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UPS技術發展現狀與趨勢

隨著信息處理技術的不斷發展，尤其是計算機的廣泛應用和互聯網的迅猛發展，信息設備對不間斷電源（UPS）供電系統的容量、可靠性要求越來越高，不間斷電源(UPS)的重要性日益凸顯。為了適應各行業用戶對UPS供電系統的更高要求，UPS的技術發展水平也在不斷提高。
　　
　　一、 UPS技術發展現狀
　　
　　1.1UPS技術發展現狀
　　
　　（1）UPS的輸入端加裝輸入濾波器和有源功率因數校正器，并采用串并聯補償技術來降低輸入電流失真度，減小UPS對市電電源的污染，使其向綠色電能變換型電源設備發展。（2）為實現UPS小型化，減小輸出變壓器和輸出濾波器的尺寸，減小電磁干擾，目前已采用串聯諧振逆變器，再經過隔離變壓器和變頻器組成高頻連接的UPS。（3）數字控制已成為新型UPS控制技術發展的主流，即廣泛應用數字信號處理器（DSP），盡可能使控制電路全微處理器化。因為數字控制器精度高，抗干擾能力強。而且計算技術的應用可使UPS更容易實現智能化管理，以便使電源運行在蕞優化狀態。（4）蓄電池是UPS的心臟，一般都使用免維護密封鉛酸蓄電池。目前已有以微處理器監控技術為主的電池管理體系，隨時觀察電池的充、放電狀態，對電池進行保護。（5）采用冗余技術和熱插拔技術。隨著用戶負載的增加以及對高可靠性的要求，多臺UPS并聯冗余運行來提高UPS系統的可靠性、可用性及擴充UPS容量已成為UPS系統配置的一種新趨勢。其關鍵是采用了高可靠的并聯冗余技術。業內廠商采用雙數字處理技術（DSP高速數字信號處理技術和數字化鎖相技術）對有功功率進行高速、精確地分配和控制，大大提高了UPS并聯冗余系統的可靠性。
　　
　　1.2 目前我國UPS的技術發展水平
　　
　　多數UPS生產廠家對大容量UPS復雜的控制及保護電路技術的掌握程度和設計水平,目前還尚未達到能自主靈活設計的程度,在這方面可能也存在一些控制電路芯片的所有權問題。另有一些UPS制造商是以從國外進口零部件在國內組裝貼國內品牌參與市場競爭,還有一些UPS制造商只購進主要零部件,在國內完成整機結構設計并經組裝調試后成為自有品牌的產品。以上兩種生產(合作)方式有利于對國外大容量UPS較深層技術的學習與理解,并能積累一些經驗,在市場競爭中也有一定的價格優勢,但是這種合作方式一般是以只有對方能掌握核心技術為原則。
　　
　　國內的小功率UPS市場已經十分成熟，同質化現象嚴重，在大功率UPS技術方面，一些國內UPS廠商技術堅持自主研發、技術創新，使國產UPS技術提升到閑進水平，在*、技術等方面已經接近。
　　
　　二、UPS技術的發展趨勢
　　
　　UPS供電系統的技術與發展依托于*的功率轉換技術、數字控制技術、高頻開關變換技術、脈寬調制技術、電磁兼容技術、冗余并機技術、智能充放電技術、網絡技術、驅動技術和新工藝技術等綜合技術，已呈現綠色化、模塊化、集成化、高頻化、智能化的發展趨勢。
　　
　　綠色化
　　
　　21世紀是節能與環保的世紀，實現UPS的綠色化，其主要任務實際上就是要減少UPS對市電電網、負載和周圍環境的諧波污染，提高UPS的電能變換效率。UPS對環境造成的污染是由諧波造成的。而實現UPS綠色化的主要方法可采用*的功率因數校正技術、高頻脈寬調制技術、多脈沖整流技術、電磁屏蔽和濾波技術、廣義的軟開關技術、串并聯補償技術等來盡快盡好地實現UPS綠色化。
　　
　　模塊化
　　
