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UPS高頻機與工頻機技術與性能之爭中的若干概念問題
  • UPS設備IGBT整流技術的成熟和無輸出變壓器產品(高頻機)推向市場,已經歷了20多年,在與傳統雙變換可控整流技術UPS(工頻機)爭奪市場的漫長過程中,始終存在著技術和性能的概念之爭。本文總結了在爭論中出現的,并長期影響市場走向的14個概念,及其產生和存在的原因。為有力地推動性能更優越的高頻機UPS在數據中心中的推廣和應用,認真地分析并對錯誤概念做科學的探討是非常必要的。
  • 1 去掉輸出變壓器是UPS電路技術的進步
      
      UPS技術和產品產生于60年前,60年來,隨著功率半導體器件和電力電子技術的進步,UPS設備經歷了由帶多個輸出工頻變壓器到單個輸出工頻變壓器再到去掉輸出變壓器的演變過程,如圖1所示。
      
      性能更好的大功率IGBT器件和更先進的控制技術的出現,為UPS設備從根本去掉輸出隔離變壓器創造了物質條件,使其在高頻化、小型化、節能化和綠色環保化方面取得了長足的進展,這就是人們所說的“高頻機”。這種機型集中體現了UPS電路技術的進步,代表著UPS技術的發展方向。
      
      高頻機UPS的性能優勢可概括為以下五個方面:
      
      ①高輸入功率因數,低輸入電流失真度,輸入功率因數高達99%,輸入諧波含量小于3%;
      
      ②工作效率提高3%,可達到95%;
      
      ③重量輕、體積小,功率密度(kW/m2)比工頻機提高40%左右;占地面積(m2)比工頻機減少25%左右,重量比工頻機減少50%~80%;
      
      ④成本低,整機去掉輸出隔離變壓器、輸入12脈沖移相變壓器、5次或11次無源濾波器;
      
      ⑤對電性能指標的改進,輸入電壓范圍更寬,三相負載不平衡的適應能力強,輸出動態性能好。
      
      2 工頻機UPS輸出變壓器的功能
      
      了解傳統UPS輸出隔離變壓器的功能是非常重要的,因為只有當用電路措施能夠完全實現它的功能時,才有可能在新一代設備中替代并取消它。
      
      應該說,這個變壓器是工頻機全橋逆變器不可分離的構成部分。
      
      要提示的概念(一)輸出變壓器的功能:升壓和產生三相四線輸出的零線。
      
      (1)輸出變壓器的功能之一是為單相負載/三相負載提供所需的零線
      
      帶輸出變壓器的UPS的DC/AC逆變器通常是由全橋電路組成,如圖2所示。輸出端必須加變壓器,否則就完不成輸出單相或三相四線交流電壓的功能。所以此變壓器應視為產生輸出零線的變壓器。
      
      (2)輸出變壓器的功能之二是對輸出電壓的匹配作用
      
      傳統大中型UPS主回路結構采用可控硅整流將輸入的交流電整流為直流電,電池直接(或經過DC/DC變換)掛在直流母線上。當輸入市電正常時,靠可控硅整流電路的調節為橋式逆變器供電。從系統結構可以看出,從整流輸入到逆變輸出的過程中,每個環節都是降壓環節:可控硅整流要“斬掉”一部分輸入電壓,其輸出電壓恒定的代價是輸出電壓恒定在低于全波整流輸出電壓的某個數值上。而逆變環節同樣是一個降壓環節,逆變器采用脈寬調制(PWM)方法逆變出正弦交流電,其結果同樣是輸出電壓等級的再次降低。正是由于上述的原因,在此種結構的UPS逆變器中,輸出變壓器起著電壓匹配和提升的作用,將逆變器輸出的電壓升到合理的范圍。工頻機輸出變壓器設計參數如圖3所示。
      
