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四大趨勢看清UPS技術的未來

  2019年08月02日  

  雲計算、大數據等顛覆性技術的發展突飛猛進,各行各業正馬不停蹄地邁向數字化時代。面對數字化轉型的挑戰,企業需要能夠迅速高效地響應業務變化需求。在整個IT架構的變革過程中,數據中心的創新與變革一直備受關注。作爲數據中心的動力源泉,UPS(三相不間斷電源)配電系統不僅存在很大的發展空間,也一直存有迫切的創新需求。用戶對UPS供配電系統的需求主要集中在三個方面:高可用性)、全生命周期的總成本、UPS供配電系統對運輸安裝就位及場地的適應性以及使用操作維護過程中的靈活性。我們認爲,基于用戶這三方面的要求,未來UPS將呈現四大技術趨勢。‍‍

1. 革命性的超級旁路優先運行模式

  研究發現,傳統的逆變器優先運行模式(雙變換模式)和普通旁路優先運行模式,即ECO模式(經濟模式)在可用性方面都存在較大的弱點。雙變換模式輸出交流電壓精度爲1%,能量經過整流器和逆變器進行了兩次100%的轉換,UPS整機效率只有90-95%。但由于IT設備對交流電的精度要求不高,該模式下1%輸出精度這一優勢並沒有發揮其意義。反過來看,該模式下元器件的疲勞老化嚴重,壽命降低,導致UPS産品可用性降低。而ECO模式下,UPS優先運行在靜態旁路,由市電直接給負載供電,帶來的最大好處是將效率提高到了99%。但是市電電網故障千變萬化,該模式並不能100%保證從旁路模式切換到逆變器模式,當切換時間超過IT設備能夠承受的範圍時,就會造成IT設備重啓,降低UPS可用性。

  圖1. 革命性的超級旁路優先運行模式

  2012年,施耐德電氣研發出具有革命性的超級旁路優先運行模式(E變換模式),並獲得該項的技術專利,2014年‍‍開始全面應用到Galaxy V系列産品中。該模式下,逆變器與旁路市電並聯工作,逆變器精確控制的結果是最終實現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負載所需要的電流。因此市電的輸入功率因數可達>0.99,輸入的諧波電流<3%。該模式下UPS提供一級供電質量,保證IT設備的正常運行。同時,逆變器還可以給電池提供10%的充電能力。‍‍當市電電網有問題的時候,會自動關斷旁路市電供電,由于不存在切換時間,或者說切換時間=0ms,從而保證了可用性。另外,特殊的可控硅關斷控制技術,也確保電池的能量在任何情況下都不會倒灌回電網。

  超級旁路優先運行模式最大的優點在于,電容電感功率器件等沒有承受所有的負載電流,長期處于輕載運行,‍‍因此元器件的疲勞老化輕微,壽命延長,系統可用性提高,能夠‍‍滿足用戶高可用性、高效率、高輸入性能指標的要求。‍

2. 多電平逆變器技術

  傳統的‍‍工頻機和高頻機‍‍都采用的是兩電平逆變器的技術。以常見的高頻機來說,高頻機兩電平逆變器架構中,其功率器件IGBT的承壓就是直流母線電壓800V,只能挑選‍‍耐壓值爲1200伏甚至1500伏的‍‍IGBT功率器件。而耐壓值越高的功率器件,‍‍其失效率越高。‍‍因此爲了提高逆變器的可能性,必須降低功率器件的承壓。‍‍

  三電平逆變器通過增加功率器件串聯來分擔高頻機的800V直流母線電壓,使得每一只器件‍‍的承壓降低到400V,‍‍這樣就可以選擇600或者800伏耐壓的功率器件,‍‍從而提高可用性。四電平逆變器能夠使功率器件的承壓降低到直流母線電壓的1/3即266伏。‍‍因此可以采用500V或者600V耐壓的功率器件,‍‍使得逆變器的可用性得到進一步的提高。從效率的角度來講,三種技術的效率分別爲94.5%,96%,96.5%。

