數(shù)據(jù)中心UPS供配電系統(tǒng)是非常重要的一個子系統(tǒng)。用戶對UPS供配電系統(tǒng)的要求,主要表現(xiàn)在三個方面:高可用性、全生命周期的總成本、對運(yùn)輸安裝就位及場地的適應(yīng)性以及使用操作維護(hù)過程中的靈活性�；�于用戶這三方面的要求,三相UPS電源究竟要往何處去?

　　新的運(yùn)行模式-革命性的超級旁路優(yōu)先運(yùn)行模式

　　重新審視歷史上出現(xiàn)的雙變換、后備式、在線互動式和Delta變換等電氣變換技術(shù),今天市場上5kVA以上的UPS大都采用雙變換模式,這好像是天經(jīng)地義的。但是,仔細(xì)研究會發(fā)現(xiàn)一個事實,傳統(tǒng)的逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式(雙變換模式)千辛萬苦,將市電通過整流器和逆變器進(jìn)行能量的兩次100%轉(zhuǎn)換,好不容易輸出了1%精度的交流電給負(fù)載供電,但是看看IT設(shè)備對交流電源的要求(-20%,+10%,40～70Hz),可以發(fā)現(xiàn)1%的電壓精度其實對IT設(shè)備沒有多大價值。相反,在雙變換模式下,能量經(jīng)過兩次100%的轉(zhuǎn)換后效率較低(90%～95%),最要命的問題是電容、電感、功率器件IGBT等每秒鐘都要承受所有的負(fù)載電流,元器件的疲勞老化嚴(yán)重,壽命降低,從而可用性降低。從本質(zhì)上來說,傳統(tǒng)的逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式(雙變換)就是一種低可用性的模式(圖1)。 

　　為了提高可用性,降低TCO(提高效率),早在2010年,行業(yè)里面又推出了一種新的運(yùn)行模式,叫做ECO模式(經(jīng)濟(jì)模式),也叫做旁路優(yōu)先運(yùn)行模式。該種模式下,絕大部分的時間UPS都是工作在旁路。當(dāng)旁路市電超出了IT設(shè)備能夠允許的范圍(設(shè)定的窗口)之后,它將會自動的切換回逆變器運(yùn)行模式。這種模式相當(dāng)于是市電直通,輸入的性能指標(biāo)就是IT負(fù)載的性能指標(biāo),即UPS輸入功率因數(shù)=IT設(shè)備的功率因數(shù)(0.90～0.95),輸入的諧波電流=IT的設(shè)備的諧波電流(15%～30%)。這種模式的好處是市電直供,效率可達(dá)99%。ECO模式的缺點(diǎn)是,市電電網(wǎng)的故障是千變?nèi)f化的,在某些情況下,它不能夠保證百分之百地能從旁路模式切換到逆變器模式,它會有一個切換時間,當(dāng)切換時間超過IT設(shè)備能夠承受的范圍時,就會造成IT設(shè)備重啟,使得IT應(yīng)用的可用性降低。  

　　可見逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式(雙變換模式)和普通旁路優(yōu)先運(yùn)行模式在可用性方面都有較大的弱點(diǎn)。2012年施耐德研發(fā)團(tuán)隊研發(fā)出了第三種模式-即超級旁路優(yōu)先運(yùn)行模式(E變換模式)。它不是普通的旁路優(yōu)先模式。如圖1所示,該模式下,逆變器與旁路市電并聯(lián)工作,逆變器精確控制的結(jié)果是最終實現(xiàn)由旁路市電提供有功功率(基波電流),逆變器提供無功功率(諧波電流),兩者合起來就是IT負(fù)載所需要的電流。因此市電的輸入功率因數(shù)可以做到>0.99,輸入的諧波電流<3%。該模式下UPS提供一級供電質(zhì)量,保證IT設(shè)備的正常運(yùn)行。同時,逆變器還可以給電池提供10%的充電能力。  

　　當(dāng)市電電網(wǎng)有問題時,會自動關(guān)斷旁路市電供電,由逆變器100%的給負(fù)載供電,由于逆變器本身一直在工作,因此也就不存在切換時間,或者說切換時間=0ms,從而保證了可用性。同時特殊的可控硅關(guān)斷控制技術(shù),也確保電池的能量在任何情況下都不會倒灌回電網(wǎng)。 