      根據參考文獻[1]的分析,輸出變壓器的實際升壓比應該是1∶1.8左右。
      
      需要糾正的概念(二)在系統中,工頻機UPS輸出變壓器沒有隔離功能
      
      在UPS供電系統中,UPS設備的一個至關重要的功能是當輸出過載或者UPS逆變器故障時,自動轉靜態旁路供電。另外,在系統中還設置了維護旁路,當UPS需要維護時可手動轉維護旁路向負載供電。執行這兩個操作時,都是由旁路輸入三相四線電壓直接向負載供電,所以系統的零線要與負載端的零線必須短接在一起。這就決定了帶輸出變壓器的UPS的變壓器次級新產生的零線也必須連接到輸入電源系統的零線上,如圖4所示。也就是說,UPS機內的變壓器沒有系統隔離的功能。
      
      如果一定賦予輸出變壓器具備系統隔離功能,就需要把變壓器輸出零線(也是UPS三線輸出零線)直接接系統地,如圖5所示。其后果是,系統正常工作時,單相IT負載工作電流通過系統零線到系統接地極,然后通過系統地線回到輸出變壓器零線,結果是地線中有100%的工作電流流過,系統地電位浮動,造成的地線壓差比零線二次接地(零線地線并聯)還要大4倍(零線地線串聯),嚴重影響IT系統運行的穩定性和安全性。
      
      實際上,工頻機UPS廠商的服務工程師也深諳此中道理,他們在實際安裝時毫無例外地都是把輸出變壓器(UPS逆變端變壓器)的零線接在系統零線上,所以“工頻機UPS輸出隔離變壓器有隔離作用”這一概念純屬捏造。
      
      需要糾正的概念(三)工頻機UPS輸出變壓器在系統中沒有抗干擾功能
      
      由于變壓器的阻抗有一定的感性成分,因而說這個變壓器具有一定的抗干擾作用是可以理解的。但是逆變器輸出變壓器卻不是為抗干擾而設置的,它的抗干擾能力也是有限的。
      
      并不是隔離變壓器就能抗干擾,普通線性隔離變壓器的抗干擾能力是有限的。首先,對于輸入電壓中存在的低頻干擾和電壓畸變,變壓器不可能也不允許“抗干擾”,否則通過變壓器傳輸的電壓波形就會失真;而對由地線環路帶來的設備間的相互高頻干擾有一定的抑制作用,但因繞組間存在的分布電容,使它對共模干擾的抑制效果隨干擾頻率的升高而下降。再者,變壓器是靠磁耦合實現原邊和副邊的電壓變換的,因而它也不具備抗差模干擾的功能。在1kHz~100MHz的干擾頻率范圍內,普通線性隔離變壓器對共模和差模干擾的衰減能力都微乎其微。對普通隔離變壓器的共模抑制能力的分析表明,要提高對共模干擾的抑制能力,關鍵是減小變壓器繞組的匝間耦合電容,為此需要在變壓器初、次級間加設屏蔽層,而這正是所謂的“超級隔離變壓器”,如圖6和圖7所示。
      


      圖6中,C1為初級繞阻與屏蔽層之間的分布電容,C2為次級繞阻與屏蔽層之間的分布電容,Z1為屏蔽層接地阻抗,Z2為負載的對地阻抗,E1為初級干擾(共模型)電壓,E2為E1通過耦合傳導到次級的干擾(共模型)電壓。如果C1和C2的阻抗遠大于屏蔽層接地阻抗,則偶合傳導到次級的干擾電壓E2就會遠小于E1。
      
      超級屏蔽隔離變壓器有3屏蔽層,靠近初級繞阻的屏蔽層連接在初級中性線上,可以濾掉初級出現的高頻差模干擾。而對50Hz的工頻電壓則不產生任何影響,靠近次級繞阻的屏蔽層連接在次級中性線上,可以濾掉次級出現的高頻差模干擾。中間屏蔽層則與變壓器外殼連在一起,再接大地,主要用來濾掉共模干擾。
      
