UPS行業標準實施與我國UPS產業現狀

       YD/T1095-2000《通信用不間斷電源-UPS》行業標準自2001年批準執行以來,至今已有7年。在1996年底原郵電部對通信電源實行進網管理時,UPS還沒有通信行業產品標準,對UPS進網質量檢驗主要引用了國家標準GB/T14715-93《信息技術設備用不間斷電源通用技術條件》,此標準是UPS產品的通用技術條件(以下簡稱“通用技術條件”),由于當時我國UPS技術開發和制造業處于起步階段,無論是技術水平或單機容量與國外產品相比尚存在較大的差距。而且市場上銷售的小容量UPS幾乎都是為PC機供電,所以在“通用技術條件”中沒有對輸入功率因數、輸入諧波電流、輸出穩壓精度以及輸出電流峰值系數等技術指標作出相應的規定。

    YD/T1095-2000的制定,主要是根據通信行業的負載特點提出了不同程度的要求。對UPS的輸入技術參數的確定主要根據有源補償與無源補償的特性,并沒有考慮到三相六脈波基本電路的輸入參數。為了便于通信局、站電源系統的集中監控,對UPS提出了應具有遙測、遙信功能,并對遙測、遙信內容做了相應的規定。與此同時,也注意到一些用于非重要場合如辦公室自動化、各單位內局域網及服務器的供電對小容量(10kVA以下)UPS的一般要求,在標準中把與此相關的技術指標分為三類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類),Ⅰ類指標可滿足上述高端用戶在重要場合下運行的要求。而Ⅲ類指標可達到在非重要場合下運行的一般要求,Ⅱ類指標介于Ⅰ類與Ⅲ類之間,可供用戶根據負載特性及使用環境來綜合選擇。

    2004年3月,通信電源由進網管理正式轉變為產品質量認證的行業管理,此標準作為UPS產品檢驗的依據標準和產品質量認證現場檢查的部分依據。在產品質量認證的初期,申請認證的UPS均為雙變換(在線)式,這種形式的大功率UPS(100kVA以上)基本上都是國外品牌產品,其中部分UPS的輸入主電路采用了先進的IGBT(PWM)整流技術,輸入功率因數可達0.99以上,輸入電流諧波含量小于5%。采用三相12脈波整流器配置無源11次諧波濾波器的 UPS滿載輸入功率因數也可達到0.95以上,輸入電流諧波含量低于10%。即便是三相6脈波整流器配置無源5次諧波濾波器的UPS,其上述兩項指標也優于標準中Ⅱ類技術要求。以上幾種形式輸入電路的UPS整機轉換效率均可≥90%,逆變至旁路轉換時間一般都可做到無間斷轉換或1ms(毫秒)左右的轉換時間,符合標準中Ⅰ類與Ⅱ類的技術要求。

    對于國產小功率(尤其是20kVA以下)的UPS,變換技術和主電路結構各具不同,目前一般可分為雙變換(在線)式、互動式和后備式三種。所采用的變換技術可分為高頻或工頻變換。電路結構根據不同的變換技術也各不相同,其中高頻雙變換(在線)式(以下簡稱高頻在線式)UPS無工頻變壓器,在整流器與逆變器之間設有一級高頻DC/DC變換電路,其主要功能是對交流輸入端進行功率因數補償(PFC),如采用連續電流控制方案可將輸入功率因數提高至0.98左右,輸入諧波電流含量可控制在10%以內,轉換效率一般大于88%,甚至更高,雖然過載能力較差一些,但也能滿足標準中的Ⅲ類技術要求。其它主要技術指標與標準有著較好的符合性。

    與高頻機相比,工頻變換尤其單相輸入的UPS(簡稱工頻機)在以上幾項主要技術要求中表現欠佳。由于工頻機沒有輸入功率因數補償功能,所以其輸入功率因數PF只能達到0.7左右,根據功率因數PF與諧波電流含量(THD)的關系式:

    THD(I)=√(1/PF)2-1 可計算出輸入諧波電流含量THD(I)將達到100%,實際測量的結果也是如此,也就是說在其輸入端產生的諧波電流的有效值與基波電流有效值相同。如此大的諧波電流無疑要對電網及與電網并聯的其它用電設備造成不同程度的傳導干擾,另一方面還要占有交流輸入電源的一部分容量,在諧波電流流過的導線及熔斷器上將產生無用的有功功率,并全部轉換為熱量使導線及熔斷器的溫升增大。另一方面輸出容量在10～20kVA工頻機的轉換效率一般只能做到85%左右,甚至更低,所以上述幾項技術指標很難達到標準中的要求。工頻機的過載能力較強,一般可達到標準中Ⅰ類技術要求,逆變至旁路轉換時間與高頻機相比無明顯差異。