　　仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),超級旁路優(yōu)先運(yùn)行模式最大的優(yōu)點(diǎn)其實是:電容、電感、功率器件等沒有承受所有的負(fù)載電流,長期處于輕載運(yùn)行,因此元器件的疲勞老化輕微,壽命延長,系統(tǒng)可用性提高�？梢哉f超級旁路優(yōu)先運(yùn)行模式理論上就是一種高可用性的運(yùn)行模式。另外,在這種模式之下,我們看到效率也非常高,可以達(dá)到98.8%。  

　　總結(jié)如下:超級旁路優(yōu)先運(yùn)行模式下功率器件負(fù)載率低,器件疲勞老化輕微,是一種高可用性的運(yùn)行模式。輸入功率因數(shù)0.99,輸入諧波含量<3%。輸出供電質(zhì)量達(dá)到國際一級標(biāo)準(zhǔn),切換時間為零毫秒,效率高達(dá)98.8%以上。滿足了用戶高可用性、高效率、高輸入性能指標(biāo)的要求,這是非常完美的一種模式。這種模式是施耐德在2012年獲得的技術(shù)專利,并在2014年開始全面應(yīng)用到GalaxyV系列產(chǎn)品。  

　　下面計算對比一下超級旁度優(yōu)先模式(E變換)和傳統(tǒng)的逆變器優(yōu)先模式(雙變換)的能耗。以1000kW的IT負(fù)載為例,UPS雙變換模式的效率是94.3%,而GalaxyV系列UPS超級旁路優(yōu)先模式的效率可以達(dá)到99.1%,效率差是4.8%。再考慮到空調(diào)的耗電,總共加起來了兩個系統(tǒng)的效率差是6.4%,在1000kW負(fù)荷下,每年節(jié)省365×24×6.4%×1000=56萬度電,三相大功率UPS一般使用壽命都是十年以上,十年下來,它可以節(jié)省560萬度電。

多電平逆變器技術(shù)(圖2)

　　三相UPS電源的第二個重要的趨勢是新型逆變器技術(shù)的發(fā)展。前面已經(jīng)介紹了超級旁路優(yōu)先模式的好處,如高可用性、高效率、高輸入性能指標(biāo)、一級供電質(zhì)量等,但是某些行業(yè)用戶,它的使用習(xí)慣或者是行業(yè)的規(guī)范要求UPS要運(yùn)行在逆變器優(yōu)先模式(雙變換)。思維的慣性,也使得相當(dāng)大一部分用戶在相當(dāng)長時間段內(nèi)還是喜歡運(yùn)行在逆變器優(yōu)先模式,這點(diǎn),從到今天為止還有用戶偏好工頻機(jī)就可以看出來�？梢灶A(yù)見,今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)超級旁路優(yōu)先運(yùn)行模式和逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式在中國將會長期共存。  

　　因此UPS廠家也必須在逆變器技術(shù)方面進(jìn)行研究。傳統(tǒng)的工頻機(jī)和高頻機(jī)都采用的是兩電平逆變器的技術(shù)。工頻機(jī)的直流母線電壓為432V。高頻機(jī)的直流母線電壓是750～800V。高頻機(jī)由于效率高、體積小、重量輕,早在上世紀(jì)90年代就是各個廠家重要的技術(shù)發(fā)展方向。  

　　但高頻機(jī)兩電平逆變器架構(gòu)中其功率器件IGBT的承壓就是直流母線電壓750～800V,這樣就必須挑選耐壓值為1200V甚至1500V的IGBT功率器件。研究功率器件發(fā)現(xiàn),耐壓值越高的功率器件,其失效率越高(是耐壓值800V器件的十倍)。因此為了提高逆變器的可用性,必須降低功率器件的承壓。  

　　三電平逆變器應(yīng)運(yùn)而生,它通過增加功率器件串聯(lián)來分擔(dān)高頻機(jī)的800V直流母線電壓,使得每一只器件的承壓降低到了400V,這樣我們就可以選擇600或者800V耐壓的功率器件。從而提高可用性。400V電壓甚至低于工頻機(jī)的432V的直流母線電壓,從理論上說,三電平逆變器的高頻機(jī)的可用性已經(jīng)高于傳統(tǒng)的兩電平逆變器工頻機(jī)。 

