宮俊峰

（吉化信息網(wǎng)絡(luò)公司，吉林 吉林132001）

0 引 言

目前，通信行業(yè)交流設(shè)備多采用UPS供電，但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，交流設(shè)備使用越來越多、設(shè)備功耗越來越大、供電可靠性要求也越來越高，而傳統(tǒng)大功率UPS（本文指容量在30 kVA及以上的UPS產(chǎn)品）可靠性低、電流諧波大、建設(shè)成本高、供電效率低等局限性也逐漸顯現(xiàn)。業(yè)界在努力提升傳統(tǒng)UPS供電質(zhì)量、降低供電損耗的同時(shí)，也在不斷探索能夠替代傳統(tǒng)大功率UPS供電的新技術(shù)，其中，模塊化UPS和高壓直流供電是當(dāng)前兩種主流的技術(shù)。

1 傳統(tǒng)大功率UPS供電存在的問題

1．1 低可靠性及可用性

大型數(shù)據(jù)中心等機(jī)房對UPS供電的容量及可靠性要求越來越高，但由于UPS本身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單點(diǎn)故障點(diǎn)多、維護(hù)難度大等原因，使由UPS造成的供電事故頻發(fā)。同時(shí)，由于UPS維護(hù)只能依靠廠家，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，只有等待廠家派技術(shù)人員解決，造成UPS系統(tǒng)可用性也較低。

1．2 電流諧波

由于目前大功率UPS多采用可控硅的整流方式，會產(chǎn)生大量的諧波電流，雖然通過增加整流脈沖次數(shù)可以降低諧波電流，但同時(shí)也增加了成本、重量和體積，并降低了整機(jī)效率，且不能從根本上解決諧波問題。諧波會對電網(wǎng)及供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波干擾，造成設(shè)備故障、發(fā)熱、壽命降低等后果。同時(shí)，為治理諧波而增加的濾波設(shè)備，也為UPS系統(tǒng)引入了新的故障點(diǎn)。

1．3 建設(shè)成本

由于UPS自身可靠性的局限，目前一般采用冗余并機(jī)、雙系統(tǒng)、雙總線等供電模式以提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性，并增加濾波設(shè)備（無源或有源濾波器）以減少諧波電流的影響，造成建設(shè)成本不斷攀升及安裝空間面積和承載要求不斷提高。

1．4 供電系統(tǒng)效率

（1）由于UPS要經(jīng)過整流及逆變兩次變換，使得UPS本身效率較低；

（2）同時(shí)由于冗余配置，使UPS工作在更低效率的負(fù)載率區(qū)間；

（3）另外UPS產(chǎn)生的諧波電流還會在供電回路上造成損耗以及濾波設(shè)備自身的損耗等。

以上三個(gè)因素均造成UPS供電系統(tǒng)能量利用率低，不符合當(dāng)前節(jié)能減排的政策。

2 交流設(shè)備供電的優(yōu)劣分析

2．1 模塊化UPS

（1）設(shè)計(jì)理念

模塊化UPS借鑒了通信高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路，對功率變換主回路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并采用了分散控制理論及非固定主從的同步控制技術(shù)，是對傳統(tǒng)UPS的一種創(chuàng)新。

（2）相對傳統(tǒng)UPS的優(yōu)勢

a．可靠性及可用性提升

模塊化UPS可通過對功率模塊的N＋X冗余配置，提高供電系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)使維護(hù)更加方便，減少了故障處理時(shí)間，提高了系統(tǒng)可用性。

b．電流諧波

模塊化UPS采用了有源功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC），降低了輸入電流諧波，加強(qiáng)了設(shè)備抗電磁干擾的能力。

c．建設(shè)成本

由于采用模塊化技術(shù)，可根據(jù)初期功耗配置UPS模塊，且不用配置濾波設(shè)備、選配輸出隔離變壓器，降低了初期建設(shè)成本，同時(shí)高頻化設(shè)計(jì)使設(shè)備具有更高的功率密度、更小的體積和更輕的重量，降低了安裝空間及承重的要求。

d．供電系統(tǒng)效率

采用高頻軟開關(guān)技術(shù)，減少器件開關(guān)損耗，提高了整機(jī)效率；按需配置UPS模塊，系統(tǒng)工作在最佳負(fù)載率區(qū)間，提高工作效率；采用PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，諧波電流小，發(fā)熱損耗小。