    由于這種UPS裝有工頻變壓器,所以無論是整機重量或制造成本與高頻機相比都比較高。以一臺效率為85%的10kVA工頻機帶70%的負載為例,與效率為 90%的同容量高頻機在同樣的條件下運行一年所消耗的電量相比,工頻機比高頻機多消耗近4000度電。由于上述原因,再加之2005年至2007年原材料價格上漲,這也是導致工頻機在國內市場占有率逐漸下降的原因之一。

    一些多年生產工頻機的企業面對市場需求與行業的監督管理,一方面著手引進或開發高頻變換技術,而另一方面對現有工頻機的輸入功率因數和輸入諧波電流采取機外補償的措施。但采用補償措施后的工頻機很難適應市場的要求。

    面對上述小功率工頻UPS存在的問題,一方面要對市場(用戶)采取積極正確的引導措施,電網運營及通信行業主管部門對廣大用戶和UPS生產企業積極地進行節能環保的宣傳。另一方面技術質量監督機構和產品質量檢驗機構要加大對此類產品的監督力度,只有這樣才能加快這些高能耗且對電網嚴重污染的UPS從國內市場上退出。

    互動式UPS可為一般負載(主要是辦公自動化的計算機等)提供較為穩定可靠的供電。此種UPS的輸出容量一般在5kVA以下,其電路結構比較簡單,主變換電路只有一個可雙向變換的變換器,當市電電壓在負載允許變化的范圍內時,市電通過UPS內部帶有多路抽頭的穩壓器直接對負載供電,同時其內部的變換器以 AC/DC整流方式對蓄電池充電;當市電電壓的變化范圍超過負載要求時,其內部的穩壓器通過多路抽頭的切換將UPS的輸出電壓穩定在負載允許范圍內。如果市電停電或電壓、頻率超過UPS的允許范圍,此時UPS的工作方式將轉入逆變狀態,其內部的變換器以DC/AC逆變方式將蓄電池的直流電壓變換為交流 220V正弦波或準方波電壓繼續為負載供電。另有一些互動式UPS無論工作在哪種狀態,其變換器的控制電路始終檢測并跟蹤著市電交流電壓的頻率和相位,以滿足兩種工作方式在同頻率同相位狀態下相互轉換的要求。

    互動式UPS具有電路結構簡單、可靠性高、正常工作時過載能力強、高效節能等優點。同時也存在一些不足之處,由于其輸入端只有高頻無源濾波電路而沒有功率因數補償功能,所以非線性負載產生的諧波電流幾乎完全由交流電網提供,因而對交流電網會產生諧波傳導干擾,反之,來自交流電網的各種干擾也會直接影響負載的正常工作。在市電供電時,其輸出電壓的穩定性決定于市電的波動性與其內部穩壓電路的抽頭數量以及兩抽頭間電壓變化量。當抽頭數量較少且兩抽頭間繞組匝數較多時,穩壓電路在調節輸出電壓時會出現輸出電壓過高或過低的現象。只要將抽頭數量適當增加,輸出電壓便可穩定在一個變化較小的范圍內,雖然其穩壓性能較上述雙變換式UPS差一些,但也可以滿足一般負載的要求。由于電路結構的特點,這種UPS沒有旁路轉換功能,在DC/AC逆變器進入供電狀態之前,必須使輸入主電路與市電電網分離,避免逆變器向市電電網反向供電。所以互動式UPS的市電與電池的轉換時間不會比上述雙變換UPS的轉換時間快。但一般可小于 10ms,較快的可做到7ms左右,這對一般的計算機不會影響其正常運行。互動式UPS雖然沒有雙變換UPS的隔離功能與輸入功率因數補償,但是由于容量小對交流電網的諧波干擾也較小,正常工作時只有穩壓器的鐵損和銅損,所以轉換效率很高(可達98%)。這種UPS較適用于交流電網供電質量較好的條件下工作,其主要作用是防止交流電網瞬間短時間掉電或因前級交流配電故障突然停電而丟失未存儲的數據。

