事实。

有没有新的思路?500VA的小功率的后备式UPS和5KVA的在线互动式UPS正常情况下是旁路市电输出供电，不是也保护了IT负荷吗?

仔细研究我们会发现两点：

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IT负荷其实对交流电的要求不高，允许电压-20%，+10%，频率40-70HZ，允许中断时间10-20ms。逆变器优先模式最为骄傲的1%输出精度其实没有一点价值。如图示

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如今市电电网的可用性得到了很大提高，城市10KV电网可用性达到99.94%。如图示

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这两个因素促使我们认识到三相中大功率UPS其实也可以和小功率UPS一样选择旁路优先运行模式。事实上早在2010年，各大变频器厂家及电源厂家三相UPS就允许用户选择工作在旁路优先模式，即ECO模式(经济模式)。

旁路优先运行模式(ECO模式)。如下图示，在正常情况下，UPS优先运行在静态旁路，由市电直接给负载供电。当旁路电压超出设定窗口范围时，会切换到逆变器输出模式。该模式的优势是效率高达99%。劣势是由于市电直供，会产生双向干扰，输入功率因素输入谐波电流指标较差。更重要的是，当旁路故障需要切换回逆变器模式时，会出现4-20ms的切换时间，某些情况下会造成负载运行中断，极大的降低了UPS的可用性。

在这种情况下，能否找到一种新方法，既有高可用性，还能提高运行效率，同时性能指标参数也能满足负载要求，就成为各变频器厂家及逆变器厂家研发的重要目标。

超级旁路优先运行模式(E变换模式)。正常情况下，逆变器与旁路市电并联工作，相当于有源滤波器，逆变器提供谐波电流和无功功率，旁路市电回路提供基波电流和有功功率。输出电压由旁路决定。

这种模式的最大优势是整流器和逆变器的功率器件流过的电流较小，元器件疲劳老化轻微，寿命延长，UPS可用性提高。由于逆变器一直在并联运行，当旁路市电超出窗口范围时，系统会0ms切换回逆变器工作，不存在切换失败切换时间长的问题。该种模式效率高达98.8%，仅次于ECO模式。另外，由于可控制旁路回路只提供基波电流和有功功率，因此输入功率因数0.99，输入谐波电流<5%。

目前主流一线品牌厂家在三相大功率UPS系列上均与E变换技术类似的运行模式，供用户选择使用。

2.多电平逆变器技术

有的行业用户不愿意用市电供电模式，还是习惯于传统的双变换逆变器优先运行模式，那就需要对逆变器进行改进以提高可用性。

工频机和早期的高频机均采用两电平逆变器技术。如图示

工频机采用变压器交流升压技术。工频机一般配置32只12V电池，浮充状态下直流母线电压432V，较低，只能逆变出160V交流电，只好在逆变器后端采用工频升压变压器，输出220/380V交流电。逆变器功率器件的承压为432V，较低，选用600-800V耐压值的IGBT即可满足要求。

高频机采用DC/DC直流升压技术。高频机一般配置40-64只电池，为取消变压器，保证逆变器可以直接逆变出220V/380V交流电，高频机在整流器后增加了一个IGBT的DC/DC升压环节，使得逆变器前端的直流母线电压达到800V，这样逆变器功率器件的承压为800V，需要选用1200-1500V耐压值的IGBT才能满足要求。

通过研究场效应管和IGBT等功率器件的失效率曲线，发现1500V耐压值的功率器件其失效率数倍于800V耐压值的功率器件。这样，研发人员意识到降低功率器件的承压、选择低耐压值的功率器件可以提高逆变器的可用性。用户体验实践也证明工频机逆变器比两电平高频机的逆变器可用性高。

因此为改善高频机在可用性方面的不足，业内研发了三电平四电平逆变器。

如图示三电平逆变器功率器件的承压为400V，低于工频机。

四电平逆变器功率器件的承压为266V，更是远低于工频机的432V。

那么是否五电平六电平逆变器的可用性会更高呢，答案不是这样的，因为电平数越多，逆变器需要的功率器件的数量就越多，使得逆变器出故障的可能性增多。因此，需要在功率器件的耐压值和数量上找到合理的平衡。

