綠色高效的不間斷電源--伊頓愛克賽UPS

作者：伊頓愛克賽電源(上海)有限公司北亞區三相產品經理 張學文

    通信行業是UPS的應用大戶，作為整個機房的供電核心，UPS首要的問題是可靠性，然后是安全、綠色、節能，如果拋開安全談，綠色和節能是沒有意義的。

    在一個標準的機房供電系統中，包括變壓器、柴油發電機、ATS、TVSS、低壓配電柜、直流開關電源、UPS、蓄電池，最重要的是供電單元是UPS。計算機是UPS的負載，而UPS對市電電網來說也是一個負載。理想的UPS對電網應當是呈現純阻性，也就是所，它的功率性因數最好是1，這樣它對于電網就沒有任何的污染。但現實情況是，我們的UPS普遍采用了50HZ的低頻可控硅整流器，對市電產生了大量的一個諧波反饋污染。擺在所有用戶面前的問題是治理諧波污染，就象我們治理化工廠排放污水一樣。

    諧波的危害很大，它不做功，但卻占用了大量的電網KVA資源；諧波導致電網電壓失真度增大；諧波增大，使UPS與發電機的匹配產生很大的問題。通常要求發電機的功率是UPS的2~3倍，否則就無法運轉。我們在北京通訊部門也遇到過實際案例，就是因為某些品牌的UPS電流諧波反饋污染過大，導致用戶的開關經常莫名其妙的跳閘。

    諧波的成分非常復雜，諧波的治理遠非提高功率因數那么簡單。許多人認為加幾個電容器補償一下就好了，但那只是針對向電機那樣的線性負載而言的。對于UPS整流器之類的非線性負載，單純的電容補償結果會適得其反，可能會導致失真進一步加大。普通的LC濾波器只能濾除特定頻率的諧波，例如5次濾波器只對5次諧波最有效，而對其它次諧波影響不大，諧波治理原則是誰污染誰治理。

    目前市場是很多UPS采用的是6脈沖整流器，它需要加一個LC濾波器。加上濾波器之后，可以把輸入電流諧波失真降至7%。但這只是在UPS滿載指標，當負載減半時UPS輸入諧波失真又將升至15%以上。還有的UPS廠商提供了12脈沖的整流器，這是一種比較古老的整流器結構，相比6脈沖整流器而言，它增加了1個30度的移相變壓器和多一組的6脈沖整流器。在一個周期內12個可控硅順序導通，因此我們俗稱12脈沖。12脈沖整流器再加裝輸入濾波器后，滿載時可以將UPS輸入電流諧波失真降至5%，但這也只是在滿載時，當負載減半時UPS諧波失真有將升至15%以上。

    因此如果放眼望去，關于治理UPS諧波污染的方式，諸如：

·           6脈沖整流器+輸入濾波器；

·           12脈沖整流器

·           12脈沖整流器+輸入濾波器

·           有源濾波器

    這些方式都有一個共同的缺點，那就是先污染后治理。由于UPS采用的是可控硅整流器的結構不可避免的造成諧波污染，然后用戶被迫在花費大筆資金來治理諧波污染，這實在是一個很不劃算的怪圈。如果UPS不產生或很少產生諧波污染，那用戶就無需花錢來治理它了，那么有沒有這樣一種UPS呢？

   有的，伊頓愛克賽公司的在線式UPS全部采用IGBT整流方式，它從根本上抑制了電流諧波污染，將其降至3%以內。對于UPS領域而言，這種結構是治理諧波的終極解決方案。現在很多用戶還習慣用整流器的脈沖數來評價UPS的好壞，在選擇UPS設備時，他們會關心IGBT整流器是多少脈沖的。簡單說一下，IGBT整流器采用脈寬調制的方式，IGBT斬波頻率達到8300赫茲，因此可以稱之為8300脈沖的整流器，當然這要比所謂的12脈沖整流器好多了。我們用示波器來觀察UPS輸入電壓和電流波形，會看到他們都是非常純凈的正弦波，對于電網沒有任何的反饋污染，它是主動式的諧波治理方式。

    IGBT功率元件作為一種成熟的電力電子元件，已經有近20年的歷史了，目前全球所有的廠商，都已把它作為逆變器的元件，伊頓愛克賽公司從2000年起開始把它用于整流器，目前從8到1100伏安的UPS全部采用IGBT整流器和IGBT逆變器。國家對于UPS標準，依據性能將其劃分為3類，就象服裝一樣有一級品和二級品。最好的UPS是采用IGBT整流器的UPS，它的輸入電壓范圍要在±25%以上，輸入功率因數要在0.95以上，輸入電流諧波總失真度小于5%。愛克賽的所有在線式UPS都歸屬于最佳的一級品行列。