    目前由于對通信電源行業管理的需要,互動式與后備式UPS也納入對電源產品實行的質量認證所涵蓋的產品,但目前還沒有一個能與之相適應的行業標準作為互動式與后備式UPS產品質量檢驗及現場檢查的依據。雖然“通用技術條件”中一些技術要求項目能與互動式UPS相符合,但是由于當時國內UPS的技術狀況,這些技術要求的高低和與之相對應的試驗方法也不能適應目前對互動式UPS技術指標的質量檢驗。對后備式UPS而言也同樣存在此問題,也就是說“通用技術條件 ”中的試驗方法不具備互動式UPS檢驗的可操作性。
近幾年來由于用戶對雙變換在線式UPS運行可靠性要求的不斷提高,國內外UPS生產廠家分別推出了單機柜冗余式UPS。這種形式的UPS系統是由若干個小功率(3～5kVA)的模塊UPS在系統機架上并聯組成,每個模塊都具有雙變換在線式UPS的電路結構與基本功能,系統的監控單元可對所有模塊UPS實施統一管理。

    此種形式UPS系統的可靠性及可用性與上述單機柜無冗余UPS相比有了較大的提高。由于這種UPS的系統是由若干個小功率的模塊UPS組成,所以系統的轉換效率有可能低于同等容量UPS單機的效率,而且其輸入功率因數與諧波電流的補償是在每個模塊UPS上實現的,可能會使整機硬件成本加大。由于單機柜冗余式UPS的監控單元要控制幾個或十幾個模塊UPS,使其輸出電壓均等,跟蹤電網頻率與相位,并使故障模塊迅速退出系統及旁路轉換的一致性等,會使控制系統的電路結構與技術較為復雜。在電磁兼容性方面也要做一些特殊考慮。

    由于多方面原因,目前我國大多數UPS制造廠家在中、大容量(80kVA以上)UPS的自主設計、制造能力與美國和歐洲相比還處于較落后的水平。這主要和我國基礎工業(機械與電子工業)的平均水平有關,現在國內雖然有少數UPS制造企業也能制造出50～80kVA或容量更大的三相UPS,但就其部件及整機的制造工藝水平還沒有達到標準化大批量生產的水平。輸入主電路的技術水平一般停留在三相6脈波形式,或在每相交流輸入電路中串聯帶有鐵心的電感,以此來減小輸入諧波電流含量,這樣雖然在輸出額定負載時輸入諧波電流含量可達到20%左右,輸入功率因數一般不會超過0.9,轉換效率很難達到90%。如果要進一步提高上述技術指標可考慮配置12脈波整流器,但是80kVA以下的UPS配置12脈波整流器會使整機價格增加較大,性能價格比較差而失去價格競爭力。而國內市場對國產大容量UPS價格水平的認可度較低,所以國產大容量UPS一時很難找到合適的市場切入點。

    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專用芯片的所有權問題。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。近十幾年來由于我國通信及信息網絡的快速發展,為大容量UPS提供了一個巨大的市場,大容量UPS的設計與制造水平可以作為衡量電力電子工業的現有技術狀況的一個標準。我國對大容量UPS關鍵技術的開發應充分發揮國內研發能力較強的UPS生產企業、具有功率電子學研究與試驗能力的高校試驗室及專業技術人員的作用,電源學會與行業協會發揮技術指導與社會協調等作用。同時也要不斷提高我國基礎工業的平均水平。
而對于已執行了6年的YD/1095-2000《通信用不間斷電源-UPS》的行業標準面對目前國內用戶所使用的UPS的種類,該標準的產品覆蓋范圍已不能完全滿足通信行業質量監督管理的要求與用戶對產品性能質量優劣判定的依據。所以在對YD/1095-2000的修訂工作中,不但要考慮到此標準對通信行業內大多數UPS產品種類的覆蓋性,而且對標準中技術要求指標的分類也應做適當的調整。關于輸入功率因數與諧波電流成分指標的分類,建議應參考高頻機的輸入參數與12脈波整流器以及IGBT(PWM)整流或其它輸入方式的技術指標。為避免現行標準中“輸出功率因數”與UPS制造商和用戶的習慣說法混淆,而且 UPS在驅動整流非線性負載時,其輸出功率因數與輸出電流峰值系數是相互關聯的,都同時表現了UPS對整流非線性負載的驅動能力,所以只保留輸出電流峰值系數一項即可。對于其它的技術要求與試驗方法的調整和修改將會廣泛地征求業內外技術專家、生產廠家及行業用戶的寶貴意見。

    總而言之,產品的行業標準要跟蹤產品的技術發展動態及市場的需求,產品標準應是使產品功能兼容、質量保證及促進技術進步的必要保障。