　　模塊化是在電源的傳統設計基礎上發展起來的一種新的設計思想，尤其在信息時代，UPS產品不斷推陳出新，模塊化設計的產品正在不斷涌現。如何使產品的模塊化設計全房位地滿足市場的多樣化需求，已引起廠商、開發人員及其標準化研究者的高度重視。
　　
　　模塊化被認為是UPS技術發展的趨勢之一，相對于傳統意義上的UPS，模塊化UPS具有三大優勢：
　　
　　第1，“模塊化冗余并聯”技術避免了能源浪費。在行業用戶的信息網絡供電系統建設中，經常會對UPS的容量產生錯誤的、或是過低或是過高的預計，其結果可能會導致采購成本過高、無法滿足負載需要或造成資源、空間及能源浪費等情況。模塊化UPS通過可擴充的模塊結構有效解決了這一問題，它可以幫助用戶在未來發展不明確的情況下分階段進行建設和投資。
　　
　　第二，高安全、易維護的熱插拔技術突破了應用瓶頸。傳統高UPS在日常維護、設備維護期間均需要采取轉旁路的方式，而負載在這種情況下是不受UPS保護的。因此，如果此時發生電源中斷、過載等故障，將會造成嚴重的損失，并且其維修過程相對繁瑣，不利時效。模塊化UPS系統中采用的熱插拔技術可以允許單體模塊在不需停電的前提下任意進入或退出并聯單元，從而實現了并聯系統的在線維護，同時無需專門的儀器或技術即可進行。
　　
　　第三，電源相位多制技術降低了采購和管理成本。傳統UPS的電源輸入與輸出相位是固定的，因此用戶在進行供電系統建設時，經常會為了顧全不同的相位及容量而增加UPS的數量。在模塊UPS系統下，則可以采用電源相位多制技術來改變過往單一性造成的制約，用戶無需再考慮如何采購不同相位或容量的UPS產品來適應系統的需要。
　　
　　集成化
　　
　　UPS從初始的設備保護和系統保護的純后備電源技術發展到今天的信息保護、智能管理和整體機房集成一體化應用，其內涵已擴展到發電、配電、變換、不間斷電源、機房、動力設備、電力電纜、數據布線、環境監控及系統管理等方面，已不是初意義上的UPS，UPS設備只是該系統的核心部件。
　　
　　一些UPS廠商和供電系統的設計者也意識到這一點，因此在不斷提高UPS設備的性能和可靠性的同時，還加強對整體供電系統的研究，包括：系統中各種設備和環節的相互匹配和可靠性問題以及各種設備和環節連接技術的研究和規范化問題、供電系統的布局(集中式、區域式、分散式)問題等等。由此，一些供電系統廠商提出了供電系統“一體化解決方案”，而其中以端到端一體化解決方案蕞具特色。
　　
　　高頻化
　　
　　近年來，為了提高數據中心PUE（能效比），高頻機型UPS推出了很多新功能，填補工頻機型UPS功能上的不足，也使得高頻機型UPS的優勢更加明顯。
　　
　　高頻UPS與工頻UPS相比所具有的優點
　　
　　1、輸入功率因數高
　　
　　輸入功率因數不超過0.8諧波電流有30%之大。如果前面接發電機，工頻機UPS一般在200kVA，以下的輸入電路都采用了晶閘管6脈沖整流。發電機的容量至少要3倍于UPS容量;如果是單相小功率UPS發電機的容量至少要5倍于UPS容量。
　　
　　諧波電流小于5%,任何容量的高頻機UPS輸入功率因數都可做到0.99以上.前置發電機的容量理論上和UPS功率相同,大大減少了投資和占地面積等。尤其是對市電的充分利用具有良好的經濟意義和社會意義。
　　
　　2、自身功耗小
　　
　　必需外加諧波濾波器或改為12脈沖整流,若要求工頻機輸入功率因數為0.95以上時.如圖1所示。使得工頻機UPS效率比高頻機UPS低5%同為100kVA容量時,工頻機UPS每年要比高頻機UPS多消耗5萬度電!