  圖2. 新型混合三電平逆變器‍‍

  多電平逆變器的缺點在于其增加了‍‍功率器件的數量,這‍使得制造成本提高,理論上故障率也會相應提高。而采用‍‍混合型架構的三電平逆變器技術增加了一個零電壓開關的控制環節,‍‍使得IGBT的開關損耗減少了50% ,‍‍同時功率器件的數量也得到了降低。

  新型混合三電平逆變器的效率達到了97.5%,只用了24個功率器件。‍‍因此新型的混合三電平逆變器技術不但提高了效率,還降低了元器件的數量,降低了成本,‍‍同時,‍‍理論上來看,由于元器件的數量的降低,可用性也得到了提高。‍

3. 從後備到儲能——電池角色的轉變

  我們都知道,電池是UPS供配電系統中非常重要的一環,但是電池在‍‍絕大多數情況下都處于後備的被動工作的‍狀態。中國10KV電網的年度平均斷電次數爲1.22(2018年國家電網、南方電網統計),平均每年數據中心的電池大概會有2次的使用機會,配置自啓動發電機的情況下電池每次只工作一分鍾,使用率非常低。但是電池日常維護工作量非常巨大。另外,對于大功率UPS系統來說,在10-15年的生命周期中,電池要更換2-3次,這導致電池的成本超過UPS主機的成本。

  如果將電池定位成主動工作的儲能角色,電池的價值就會得到極大的發揮。

  電池的‍‍‍‍儲能定位帶來的一大好處就是降低成本。按照中國大多數城市的峰谷電價計費模式,如果把電池定位成一個分布式的儲能系統,‍‍控制電池根據峰谷計費的時段進行主動充電和主動放電,‍‍利用電價差進行套利,傳統的12V 100AH的蓄電池儲能大約爲1度電,理論上每天可獲利0.75-1.5元。

  圖3. 抗峰功能

  對于大型的數據中心(特別是大型雲計算數據中心、托管數據中心等),提高變壓器的負載率支持更多的機櫃是該數據中心商業模式更加成功的關鍵。 由于IT負載不是一條曲線,而是一條變化的曲線,會有峰值,因此在增加負載率的同時,應避免出現變壓器過載情況。這時可以考慮用‍‍電池儲存的能量‍‍爲超出變壓器能力的這一部份峰值負荷供電。這就要求UPS具有“扛峰”功能:電網吸收的能量+電池組儲存的能量,一起給逆變器供電支撐IT負載。扛峰功能可以真正地提高變壓器的負載率,同時又不用擔心過載。‍‍對于大型數據中心來講,是非常重要且實用的一個功能。‍

  主動工作的分布式儲能的定位,要求電池能滿足500-1000次循環次數/年,傳統的鉛酸電池只有500次循環壽命,不能滿足要求。而锂電池的循環壽命可以達到10000-15000次,因此锂電池得以快速進入數據中心。‍‍如果按照每年1000次的‍‍放電循環的話,锂電池可以使用10-15年,與UPS主機的使用壽命相匹配,不再需要每3-5年更換一次電池。

  新的儲能模式要求UPS主機的設計和功能必須進行改變。例如,UPS應該具有主動控制的峰谷電價充放電的工作模式;讓‍‍電網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,爲了能夠對锂電池快速回沖,UPS還必須具有大功率的充電功能。‍‍傳統的三相大功率UPS的充電能力是10%-20%,‍‍而新型的能夠兼容锂電池的三相UPS的充電功率可以達到35%-80%。‍‍

  需要高度注意的是,今天的用戶即使不采用锂電池,也應該采購具有兼容锂電池的UPS主機(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競爭力注定越來越弱的鉛酸蓄電池上面。

