強(qiáng)調(diào)綠色、重視節(jié)能一直是這幾年UPS（UninterruptablePowerSystem）供電系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)。節(jié)能主要體現(xiàn)在UPS產(chǎn)品本身的節(jié)能和機(jī)房的整體節(jié)能上，而“綠色”UPS主要主要體現(xiàn)在提高整機(jī)效率、減少對(duì)電網(wǎng)的干擾，以及少占用空間、節(jié)省成本、支持邊成長(zhǎng)邊投資等，所以使用節(jié)能型UPS的用戶在逐漸增多。從目前市場(chǎng)占用情況看，UPS分為后備式、在線式和在線互動(dòng)式三種。大功率UPS主要集中在傳統(tǒng)的在線式工頻UPS和高頻UPS，但一些廠家也相繼推出飛輪UPS或動(dòng)態(tài)UPS、大功率交流直供或離線式UPS。 
 
本文通過對(duì)不同類型UPS工作原理分析、拓?fù)鋵?duì)比、數(shù)據(jù)分析和性能對(duì)比，全面搜集、整理、總結(jié)了各類UPS的特點(diǎn)，以期大家在UPS供電系統(tǒng)建設(shè)、選型、優(yōu)化和運(yùn)行維護(hù)管理時(shí)作為參考。 
 
一、傳統(tǒng)后備式UPS 
 
后備式（Standby）UPS，也是一種離線式（Off-Line）UPS，當(dāng)市電正常時(shí)，由市電給負(fù)載設(shè)備供電，并給蓄電池浮動(dòng)充電。當(dāng)市電電壓波動(dòng)超過規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)逆變電路將電池的直流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的交流電輸出，給負(fù)載供電。后備式UPS平時(shí)由于是由市電直接給負(fù)載供電，所以無法消除市電電網(wǎng)上存在的浪涌、尖峰、頻率漂移等電氣污染，而且容量比較小。但是它的技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，價(jià)格相對(duì)低廉，多用于對(duì)電壓穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。 
 
典型后備式UPS原理圖如圖1所示。


二、傳統(tǒng)工頻UPS 
 
1.工頻機(jī)原理 
 
UPS的技術(shù)發(fā)展，從20世紀(jì)60年代誕生開始，就和功率元器件的發(fā)展密不可分。自UPS技術(shù)誕生以來，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier,SCR）相控整流技術(shù)一直是整流技術(shù)的主流，體現(xiàn)出了很高的可靠性。工頻機(jī)是以傳統(tǒng)的模擬電路原理設(shè)計(jì)，由SCR、IGBT逆變器、旁路和工頻升壓隔離變壓器組成的恒壓、恒頻電源設(shè)備，為負(fù)載提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS將市電整流通過逆變器或直接穩(wěn)壓后供負(fù)載使用，此時(shí)的UPS就是一臺(tái)交流穩(wěn)壓器，同時(shí)還向機(jī)內(nèi)蓄電池充電。當(dāng)市電發(fā)生中斷等情況時(shí)，UPS立即將電池的電能通過逆變器轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供電，使負(fù)載維持正常工作，并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。同時(shí)還具備電力凈化的功能。工頻機(jī)屬于雙轉(zhuǎn)換式（Double-Conversion）UPS，又稱為在線式（On-Line)UPS，因其整流器和變壓器工作頻率均為50Hz，顧名思義叫工頻UPS。典型的工頻UPS拓?fù)淇驁D如圖2所示。

2.工頻機(jī)特點(diǎn) 
 
在工頻UPS電路中，主路三相交流輸入經(jīng)過換相電感接到三個(gè)SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過控制整流橋SCR的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件，控制系統(tǒng)只能夠控制開通點(diǎn)，一旦SCR導(dǎo)通之后，即使門極驅(qū)動(dòng)撤消，也無法關(guān)斷，只有等到其電流為零之后才能自然關(guān)斷，所以其開通和關(guān)斷均是基于一個(gè)工頻周期，不存在高頻的開通和關(guān)斷控制。 
 