　　進(jìn)一步又開發(fā)出了四電平逆變器,使得功率器件的承壓降低到直流母線電壓的1/3即266V。因此我們可以采用500V或者是600V耐壓的功率器件,使得逆變器的可用性得到進(jìn)一步的提高。 

　　同時從效率的角度來講,兩電平逆變器的效率大概能做到94.5%,三電平逆變器的效率可以做到96%,四電平逆變器的效率可以做到97%。 

　　但是多電平逆變器帶來了一個不好的地方,功率器件的數(shù)量增加了。使得制造成本提高,理論上故障率也會提高。因此從這個角度出發(fā),不可能無限制地采用比如說五電平六電平的逆變器,也沒有必要。  

　　研發(fā)人員又重新思考,回到了三電平逆變器。但是它是一個采用混合型架構(gòu)的三電平逆變器(圖3),增加了一個零電壓開關(guān)的控制環(huán)節(jié),目的是使得IGBT的開關(guān)損耗減少了50%,同時功率器件的數(shù)量也得到了降低。

　　采用混合三電平逆變器的效率達(dá)到了97.5%,只用了24個功率器件(四電平架構(gòu)要用到50個功率器件)。因此新型的混合三電平逆變器技術(shù),它不但提高了效率,降低了元器件的數(shù)量,降低了成本,同時理論上來講,由于元器件的數(shù)量的降低,它的可用性也得到了提高。

　　從后備到儲能-電池角色的轉(zhuǎn)變

　　第三個重要的趨勢是電池角色的轉(zhuǎn)變,從以前的后備角色的被動工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變到今天的儲能角色的主動工作狀態(tài)(圖4)。

　　UPS供配電系統(tǒng)是由UPS主機(jī)、電池、配電系統(tǒng)等構(gòu)成的,電池在整個系統(tǒng)當(dāng)中占有重要的地位,其成本的占比也非常高。對于大功率UPS系統(tǒng)來講,在10～15年的生命周期中,電池要更換2～3次,因此電池的成本甚至要高于UPS主機(jī)的成本。  

　　傳統(tǒng)的UPS供配電系統(tǒng)當(dāng)中,電池的角色是個什么樣的定位呢?絕大多數(shù)情況下,電池處于后備的被動工作的狀態(tài)。數(shù)據(jù)表明,2016年中國10kV電網(wǎng)的可用性是比較高的。城市范圍內(nèi)10kV平均每年的斷電次數(shù)為1.2次,平均每年的斷電時間是5.2h,其中有3.5h是有提前預(yù)告的維護(hù)性斷電,只有1.7h是屬于突發(fā)性的斷電�？梢哉f,每年電池大概會有2次的使用機(jī)會,那么電池每次會放電多長時間呢?大型的數(shù)據(jù)中心,都會配備發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)在市電中斷以后,在1min內(nèi)就會完成啟動并處于可以供電的狀態(tài)。也就是說其實電池在每年2次的放電過程中,每次只工作了1min,這是絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心電池的真實的運(yùn)行模式。  

　　UPS系統(tǒng)中,UPS主機(jī)每秒鐘都在工作,我們花在UPS的上面的錢是有價值的,但是電池我們花的錢更多,結(jié)果卻是每年僅工作2次,每次只工作1min,而且電池日常維護(hù)工作量還是比較大的。 

　　產(chǎn)生上面問題的原因是電池以前是處于一種被動工作的后備的角色和定位,如果換一種思路,將電池定位成主動工作的儲能的角色,最終發(fā)現(xiàn)情況完全不一樣了。讓電池主動工作,使電池從一個使用機(jī)會很少的消耗品變成頻繁工作的利潤來源或者是平衡電網(wǎng)的一個利器,電池的價值就會得到極大的發(fā)揮。  

　　大型數(shù)據(jù)中心里面,UPS供配電系統(tǒng)的耗電量是非常驚人的。如果搭建兩條1250kW的UPS母線,支撐1000kW的IT負(fù)荷,加上UPS系統(tǒng)的損耗,10年下來總計電量為9200萬度電。中國的很多城市采用峰谷電價計費(fèi)模式,思考一下,如果把電池定位成一個分布式的儲能系統(tǒng),控制電池根據(jù)峰谷計費(fèi)的時段,進(jìn)行主動的充電和主動的放電,利用電價差進(jìn)行套利,情況會怎么樣呢?  