4. 模塊化、類模塊化技術-——單相和三相功率模塊

  如圖示傳統的多台並機的大功率UPS系統,UPS主機的外圍需要大量的配電櫃、內置每台UPS的‍‍輸入輸出旁路等的斷路器,‍‍並通過多條交直流電纜將配電櫃、電池開關櫃和UPS主機進行連接。因爲斷路器數量較多,並且有操作順序的要求,因此‍‍這種系統操作起來是非常複雜的。

  圖4. 新型的模塊化和類模塊化的UPS供配電系統

  新型的模塊化和類模塊化的UPS供配電系統徹底地改變了這種複雜狀態。‍如圖4右邊所示,一套大功率的模塊化的UPS供配電系統,可以根據功率的需求並聯多個功率櫃,通過共用一個大功率靜態旁路櫃提高整個系統的可用性。功率櫃內置自動控制的接觸器,取代外部的接觸器,櫃體間采用銅母排連接,取代電纜線,因此UPS主機的外圍只需要少量的輸入輸出配電櫃和交直流電纜即可。‍‍

  由于采用了這種櫃體間銅母排連接和內置接觸器的模塊化和類模塊化的輕預制化架構,新型的模塊化大功率的UPS並機系統架構簡化,‍‍操作維護簡單,降低了人爲的‍‍故障,提高了可用性。模塊化還可以降低制造采購和維護成本,降低維修時間,提高可用性。

  ‍對于大功率的UPS供配電系統來講(>500KW),它所采用的功率模塊更傾向于采用單相模塊,模塊功率40-50KW,這樣可以降低並聯的節點數,降低並聯環流,提高可用性。對于中等功率的UPS系統來講(<200KW),需要並聯的模塊數不多,更多的還是采用三相功率模塊。‍‍施耐德電氣在最新的Galaxy VS系列UPS系統裏面采用了50KW的三相功率模塊,由于采用了混合三電平的逆變器,其‍‍功率模塊的效率達到97.5%,只有3U安裝高度,重量‍‍低至38公斤,單人就可以進行更換。

  在數據中心三相UPS電源領域,施耐德電氣引領了技術的發展方向。2010年,‍‍施耐德電氣搭建了Galaxy V UPS系列的研發平台,在此之上不斷地取得相關的技術專利,比如,2010年取得四電平逆變器專利,2012年取得超級旁路優先運行模式技術專利,‍‍2018年取得混合三電平逆變器技術專利等等,這些技術專利都融入到了其Galaxy V系列的家族産品中。‍‍到今天爲止,施耐德電氣Galaxy V系列家族已經涵蓋10-4000KW的功率段,成爲UPS市場上耀眼的明星。

  值得一提的是,施耐德電氣最新推出的全新Galaxy VS UPS産品采用了上面所提到的顛覆性技術,實現了諸多創新。Galaxy VS基于完全意義上的模塊化設計,增加了後期維護的可靠性,提高了設備的可用性。首次使用軟開關混合三電平逆變技術,效率高達97%,減少了元器件數量,故障點相對降低。施耐德電氣獨創的超級旁路優先運行模式,完美融合了雙變換模式和ECO模式,既保證安全可靠性,滿足一類供電標准,又可以把整個設備的效率提升到99%。Galaxy VS給客戶提供了更多的儲能選擇,既能使用鉛酸電池,又可用锂電池。另外,依托施耐德電氣新一代EcoStruxure架構,可以對Galaxy VS UPS實現數字化管理。

  圖5. Galaxy VS

小結

  數據中心行業一方面不斷經受著高速發展的新技術的沖擊,另一方面需要始終滿足用戶不斷變化的各方面需求。施耐德電氣在數據中心領域深耕20多年,從UPS配電系統到數據中心全生命周期管理,再到新一代基于EcoStuxure架構的數字化管理及服務平台,施耐德電氣始終引領著整個行業的技術創新與發展,推動行業數字化轉型進程。

(施耐德電氣關鍵電源業務部首席技術顧問 石葆春)

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