    當今的計算機和服務器與10年前有很大不同，功率密度極高的刀片式服務器已經非常流行，服務器普遍采用雙電源供電，而UPS供電系統也普遍采用1+1冗余并聯，因此，UPS單機所帶的負載都非常低，80%的UPS的負載在50%以下，甚至不到25%，處于大馬拉小車的境地。這樣一來，大家所看到的UPS彩頁指標中的UPS滿載效率對用戶而言是沒有實際意義的，因為現實中沒有人會將UPS用到滿載，能用到50%就不錯了。因此UPS輕載時的整機效率對于大家反而是更有意義的。愛克賽UPS在100%的時候可以達到95%的整機效率，我們在50%負載的時候依然可以達到95%。甚至在25%負載時整機效率依然可達94%。

    在這里我們所說的愛克賽UPS有95%的整機效率，前提是我們已經保證了UPS輸入功率因數是大于0.99，輸入諧波身真小于3%，而且當負載只有50%，也可以達到95%。而其他一些UPS廠商的產品，如果要達到我們同樣的指標，一般需要加眾多的選件例如輸入濾波器，12脈沖整流器等，每個額外選件都會進一步降低UPS的整體效率：12脈沖整流器，會降低效率2%，有源濾波器會使系統效率降低4%，因此在實際測量時，許多12脈沖UPS的整機效率尚不足88%。很多人在采購UPS時只關注了UPS價格本身，殊不知UPS的使用成本要遠遠高于其自身的價值。就象很多人說的買得起車卻用不起一樣。舉例而言，1臺200KVA的UPS它的采購價約在50萬元左右，但是它一年的電費卻是=200*24*365=1752000元，即175萬元，UPS每年的電費是其自身價格的3倍。

    我們做個比較，一臺愛克賽9395系列200KVA UPS整機效率為95%，而一臺12脈沖整流器的效率卻僅為88%左右。在10年的UPS壽命周期內，愛克賽UPS所節約的電費= 200*0.07*24*365*10=122萬元。同時耗電會以熱量的形式散發出來，這樣用戶還要支付大量的電費來使空調制冷，這一來一去，在不知不覺中我們每年可用戶節約200多萬的電費。

    現在有些UPS廠家采取旁路節能模式，它的原理是：如果旁路電壓在一定范圍內時，UPS直接通過旁路供電。確實這樣一來，UPS效率非常高，但這種高效是以犧牲負載安全為代價的。因為這個時候的UPS整流逆變器并沒有供電，電網中的各種瞬態干擾直達負載，UPS沒有隔離作用，而且當市電停電的時候，UPS切換是有中斷的。只有當UPS處于在線雙變換模式下時它才能為負載提供全面的供電保護。如果是以負載安全為代價來換取高效地的話，我想沒有任何人會認可。

    還有一點，那就是很多的用戶在UPS開機后并沒有做假負載的測試，因為他們找不到那么大功率的假負載，而UPS一旦投入正式運行后，就不方便停機檢修，因此用戶的頭上會始終懸著一顆炸彈。現在這種情況得到了徹底的改變！

    伊頓愛克賽新推出的PW9395UPS系列產品自身可以提供模擬假負載測試，我們稱之為EASY LOAD專利技術。EASY LOAD 技術的原理是：UPS內部可以產生一個滿載測試，我們可以做滿載的電池放電測試，通過這種方式可以測試出系統內所有的環節，消除UPS內部因為接線不牢固、松脫等產生的潛在隱患。而在為用戶發現隱患的同時，還可節省近50000多元的假負載租賃、電費和電纜連接成本。

    伊頓愛克賽UPS產品所有的環保理念貫穿了從產品設計、生產、運輸、使用、報廢的整個流程，產品符合中國和歐盟的ROHS指令。伊頓愛克賽UPS的設計理念是簡單、可靠，不會產生誤操作，適用于各種工作環境，包括陸地、海洋、高原。UPS產品同時采用DSP的控制技術，整機內部無任何的電位器。所有的關鍵部分，包括風扇、邏輯電源等等全部都是熱插拔，而且是冗余的。因此對于伊頓愛克賽電源榮獲的美國國防部頒發的最高獎項藍綬帶獎，我們當之無愧。

    伊頓愛克賽作為老牌的電源廠商，已有百年歷史，在美國和芬蘭都有工廠和研發基地。作為全球最大的UPS專業廠商之一，為美國三軍提供了總額超過12億美金的UPS產品。駐美國的全球各國的使館全部使用伊頓愛克賽的UPS產品，總額超過了1.2億美金。而一些大的企業如AT&T公司采用了120臺750KA的UPS，韓國電信120多臺400KVA的UPS。

    中國的第一臺UPS來自愛克賽公司，1972年尼克松總統訪華的時候，把愛克賽UPS作為國禮帶到中國。我們公司見證了整個中國UPS的發展歷史。在歷屆奧運會中，伊頓愛克賽UPS都是首選產品，為1996年的亞特蘭大奧運會和2000年的悉尼奧運會，提供了21000多臺UPS產品。在2008年北京奧運會場館建設中，安裝了14臺400KVA的大功率UPS，為奧運貢獻綿力。