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UPS的发展趋势—模块化

——深圳市艾特网能技术有限公司 温顺理 来源: 日期:2016/1/7 9:48:51 作者:admin

摘要:随着电力电子技术的创新和发展,模块化UPS已逐渐成为业界发展趋势,当下模块化直流电源已成主流产品,输出电压-48V,220V和750V等电压的直流电源均采用模块化结构。交流的模块化UPS也走上了快速发展道路。

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随着电力电子技术的创新和发展,模块化UPS已逐渐成为业界发展趋势,当下模块化直流电源已成主流产品,输出电压-48V220V750V等电压的直流电源均采用模块化结构。交流的模块化UPS也走上了快速发展道路。

一、控制技术的提升使UPS并联模块数增加

为什么如此多的用户选择了模块化直流电源?因为模块化产品有易运输、易安装、易扩容和易维护的突出优点。模块化的直流电源已是行业主流,而交流UPS的模块化却方兴未艾。直流电源输出只有电压幅值一个变量,多个模块如果能保持电压幅值的同步,就可以实现并联输出,直流电源输出端可以加装逆止二极管实现电流反灌保护功能。多模块的直流并联在技术上比较容易实现,直流模块可以60个甚至更多个并联。交流电压源有电压幅值,频率,相位多个变量,实现交流并联的难度比直流并联大很多。自UPS诞生以来,并联的模块数一直受到控制技术的制约。UPS并联技术主要有两种:A,分布式控制(无主从控制); B, 集中式控制,如图1所示:

 

 A,分布式控制

B,集中式控制

1 分布式,集中式控制通讯路由图

分布式没有固定的主控单元,主控单元在并联时竞争产生,当主机故障时,正常模块重新竞争产生新的主控单元,分布式模块间通讯路由有N*N-1/2条;集中式控制有主控模块,各功率模块与主控模块双向通讯,通讯路由有N条或2N条(双冗余控制),如果并联模块增加,两种控制方式的通讯路由数变化如图2所示:  

2:两种控制模式路由数对比图

从图表2中可见,当并联模块超过5个时,分布式通讯路由就大于集中式路由,并且快速上升,在控制芯片的运算速度和路由传输速率一定时,控制模型就决定了并联数量的上限。在现有技术下,分布式的并联模块数量就受到了限制,通常并联模块不超过10个。采用集中式的拓扑在多模块并联时有突出的优点, 10个以上模块通讯路由远远小于分布式并联路由数,当然,主控式也存在缺点,当系统只有一个控制单元时,存在单点“瓶颈”。艾特网能的模块化UPS配置了双冗余的控制模块,2+1冗余的CAN控制总线,彻底消除了通讯节点间的单点“瓶颈”,单系统并联模块数达到20个,可实现8个系统并联,革命性地将并联模块数提升到160个。

二、新技术的采用使单一模块的容量和功率密度提升

随着计算机技术的快速发展,数据中心以海量级数增加,设备的功率密度也日益增加,数据中心的耗能也日益引起人们的关注,这就要求更加节能,更加省地的绿色产品。同时为了方便热插拔,单一模块的体积和重量不能太大,市面上主流的模块容量是5KVA, 10KVA, 20KVA,25KVA, 30KVA40KVA,高功率密度是模块化UPS的发展方向。艾特网能的40KVA模块高度仅仅3U,单一标准机架可装12个模块,提供480KVA的容量,占地面积仅0.5m2,在全球处于领先地位。模块功率密度与模块的效率息息相关,效率提升可减少散热器件和缩小风道,提升模块的功率密度。

艾特高效的功率模块得益于多个先进技术的应用:

1,选用高效拓扑三电平技术(图3);

  

3:三电平拓扑图

2,动态均流,准谐波控制,降低辅助电源和整流功率器件的损耗;

3,优化控制算法,保障UPS在各种负载条件下保持高效率模式;

4,选用世界顶级厂家的第五代IGBT,第五代IGBT采用的场截止结构(Fieldstop)可显著降低开关损耗,沟道栅技术(Trench)可降低饱和压降Vce,从而大大降低产品损耗;

5,选用直流偏置性能更优磁性材料,降低磁损;