3.新型物理架构的大功率并机系统

大型及超大型数据中心及半导体行业的用户，经常会搭建功率为1500KW及以上的UPS系统，这就需要采用多台UPS并联的系统架构。

并机系统的电气架构大家都知道有两种，多台UPS直接并机，和公用静态旁路的多台UPS并机。所有厂家都公认：公用大功率静态旁路的多台UPS并机系统可用性更高，但成本较贵。

而从物理架构的角度出发，并机系统目前也发展出有两种模式。如图示1500KVA并机物理结构1，为传统的3台500KUPS单机通过外部配电柜和电缆进行直接并联，总共需要7个外部配电柜和多组电缆。每台UPS都有外配的主输入、旁路输入、UPS输出、电池回路等四把交直流断路器和四组交直流电缆，使得UPS系统操作复杂，造成可用性降低，配套的配电柜和电缆成本高，对现场施工环境要求高，对现场施工人员技术要求高，施工工期长。

为解决上述问题，新的集成化预制化的物理结构的并机系统应运而生。

如图示并机物理结构2，为6台250KW的功率柜+1500KW静态旁路+输入输出I/O柜通过外部主配电柜和主电缆进行并联，总共需要4个配电柜和少量电缆。每台250KW UPS功率柜内部集成了自动控制的接触器和熔断器，内部还集成和预制了主输入、旁路输入、主输出和电池母线的铜排背板与I/O柜连接，每台UPS功率柜不再需要外配四把分断路器和四组分电缆。

新型的并机物理结构简化了整个UPS系统，减少了外部配套的变频控制柜、开关和电缆。简化了开关机操作，铜排连接使得输出阻抗一致性高，这些特点都有利于提高UPS系统的可用性。

新型的并机系统在电气架构上还包括了公用的1500KW静态旁路，这种电气架构早就被证明可用性高于普通的多台UPS直接并机的电气架构。

新型的并机物理结构其实也是模块化的并机架构，可以根据用户需求增减功率柜，目前市场上的UPS功率柜一般为200-300KW。灵活性与适应性更高。

4.锂电池进入数据中心，

让原来沉睡的电池为我们赚钱

普通铅酸蓄电池大约每3-4年更换一次，在三相大功率UPS系统10-12年全生命周期过程中，用户花在电池系统上面的钱甚至超过UPS主机。事实上UPS每秒钟都在使用都在出力都在发挥价值，而在中国电网环境下电池一年只有1.22次放电机会，而且放电时间可能只有几分钟(在配套发电机系统的情况下)。

可见传统模式下，我们对电池系统的利用太低了。

由于电动汽车和储能行业的驱动，2018年锂电池的成本已经降低到1.2-1.4元/wh，而普通铅酸电池的成本为0.7元/wh。在可见的2-3年内，锂电池的价格将会与铅酸电池齐平。因此锂电池在数据中心的应用成为重要的趋势。

很多UPS产品都号称可以兼容锂电池，但实际上有较大差异。一种兼容是把锂电池当普通铅酸电池用。这种兼容没有任何意义，花了锂电池的价格只享受到铅酸电池的好处，得不偿失。

而另外一种兼容是把锂电池当锂电池用，真正利用锂电池的特点，发挥其优势。

锂电池相比于铅酸蓄电池在电气性能方面的优点是：快充，快放，循环寿命高达6000-10000次。

快放的特点使得锂电池特别适合大功率UPS系统短延时放电的场景。电池的容量是基于放电时间的。传统铅酸电池100AH一般是基于20小时放电。在大功率UPS一般要求的15分钟延时时间下，100AH铅酸电池只能放出约30AH的容量，而100AH锂电池可以放出90AH容量。很明显，大功率UPS常用的5-30分钟延时时间范围，是锂电池的天下，只需要配置铅酸电池25-40%的容量即可达到同样的延时时间。这种情况下，锂电池系统的价格甚至会有优势，如果与胶体电池比，锂电池价格更加明显。