      需要糾正的概念(四)工頻機UPS輸出變壓器不具備也不允許有耐負載電流沖擊的能力
      
      一種說法是,工頻機UPS輸出變壓器有抗負載電流沖擊的能力。我們姑且不說一個線性變壓器具有抗負載沖擊能力是否有理論根據和實驗數據,而僅就UPS輸出變壓器供電的負載性質而言,也不允許它具備這種能力。UPS輸出變壓器是直接對IT設備供電的,IT負載的沖擊有兩種,一是設備開機時的啟動電流,二是系統正常運行時設備投入運行的動態電流。特別是正常運行時設備投入運行的動態變化電流,是絕對不允許“抗”和“抑制”的,如果IT設備投入運行時,輸入電流有40%的突然增加,為其供電的電源UPS就必須瞬間給出,否則就會影響IT設備的正常運行。
      
      變壓器并不儲備能量,負載的任何沖擊都會傳遞到逆變器主電路,UPS輸出可緩解負載電流沖擊對逆變電路影響的器件是可儲能并可瞬間給出變化電流的電容,而非輸出變壓器。
      
      3 輸入無源濾波器嚴重影響數據中心備用油機的啟動和運行
      
      現代數據中心對供電系統的基本要求是供電的連續性,而要保證連續供電,就必須配備可連續運行的備用柴油發電機。如果數據中心配置了工頻機UPS,市電掉電后,會經常發生柴油發電機啟動后投入運行失敗的問題。根本原因在于,柴油發電機帶容性負載的能力很差,而工頻機UPS輸入無源濾波器在市電掉電后表現出極強的容性特性。
      
      要強調的概念(五)容性負載對發電機運行的不利影響
      
      在數據中心供電系統中,柴油發電機是否能正常運行,主要取決于其輸出阻抗是否與負載匹配。
      
      發電機依靠電壓調節器控制輸出電壓。電壓調節器檢測三相輸出電壓,以其平均值與設定的電壓值相比較。調節器從發電機內部的輔助電源取得能量,通常是與主發電機同軸的小發電機,傳送DC電源給發電機轉子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降,控制發電機定子線圈的磁場(或稱為電動勢EMF)的大小。
      
      圖8所示為發電機輸出等效電路,圖8(a)為帶純感性負載的簡化示意圖。圖8(b)為帶純容性負載的簡化示意圖。
      
      在圖8(a)中:-電動勢;-發電機內阻,包括感性和阻性成分;感性負載電流;-發動機輸出電壓。
      
      內阻包括感性和阻性部分。因為假設負載是純感性的,在相量圖中電流滯后電壓正好90°電相位角。如果負載是純阻性的,的矢量圖曲線將重合(或同相)。實際上多數負載介于阻性和感性之間。
      
      電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量×表示。它實際上是與同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降的矢量和,因為電動勢必須等于發電機內阻的電壓降和輸出電壓之和,則電壓調節器改變,可以有效地控制輸出電壓
      
      圖8(b)中,用純容性負載代替純感性負載,在這種情況下,輸出電流方向正好和感性負載時的相反。電流超前電壓正好90°的相位角,內阻電壓降矢量×的方向也相反。則×的矢量和
      
      對于與感性負載時相同的電動勢,在容性負載時就產生了較高的發電機輸出電壓,所以電壓調節器必須明顯地減小定子線圈的磁場。因為發電機的轉子含有一個永久性磁場,該永久性磁場將在一個方向連續勵磁,即使電壓調節器完全關閉,轉子永久性磁場連續勵磁產生的電動勢仍足以對電容負載充電并產生電壓,這種現象稱為“自激”。自激的結果是過壓或者是電壓調節器關機,發電機的監控系統則認為是電壓調節器故障(即“失勵”)。
      
      討論了油機的輸出特性后,再看看UPS在市電掉電后的工作狀態,如圖9所示。
      
      此時UPS的工作狀態是:市電掉電后,電池通過DC/AC逆變向負載供電,輸入端AC/DC控制關斷,UPS輸入斷路器并未關斷,此時油機啟動正常后經ATS轉換面對的負載是UPS無源濾波器。待油機啟動切換成功后,UPS檢測到輸入電壓正常后才轉到市電供電狀態。
      