6,优化散热布局,配合智能风机调速功能,最大限度降低风扇损耗。

三,冗余式设计实现真正意义的热插拔功能

热插拔技术是模块化UPS的关键技术之一。热插拔可以使客户实现在线扩容,在线维护。根据工信部YD/T 2165-2010《通讯用模块化不间断电源》行业标准要求,各个功能模块(含整流,逆变,充电,监控,旁路)模块具备热插拔功能。艾特网能模块化UPS采用冗余式设计,有别于部分友商的准模块机,艾特网能提供的是一款真正意义的模块化UPS,所有模块(功率,监控,旁路)均可在线热插拔,在更换和增加模块时,UPS保持正常工作状态。

四、模块化UPS大幅提升系统可用性

以一套200KVAUPS供电系统为例,采用传统塔式机搭建,为了实现冗余,通常以N+1方式搭建,假设选择2200KVA塔式机,组成1+1并机供电系统,在相同的配置下,如果采用模块化,配置将更加简单,以200KVA为例,可选用5+1 40KVA模块系统或5+2 40KVA模块系统。模块化UPS工作原理如图4

   

4:模块化工作原理图

从系统可用性分析:

       

模块式UPS具有无与伦比的平均故障恢复时间MTBF,以艾特祁连UM为例,模块更换时间在5~10分钟以内。而传统塔式UPS出现严重故障后,需要专业的服务工程师火速赶到现场,到了现场也会因为种种原因无法快速定位和排除故障,系统恢复正常运行少则需要几个小时,多则几天。两者的差距可以说天差地别。通过数学模型估算,塔式机单机和1+1并机系统可用性约为49左右(99.99%,而模块化UPS可用性是6999.9999%)以上。两者可用性对比见下表:  

客户选用模块化UPS,设备发生故障后的焦虑和无助可以烟消云散,保修到期后还可以省下巨额的维保费用。

模块化UPS多采用小功率模块(相对于输出总容量)并联,而塔式UPS采用N+1模式,模块化UPS发生故障时,因为单模块容量颗粒度低,内置的保险丝和控制电路可以快速动作,切离并机系统,从而保证系统的安全工作,而塔式机单机容量较大,保险丝容量相应较大,控制回路采样点多,结构复杂,当发生一些临界故障时,UPS无法快速正常切离,导致其他UPS将故障UPS当成负载,发生雪崩效应导致整个系统输出中断。这样事故在现场多次发生。某数据中心采用4+1 500KVA并机系统,当其中一台UPS故障时,故障机没有正常退出,将其余四台UPS全部拉垮,也未转到旁路供电,系统输出完全中断,给用户造成了重大损失。考虑故障单元非正常退出的现象,塔式UPS并联系统可用性实际数据远小于理论计算值。

五、模块化UPS满足“绿色节能”的需求

塔式UPS因为难扩容,需要提前规划,一般场景下带载率在10~40%左右,模块化UPS可轻松在线扩容,无需提前规划,一般场景下带载率高于40%。塔式和模块化UPS通常带载率如图5

 

5:塔式和模块化UPS效率对比图                

同样负载下,模块化UPS处于50%负载率,效率可达96%; 塔式UPS处于20%负载率,效率降至94%甚至更低。以200KW负载为例

   

模块化UPS一年总计可以节省电费51773元,能耗降低34.8%

终上所述,在技术日新月益的今天,交流模块化UPS逐渐消除了原有的技术“瓶颈”,模块并联数量和单模块功率容量极大提升。易运输、易安装、易扩容、易维护和绿色节能的特点充分解决了用户的“痛点”,满足了客户的实际需求。在数据中心和通信领域,已成为业界的主流发展趋势。尺有所短,寸有所长,模块化UPS源于高频电力电子技术,在一些环境恶劣,冲击电流大,电机型负载(风机,水泵,空调等)的应用场景,高频UPS的故障率远高于工频UPS,在这此应用场所,仍然建议选择传统的工频塔式UPS以上内容所含部分原理、技术、图片等信息为深圳市艾特网能技术有限公司技术专利及知识产权,未经许可不得转载和抄袭。

                        
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