（3）局限性

a．功率限制

由于模塊化UPS采用PFC技術(shù)，IGBT電流、電壓應(yīng)力相對于可控硅較低，因此單個(gè)UPS模塊的功率不能做得過大；又由于UPS模塊并機(jī)控制較為復(fù)雜，因此并機(jī)模塊數(shù)量不能過多，以上兩個(gè)原因造成模塊化UPS整機(jī)功率不如傳統(tǒng)的塔式機(jī)。

b．可靠性及效率

模塊化UPS可靠性及效率雖然均相對于傳統(tǒng)UPS有較大的提高，但由于采用相同的電源變換結(jié)構(gòu)，仍然存在單點(diǎn)故障、結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題，使得供電可靠性不能得到質(zhì)的改變。另外，由于IGBT整流通常采用升壓模式，直流母線電壓較高，蓄電池需通過電壓變換器（蓄電池充電時(shí)降壓，放電時(shí)升壓）與直流母線連接，增加了電池充放電回路的故障點(diǎn)。

模塊化UPS雖然采用了高頻整流技術(shù)，但仍然需要整流逆變兩次變換，同時(shí)模塊的增加也使模塊間產(chǎn)生系統(tǒng)環(huán)流，使得效率提升有限。

c．建設(shè)成本

目前模塊化UPS應(yīng)用范圍較小，未大規(guī)模量產(chǎn)，再加上僅有部分廠商掌握核心生產(chǎn)技術(shù)，造成模塊化UPS單位成本仍然較傳統(tǒng)塔式機(jī)高。

2．2 高壓直流

2．2．1 設(shè)計(jì)理念

高壓直流是在通信電源原有－48V高頻開關(guān)電源的基礎(chǔ)上，通過提高輸出電壓、采用懸浮供電，并引入電力電源絕緣監(jiān)察技術(shù)，對原有交流設(shè)備供電的一種新型供電模式。

2．2．2 相對傳統(tǒng)UPS的優(yōu)勢

（1）可靠性及可用性提升

a．高頻開關(guān)電源技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、單點(diǎn)故障點(diǎn)少、系統(tǒng)故障率低；

b．整流模塊可N＋X冗余配置，提高供電系統(tǒng)的可靠性；

c．蓄電池并聯(lián)于電源輸出端，直接對設(shè)備供電。

（2）電流諧波

高頻開關(guān)電源模塊采用了PFC技術(shù)，輸入電流諧波小，抗電磁干擾能力強(qiáng)。

（3）建設(shè)成本

a．直流電源較UPS采購成本低；

b．根據(jù)初期功耗配置整流模塊，降低了初期建設(shè)成本；

c．直流電源功率密度高，安裝空間占用少。

（4）供電系統(tǒng)效率

a．簡化供電結(jié)構(gòu)，取消UPS逆變及服務(wù)器電源再整流過程，變換損耗低；

b．采用高頻軟開關(guān)技術(shù)，整機(jī)效率高；

c．采用模塊休眠等技術(shù)，模塊工作在最佳負(fù)載率區(qū)間，系統(tǒng)效率高；

d．采用PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，諧波電流?。?/p>

e．直流輸出有效電壓高且無諧波分量，傳輸損耗小。

2．2．3 局限性

（1）后端設(shè)備適用性

不是所有的交流供電設(shè)備都支持高壓直流供電，特別是有些年限較久或功耗較小的設(shè)備，由于可能采用了工頻變壓器降壓、半波整流、頻率檢測等技術(shù)，不適用于直流供電。因此對交流設(shè)備采用直流供電前，需進(jìn)行適用性測試，增加了工作量。

（2）維保風(fēng)險(xiǎn)

采用直流電源對原有交流設(shè)備供電，由于供電環(huán)境改變，不符合其規(guī)定的輸入電壓要求，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，廠家可能因?yàn)樵撛蛲菩毒S保責(zé)任。