快充的特点使得锂电池可以每天进行多次充放电循环以配合峰谷计价。为更好的与锂电池进行兼容配套，新型的UPS充电功率从传统的10-20%大幅度提升到35%、40%，甚至最高可达80%。这增加了UPS充电器和整流器的成本，但快充可以使得锂电池在一天内可多次充放电，以达到利用峰谷电价差节省运行电费成本的目的。普通UPS充电功率不足，较难利用锂电池可以快充的特点。

循环寿命6000-10000次。前面我们说过，正常情况下，即使每年人为增加2次电池充放电维护保养，每年电池的总放电次数也不过4次，12年下来不超过50次，铅酸蓄电池循环寿命500次完全满足要求。那这个锂电池6000次循环寿命还有必要吗?还有用吗?

大型数据中心可以很好的利用锂电池的6000-10000次循环寿命配合峰谷电价计费模式"挣钱"。这需要UPS主机有峰谷运行的功能，即在电价为0.4元的谷底时给锂电池充电，在电价为1.5元的峰值时让锂电池放电，一来一回每度电电价差1.1元。

100AH 12V电池能放出来的电量大约为1度电，如果每天两次充放电循环，刨去效率，刨去必须保有基本30%容量不能全部放光，估计100AH 12V电池可以赚1.5元钱。锂电池日历寿命为15年，在UPS系统12年的生命周期过程中，需要365*2*12=8760次充放电循环，可以赚1.5*365*12=6570元。很明显，铅酸电池只有500次循环寿命，不能进行这种操作。

专为Colo行业研发的扛峰削峰功能。Colo行业的用户，非常希望把变压器用足甚至用超，同样2000KVA的变压器就可以带更多的IT负载更多的机柜，赚更多的钱。但在传统UPS系统中IT负载的功率不能超过变压器的功率，否则就过载了。

由于IT负载是一条变化的曲线，波峰时段可以比波谷负荷高10-20%，为了让2000KVA的变压器带更大的IT平均负荷，又不会在IT波峰时过载，

假定我们在2000KVA变压器和配电系统后带一套2500KW的UPS系统，设计带平均值为2000KW的IT负荷。当IT负荷处于波峰时段达到2400KW时，UPS会同时利用从电网吸入的2000KW功率+电池组提供的400KW功率，通过逆变器给2400KW的IT负荷供电。利用锂电池储存的能量短时间内应对IT峰值，同时又不让变压器和配电系统过载。

5.云服务提高了系统可用性

行业用户对大功率UPS系统的快速恢复能力非常看重，因为这极大的决定了系统的可用性。传统的本地使用、本地监控管理、本地维护的模式注定需要较长的时间才能修复系统。

一般的维修流程是，用户发现UPS系统故障，用户自己是不会做什么维修动作的，只能立即拨打厂家400电话，厂家技术人员通过询问用户观察到的指示灯或显示器上的报警信息来判断故障位置，可能需要1-2小时。然后400开始指派备件运输，指派工程师到用户现场。如果判断错误，可能需要二次备件运输，甚至更高级别工程师出动。整个维修恢复过程需要8-48小时。

而新型的云服务，用户的UPS或整个系统都可以直接连接到云监控平台，有经验熟悉产品的资深工程师24小时值班监控，可以预警潜在的故障风险，提前处理。真的出现故障时可以第一时间发现故障，并快速准确判断出故障所在，立即内部调动备件与工程师，整个维修恢复过程缩短到4-24小时。

云服务彻底改变了售后维修模式，减少了故障次数，缩短了维修时间，提高了系统可用性。

为同时实现用户在本地的私有系统的监控和公有的云平台的监控，这就要求UPS具有多网卡功能。施耐德电气三相中大功率UPS都具有多网卡功能，同时兼容IPV6。

三相中大功率UPS领域近十年来，出现了多个技术革命与创新，并已经在实际运用中被证明是切实可行的，提高了整个UPS系统的可用性、灵活性、适应性、可维护性，降低了系统的TCO。

总结：如今三相ups的新技术开发大大提升了企业的工作效率，杭州三科变频器技术有限公司相信将来ups的电源技术将会更加的发展和突出，为社会创达巨大的价值。