　　
　　3、對外干擾小
　　
　　機械噪聲影響人的身心健康,工頻機UPS發生電噪聲和機械噪聲。電噪聲影響機器的穩定度.降低工作效率。而高頻機UPS工作在20kHz以上,20kHz人耳聽不到頻率,使工作環境安靜下來。又由于高頻機UPS輸入功率因數高達0.99以上,對外干擾幾乎為零。
　　
　　4、體積小、重量輕
　　
　　而同一廠家的250kVA高頻機UPS重量只有830kg工頻機UPS由于有了輸出變壓器和適應50Hz電感電容等低頻器件使得體積、重量都很大。比如某品牌200kVA工頻機UPS重1380kg。
　　
　　5、全數字技術
　　
　　現在一般發展為數字與模擬相結合的技術。模擬技術的可靠性要比數字技術低。而高頻機UPS技術是一種全數字化技術,工頻機UPS當初采用的模擬技術.可靠性是很高的。
　　
　　6、對電網的適應能力強
　　
　　這又大大延長了電池的壽命。工頻機UPS對于適應輸入電壓±15%變化已很不易;而高頻機UPS甚至適應輸入電壓±30%以上的變化。
　　
　　7、能將并機環流衰減到幾乎為零
　　
　　而變壓器的直接并聯容易產生環流,工頻機UPS并聯是變壓器的直接并聯.而且這個環流的路徑疏通無阻,如圖2a所示;高頻機UPS由于沒有輸出變壓器,其并聯如圖2b所示,可以看出這里的環流路徑上處處是障礙,小于2V電壓差根本形不成環流,而工頻機UPS此情況下就會形成很大的環流。
　　
　　智能化
　　
　　為了適應IT行業的發展，UPS技術中采用數字控制技術、數據采集技術、信號處理技術、電源管理技術、網絡通信技術，計算機硬件及軟件技術來完整實現UPS網絡化、數字化和智能化。以下例舉實現智能化的一些功能和要求。
　　
　　（1）實時監控功能。它對UPS各模擬參量和表示工作狀態的開關量進行實時高速采樣，實現數字式監控。
　　
　　（2）自診斷、自保護功能。UPS將實時采集來的各項模擬參量和工作狀態數據以及系統中的關鍵硬件設備的數據與正常值進行分析比較，以判斷UPS是否有故障隱患存在。如果有故障，根據相應的故障信息級別在控制面板的顯示屏上以友好的圖形界面、文字提示方式報警，或者在現場和控制室以指示燈燈光、報警器嗚叫方式報警、也可以用自動撥通電話等方式報警，并做出相應的保護動作。
　　
　　（3）人機對話的控制方式。大型UPS可向用戶提供監控器液晶顯示屏，以圖形和文字方式顯示工作流程和參數信息。可以提供讓用戶操作的可視化菜單。并以幫助和不斷提示的方式引導用戶按照既定方式處理故障，有效防止誤操作。
　　
　　（4）遠程控制功能。在網絡化時代，UPS不僅應能向由它直接供電的負載設備提供保護，還應該對整個網絡中的運行程序和數據以及數據的傳輸途徑進行全面地保護。這就意味著UPS應配置相應的電源監控軟件、SNMP(簡單網絡管理協議)管理器，使其具有遠程管理能力，用戶可執行UPS與網絡平臺之間的遠程監控和數據的網絡通信操作，使UPS成為網絡系統中的重要組成部分。這樣，由網管員通過網管軟件監控多臺UPS，而且被管理的UPS可以在同一個LAN也可以在不同的LAN，甚至可以通過互聯網，納入網絡管理系統來管理UPS。
　　
　　三．UPS技術發展新方向
　　
　　1.直流高壓UPS
　　
　　高壓直流(HVDC)UPS很有可能是UPS發展的下一個階段，不僅是因為高壓直流UPS幾乎傳承當前所有UPS的熱點和技術前沿技術，也不僅是它能夠兼收傳統UPS和-48VDC通信電源之間所長而摒棄其短，更重要的是它能夠在實現傳統UPS所有功能的基礎上更好地滿足負載供電的可靠性、經濟性和適應性。
　　
　　HVDC供電相對于傳統UPS供電，不但可靠性高、效率高、節能成效顯著，而且特別適用于負載重的機房。該技術可推廣性強，適合通信機房新建及改造。
　　
　　HVDC比傳統的UPS少一個DC/AC逆變器及服務器機架內部的AC/DC整流器，這樣大大提高了供電系統的效率，從而降低供電系統的發熱損耗，發熱損耗的降低也減少了空調的配置。HVDC供電方式的應用可以比采用UPS供電節約電能10%~20%。
　　
　　2.飛輪UPS技術
　　
　　飛輪儲能技術經過多年的探索和演進，呈現一種螺旋式的上升的態勢。早出現的飛輪也是機械能UPS。當時的問題主要是體積和維護上的問題。經過不斷的努力和探索，飛輪儲能技術也已有了新突破：將*的集成真空磁懸浮飛輪儲能技術和在線互動式UPS技術結合在一起。二者結合在一起既實現了傳統的飛輪儲能特點，還結合了靜態UPS的供電特點。飛輪UPS產品可以與傳統UPS兼容，也可以再配置同樣容量的傳統UPS相互替換，提高了用戶的開放性和靈活性。
　　
　　飛輪UPS與傳統UPS相比，運行效率非常高。在50%的負載情況下，飛輪UPS效率為97%，40%的帶載情況效率為96%。而傳統UPS在50%的負載只在87%左右，40%的帶載率時會降到83%。因此在帶載率越低的工作場合，飛輪UPS所節約的電能會越多。這對于數據中心的節能環保具有現實意義。另外，飛輪UPS運行的噪音非常小，*符合機房標準，噪聲值小于70分貝。

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