（3）改造難度

對原有UPS供電系統(tǒng)進(jìn)行高壓直流改造時(shí)，由于供電模式改變，需對后端受電設(shè)備適用性進(jìn)行核實(shí)，同時(shí)還要對供電分配回路進(jìn)行改造及割接，在后端配電及負(fù)載情況較復(fù)雜時(shí)，改造難度相當(dāng)大。

（4）電壓標(biāo)準(zhǔn)

目前高壓直流的電壓標(biāo)準(zhǔn)尚存在爭議，電信采用240 V標(biāo)準(zhǔn)，移動采用380 V及240 V標(biāo)準(zhǔn)，國外還存在300 V、320 V、350 V、400 V 等標(biāo)準(zhǔn)，而目前國家尚未出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)警惕在企業(yè)大規(guī)模應(yīng)用后出現(xiàn)與國家標(biāo)準(zhǔn)相悖的情況。

（5）使用安全

基于傳統(tǒng)－48 V直流電源在通信行業(yè)的廣泛使用，從業(yè)人員對直流電源較為熟悉，認(rèn)為沒有危險(xiǎn)，容易對高壓直流產(chǎn)生麻痹心理，因此高壓直流不適宜在管理較不嚴(yán)格的低等級機(jī)房使用。

2．3 模塊化UPS及高壓直流對比分析

傳統(tǒng)UPS、模塊化UPS及高壓直流供電方式的對比分析見表1所示。

表1 傳統(tǒng)UPS、模塊化UPS及高壓直流對比分析

表1從技術(shù)性能、建設(shè)維護(hù)及實(shí)際應(yīng)用三個(gè)方面對傳統(tǒng)UPS、模塊化UPS及高壓直流進(jìn)行了對比分析：

（1）從技術(shù)性能上來看，模塊化UPS和高壓直流均采用了高頻化和模塊化設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)可靠性、效率、功率密度等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)UPS，由于直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身固有的優(yōu)越性，使得高壓直流在技術(shù)性能上略優(yōu)于模塊化UPS；

（2）從建設(shè)維護(hù)上來看，模塊化UPS和高壓直流各項(xiàng)指標(biāo)仍然優(yōu)于傳統(tǒng)UPS，模塊化UPS建設(shè)成本比高壓直流略高；

（3）從目前的應(yīng)用情況來看，傳統(tǒng)UPS和模塊化UPS對負(fù)載的適用性較好，高壓直流存在部分交流供電設(shè)備不支持的情況。

3 應(yīng)用場合建議

3．1 模塊化UPS應(yīng)用場合建議

（1）對于受電設(shè)備比較老舊的原UPS供電系統(tǒng)的改造，建議采用模塊化UPS；

（2）對于后端配電情況復(fù)雜，難以清理的原UPS系統(tǒng)的改造，建議采用模塊化UPS；

（3）對于接入層機(jī)房等機(jī)房等級程度不高的機(jī)房，如需采用交流不間斷電源供電時(shí)，建議配置模塊化UPS；

（4）對于客戶托管機(jī)房，在客戶對高壓直流認(rèn)可度不高，或無相關(guān)協(xié)議支持時(shí)，建議選用模塊化UPS供電。

3．2 高壓直流應(yīng)用場合建議

（1）對于運(yùn)營商自有設(shè)備為主的業(yè)務(wù)網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心等機(jī)房，建議采用高壓直流供電；

（2）對于蓄電池后備時(shí)間要求較長（＞2 h）的應(yīng)用，建議采用高壓直流供電（可單獨(dú)配置充電模塊的模塊化UPS除外）；

（3）當(dāng)設(shè)備負(fù)荷較大時(shí)（＞200 kVA），應(yīng)謹(jǐn)慎采用模塊化UPS（高壓直流系統(tǒng)也不宜配置過大，但整流模塊并聯(lián)控制對于UPS模塊并聯(lián)控制技術(shù)相對簡單且成熟，最好的辦法是多建幾套系統(tǒng)分擔(dān)負(fù)荷）；

（4）在機(jī)房承重或空間受限時(shí)，優(yōu)先選用高壓直流供電。

4 結(jié)束語

通過以上分析可知，模塊化UPS及高壓直流供電較傳統(tǒng)UPS供電均具有一定的優(yōu)越性，是交流設(shè)備不間斷供電的兩個(gè)發(fā)展方向，實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的技術(shù)和產(chǎn)品。