　　一般來講峰谷電價差大約是1.1元/kWh,傳統(tǒng)的12V100Ah的鉛酸蓄電池,它所儲存的電能大致是1.2kWh,如果每天進(jìn)行2次充放電,刨除我們預(yù)留的20%～30%的容量以及考慮充放電效率,會發(fā)現(xiàn)每只電池每天能夠掙到0.75×2=1.5(元),一年掙到550元,一只12V/100Ah鉛酸蓄電池采購成本大約1000元,即兩年即可收回電池成本。  

　　那么儲能定位帶來的另外一個功能就是扛峰(削峰)的功能(圖5)。對于大型的數(shù)據(jù)中心(特別是ColoIDC),從設(shè)計師和用戶的角度,希望申請到一臺電網(wǎng)變壓器,能夠盡力的發(fā)揮變壓器的容量,讓它能夠帶更多的IT負(fù)載,可以賣出更多的機(jī)柜,可以掙到更多的錢,這樣的話,這個數(shù)據(jù)中心的商業(yè)模式才更加成功。怎樣才能夠讓一個2500kVA的變壓器能夠帶更多的負(fù)載呢?很明顯就是要提高負(fù)載率。但是IT負(fù)載它不是一條直線,它是一條曲線,根據(jù)不同類型的應(yīng)用,峰峰值在5%～20%之間。如果設(shè)計負(fù)載率太高,當(dāng)IT在峰值的這一點(diǎn)的時候,就會超過變壓器的容量,也就是過載。這個是不被允許的。 

　　思考一下,在IT負(fù)載的峰值的時候,可否用電池儲存的能量來為超出變壓器能力的這一塊峰值負(fù)荷供電,這樣變壓器就不會過載了。其實這就要求UPS有這么一個功能,叫做扛峰的功能,它可以同時從電網(wǎng)吸收能量,加上電池組儲存的能量,一起給逆變器供電,來帶IT負(fù)載。有了扛峰這個功能就可以真正的提高變壓器的負(fù)載率,同時又不用擔(dān)心過載。對于IDC數(shù)據(jù)中心來講,是非常重要而實用的一個功能。  

　　傳統(tǒng)的被動的后備工作模式下,電池每年工作2次每次放電1min,加上每半年一次的對電池的維護(hù)充放電的操作,一年下來電池的充放電次數(shù)平均不超過10次。但是如果進(jìn)行主動的儲能工作模式,峰谷電價套利和扛峰運(yùn)行,給電池帶來了新的問題,即電池的循環(huán)次數(shù)大大提高,每年要求500～1000次循環(huán)次數(shù),10年運(yùn)行期內(nèi),共計5000～10000次循環(huán)。  

　　傳統(tǒng)的鉛酸電池的循環(huán)壽命只有500～800次,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了這個要求。因此,必然的,從2010年起,鋰電池開始進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。只有鋰電池才能夠滿足這種主動的儲能工作模式的循環(huán)壽命要求。 

　　目前鋰電池的循環(huán)壽命可以達(dá)到7000～1萬次,寧德時代最新的鋰電池理論上的循環(huán)壽命達(dá)到了15000次。如果按照每年1000次的放電循環(huán)的話,我們會發(fā)現(xiàn)鋰電池也可以用到十年以上,跟UPS主機(jī)的使用壽命相匹配了,再也不用每3～5年更換一次電池了。  

　　鋰電池不單單是具有更長的循環(huán)壽命,可以將UPS系統(tǒng)帶入嶄新的分布式儲能定位,鋰電池與鉛酸電池比,還具有如下優(yōu)點(diǎn):體積為1/3,重量為1/3,理論日歷壽命15年(匹配UPS生命),內(nèi)置BMS電池管理系統(tǒng)(不需要人工維護(hù)管理),適合0～50℃環(huán)境溫度,1C快速充電,全生命周期TCO降低30%等。隨著新能源電動汽車、儲能等的驅(qū)動,鋰電池初期采購成本進(jìn)一步降低,會加速進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。  

　　為了使得電池具有主動的儲能工作的能力,UPS主機(jī)的設(shè)計和功能也必須進(jìn)行改變。比如說它應(yīng)該具有主動控制的峰谷電價充放電的工作模式。比如,它應(yīng)該具有讓電網(wǎng)和電池的能量同時加起來給逆變器供電的這種扛峰的功能。另外,為了能夠?qū)︿囯姵乜焖倩貨_,UPS還必須具有大功率的充電功能。傳統(tǒng)的三相大功率UPS的充電能力是10%～20%,而新型的能夠兼容鋰電池的三相UPS的充電功率可以達(dá)到35%～80%。 