      要提示的概念(六)油機啟動后切換時面臨的是空載UPS
      
      要糾正的概念(七)油機啟動切換后的負載與UPS是否緩啟動無關
      
      一種說法是,UPS輸入可以緩啟動,這樣可減輕對油機啟動加載的壓力,顯然這種情況是不存在的。
      
      要糾正的概念(八)UPS啟動切換是否成功與UPS的輸入功率因數和諧波含量無關
      
      一種說法是,工頻機輸入功率因數完全符合標準要求,輸入功率因數可達0.95,諧波小于10%,不會對油機啟動和切換產生影響。這種說法是沒有意義的,實際情況是,此時UPS主機輸入不產生任何諧波,油機啟動和切換與UPS輸入功率因數和諧波沒有任何關系。
      
      要明確的概念(九)在UPS輸入空載情況下,無源濾波器呈現純容性阻抗
      
      眾所周知,工頻機UPS輸入無源濾波器的濾波效果隨著輸出負載的減小而變差,當負載為零時,無源濾波器會呈現由電容量決定的純容性特性,所以,市電掉電油機啟動后,將面臨純容性負載切換。
      
      要明確的概念(十)
      
      在UPS1+1冗余系統中,負載的容量是一臺UPS額定容量,而無源濾波器相對發電機確(卻)是兩臺相加的
      
      在1+1冗余系統中,或2N供電系統中,負載的容量是一臺UPS額定容量的容量,而油機啟動切換時的負載卻是兩臺額定容量UPS的容性無源濾波器,而且UPS冗余度越高,例如2(N+)系統,對油機啟動切換的壓力越大。
      
      需要提示的概念(十一)
      
      為了保證數據中心備用柴油發電機能夠正常啟動切換,當配置工頻機UPS時,就需要大幅度增大油機容量。這里涉及到高頻機與工頻機對油機容量配置的影響。
      
      表1和表2分別列出的是油機只帶UPS系統和油機為整個數據中心供電時,針對工頻機和高頻機兩種情況的油機容量與負載容量配置的比較。
      
      

    從表中數據可以看出,由于高頻機輸入功率因數高,不需要配置無源濾波器,當系統需要配置柴油發電機時,發電機容量與負載的容量比,只為UPS供電為1.3倍,為整個數據中心供電為大于或等于系統總用電量,特別是,這個配比與UPS是否冗余無關。
      
      當配置工頻機UPS時,需要的油機容量顯然大很多,只為UPS供電為2~4倍,為整個數據中心供電為大于或等于1.5~2倍系統總用電量,特別需要強調的是,油機容量與UPS是否冗余有直接關系,在UPS冗余配置時,只為UPS供電為3~5倍,為整個數據中心供電為大于或等于2倍系統總用電量。
      
      當柴油發電機為由工頻機UPS供電的數據中心供電時,油機容量要大幅增加,即便如此,市電掉電時油機是否能正常啟動,仍是一個不確定的因素。
      
      4 工頻機UPS輸入無源濾波器嚴重的污染地線系統
      
      要提示的概念(十二)無源濾波器把工頻機主機產生的諧波濾到哪去了?
      
      工頻機的輸入功率因數和輸入諧波含量通常以是否符合相關標準來衡量,只要符合標準,就認為沒有問題,但是,從來沒有人關心UPS主機產生的諧波濾到哪里去了?圖10揭示了這個隱秘。
      
      UPS輸入的電能質量標準是為電網定的,室外環境保護要求住戶不能把垃圾倒在門外,那么就只好在自家處理了。無源濾波器把工頻機UPS自己產生的諧波絕大都分都導入到系統地線中了,于是在地線中就存在周期性的常態電流。地線也是要傳輸電流的,當地線中存在工頻UPS配置的無源濾波器導入的諧波電流時,地線也會出現同樣波形的地電位變化,且這種變化是周期性的、常規的,波動幅度與地線阻抗和負載大小(濾波效果不同)有關,在一個由多臺工頻機UPS供電的大系統中,就會出現局部地電位的差別,也就是說,整個系統無法保證地線等電位。
      
      需要提示的概念(十三)系統地電位差是造成IT系統設備運行不穩定主要原因之一
      
      在數據中心IT系統中,通過數據線互聯的設備運行時,為了使數據線有公共參考電壓,任何一個互聯的元件都有兩條線:一根連接設備的數據線,另一根連接設備的安全接地線。這種情形稱作“地線環”,下面說明“地線環”將使互聯設備的公共參考電壓產生壓差,會對硬件造成損壞。實際上,系統間地線噪聲和共模噪聲不是一回事,共模噪聲指的是電源相線、零線與地線之間的噪聲。
      
      而系統間地線噪聲指的是互聯設備機地線之間的噪聲。電源保護設備可以減少共模噪聲卻不能減少系統間地線噪聲。
      
      圖11簡單地示出了一個理想的互聯設備流程圖。圖中所有互聯設備的地線共一個地,以便這些設備有一個相同的參考電壓。地線中沒有電流流過,并不受電磁埸的干擾。這樣地線上就不會有壓降,所有點的地壓值都一樣,因而地線系統上就不存在系統內部地線噪聲。
      
      圖12表明互聯產生了系統間地線噪聲。圖中標示出變化的地線噪聲電壓,它引起了兩互聯設備數據線中的地線電流。這個惱人的地線噪聲是由于其它設備的噪聲電流(當然這里指由無源濾波器導入的工頻機UPS輸入諧波電流)流入了地線系統而造成的。
      
      后果是,該噪聲電流產生了噪聲電壓,使各互聯設備的參考電壓不一致,會使數據的傳輸受影響。
      
      如果互聯設備公共電壓參考點間產生壓差達到某一數據線安全電壓閥值,就可能造成設備接口和CPU主板的損壞,還會使數據電纜線發熱。
      
      5 關于市場需求
      
      需要提示的概念(十四)看市場需求時,主要看市場走向
      
      傳統工頻機UPS占據市場已經50年,20年前高頻機推向市場時,市場占有率是從0開始的,發展到今天,在數據中心領域,高頻機市場占有率已經上升到超過80%。
      
      6 結束語
      
      ①衡量一種技術和一個產品優劣的兩個方面
      
      第一、產品技術本身的先進性和產品性能優勢(指標,節約用銅);
      
      第二、針對特定客戶的市場需求,沒有最佳的產品,只有更優的方案。
      
      ②高頻機UPS的性能全面高于工頻機UPS
      
      ③現代數據中心的連續性(剛性)要求,使工頻機不再適用現代數據中心
      
      參考文獻
      
      [1] 陳冀生、張廣明““高頻機”將成為現代數據中心UPS設備的首選機型”UPS應用?2013年7月
      
      [2] 張廣明“數據中心基礎設施規劃設計中的若干問題”經濟出版社2015年
      
      作者簡介
      
      肖斌,男,1974年9月生,上海市人。高級工程師。多年從事數據中心產品市場、服務與應用技術支持,具備豐富的產品市場運作工作經驗,目前專注于數據中心整體解決方案的設計、規劃與建設。曾參與東航、遠望7號、攜程網等多項大型數據中心產品項目的招投標和設計建設工作。參與、編著《高頻機型UPS技術及應用》、《云機房供配電系統規劃設計與運維》等多本專業書籍。
      
      現任中國電源工業協會專家工作委員會委員,中國電子節能技術協會電能系統分會常務理事,中國機電一體化技術應用協會電能系統分會副秘書長。
      
      邢建勝,2001年畢業于西安交通大學電氣工程學院,現成都山海晶科技有限公司總經理。自2001年期,曾經先后在華為電氣、艾默生、伊頓電源(上海)有限公司、施耐德信息技術(上海)有限公司,從事UPS不間斷電源、機房空調等電能質量、電壓暫降治理、IDC數據中心基礎設施方面的銷售、技術、工程、應用方面的工作。
      
      編輯:Harris
      
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