　　如果UPS不做出這些硬件和軟件控制上的改進(jìn),當(dāng)然它也能夠跟鋰電池進(jìn)行配合工作,只不過它是把鋰電池當(dāng)成了普通的鉛酸電池來使用,根本沒有發(fā)揮鋰電池這種主動的儲能的工作模式帶來的好處。  

　　需要高度注意的是,今天的用戶即使不采用鋰電池,也應(yīng)該采購具有兼容鋰電池的UPS主機(jī)(35%～80%充電能力、峰谷電價套利功能、扛峰功能),否則用戶在接下來的10年時間中都會被套在注定競爭力越來越弱的鉛酸蓄電池上面。

　　模塊化、類模塊化技術(shù)-單相和三相功率模塊

　　三相UPS電源的第四個發(fā)展趨勢是模塊化和類模塊化架構(gòu)的應(yīng)用。大型數(shù)據(jù)中心一般要搭建多條大功率UPS供配電系統(tǒng),比如說搭建多條1500kW的UPS母線,傳統(tǒng)的方案是采用多臺UPS并機(jī),比如說3臺500kW或者是四臺500kW的并聯(lián)。如圖6所示,UPS主機(jī)的外圍需要大量的配電柜、內(nèi)置每臺UPS的輸入輸出旁路等的斷路器,并通過多條交直流電纜將配電柜、電池開關(guān)柜和UPS主機(jī)進(jìn)行連接。這是非常典型的傳統(tǒng)的多臺并機(jī)的大功率UPS系統(tǒng)。 

　　這種系統(tǒng)操作起來是非常復(fù)雜的,因為斷路器非常多,而且有操作順序的要求。新型的模塊化和類模塊化的UPS供配電系統(tǒng),徹底地改變了這種復(fù)雜狀態(tài)。如圖6所示,一套大功率的模塊化UPS供配電系統(tǒng),每一個UPS功率柜是250kW,根據(jù)功率的需求,可以用多個250kW的功率柜進(jìn)行并聯(lián),而且可以共用一個大功率靜態(tài)旁路柜來提高整個系統(tǒng)的可用性。我們可以看到在UPS主機(jī)的外圍只需要少量的輸入輸出配電柜和交直流電纜,因為250kW的功率柜之間都是采用銅母排進(jìn)行連接的,用銅母排取代了電纜,250kW功率柜的內(nèi)部都有自動控制的接觸器,取代了人工操作的外圍的斷路器。  

　　因此新型的模塊化大功率的UPS的并機(jī)系統(tǒng),由于采用了這種柜體間銅母排連接和內(nèi)置接觸器的模塊化和類模塊化的輕預(yù)制化架構(gòu),大大的簡化了整個UPS供配電系統(tǒng),操作維護(hù)簡單,降低了人為的故障,提高了可用性。模塊化類模塊化架構(gòu),還可以降低制造采購和維護(hù)成本,降低維修時間,提高可用性。 

　　對于大功率的UPS供配電系統(tǒng)來講,采用的功率模塊更傾向于單相模塊,每相功率較大,這樣可以降低并聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù),降低并聯(lián)環(huán)流,提高可用性,例如250kW的功率柜,內(nèi)部是6個42kW單相模塊,兩兩并聯(lián),分別形成ABC相,一共3個并聯(lián)點(diǎn),每個是2模塊并聯(lián)。但如果采用5個50kW三相模塊并聯(lián),就有3個并聯(lián)點(diǎn),每個是5模塊并聯(lián),復(fù)雜程度增加,環(huán)流增加,可用性降低。 

　　對于中等功率的UPS系統(tǒng)來講,由于功率不大(<200kW),需要并聯(lián)的模塊數(shù)不多,更多的還是采用三相功率模塊。施耐德在最新的VS系列UPS系統(tǒng)里面采用了50kW的三相功率模塊,可以看到由于采用了混合三電平的逆變器,功率模塊的效率達(dá)到了97.5%,只有3U安裝高度,重量低至38kg,一個人就可以進(jìn)行更換。