由于SCR整流器屬于降壓整流，所以直流母線電壓經(jīng)逆變輸出的交流電壓比輸入電壓低，要使輸出相電壓能夠得到恒定的220V電壓，就必須在逆變器輸出增加升壓隔離變壓器。同時(shí)，由于增加了隔離變壓器，系統(tǒng)輸出零線可以通過變壓器與逆變器隔離，顯著減少了逆變高頻諧波給輸出零線帶來的干擾。 
 
再次，工頻機(jī)的降壓整流方式使電池直掛母線成為可能。工頻機(jī)典型母線電壓通常為300～500V，可直接掛接三十幾節(jié)12V電池，不需要另外增加電池充電器。 
 
三、高頻UPS 
 
1.高頻機(jī)工作原理 
 
進(jìn)入20世紀(jì)80年代，伴隨著IGBT控制技術(shù)的逐步成熟，各UPS廠家開始在UPS產(chǎn)品中采用這種新型電子開關(guān)器件。相對(duì)于SCR和晶體管來講，絕緣柵雙極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT）是由雙極型三極管(BJT)和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件，具有高速開關(guān)的特性，因此，UPS廠家首先在UPS的逆變部分開始采用IGBT器件，在將IGBT應(yīng)用到逆變器的同時(shí)，部分UPS廠家開始嘗試將IGBT應(yīng)用到UPS的整流部分，以期達(dá)到提高UPS指標(biāo)的作用。 
 
高頻機(jī)通常由升壓型（BOOST）的脈寬調(diào)制IGBT高頻整流器、電池變換器、逆變器和旁路組成。IGBT可以通過控制加在其門極的驅(qū)動(dòng)來控制IGBT的開通與關(guān)斷。IGBT整流器開關(guān)頻率通常在幾千至幾萬赫茲,甚至高達(dá)幾十萬赫茲，相對(duì)于50Hz工頻,稱之為高頻UPS。 
 
IGBT整流器一方面用來將電網(wǎng)電壓整流成直流電壓送往逆變器;同時(shí)也可以將反向制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過IGBT逆變成網(wǎng)側(cè)頻率電壓送往電網(wǎng)。在IGBT模塊中，與IGBT元件還并聯(lián)一個(gè)二極管。此二極管在逆變器中常作續(xù)流二極管，將馬達(dá)反向制動(dòng)過程的機(jī)械能量反饋回逆變輸入側(cè)。而在IGBT整流器中，整流過程主要是依靠二極管進(jìn)行全波整流，并不是依靠IGBT進(jìn)行整流，也不進(jìn)行調(diào)壓，調(diào)頻調(diào)壓主要由逆變器實(shí)現(xiàn)。IGBT元件的功能主要體現(xiàn)在提高功率因數(shù)為1，同時(shí)將系統(tǒng)回饋能量逆變成工頻電壓反饋回電網(wǎng)。典型高頻機(jī)拓?fù)淇驁D如圖3所示。

高頻UPS整流屬于升壓整流模式，其輸出直流母線的電壓一定比輸入線電壓的峰峰值高，如果電池直接掛接母線，所需要的標(biāo)配電池節(jié)數(shù)達(dá)到六十多節(jié)，這樣給實(shí)際應(yīng)用帶來極大的限制。因此，一般高頻UPS會(huì)單獨(dú)配置一個(gè)電池變換器，市電正常時(shí)，電池變換器把母線電壓降壓到電池組電壓，市電故障或超限時(shí)，電池變換器把電池組電壓升壓到母線電壓，從而實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理。由于高頻機(jī)母線電壓高，所以逆變器輸出相電壓可以直接達(dá)到220V，逆變器之后就不再需要升壓變壓器。因此，隔離變壓器是工頻機(jī)和高頻機(jī)在組成上的主要區(qū)別。 
      2.高頻機(jī)特點(diǎn) 
 
IGBT在UPS中的應(yīng)用最早只限于逆變器。這主要是因?yàn)殡m然IGBT的電流做得比較大，但耐壓等級(jí)尚不足對(duì)付變化很大的電壓范圍。經(jīng)過這十多年的發(fā)展，IGBT制造技術(shù)也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，幾經(jīng)改進(jìn)，已經(jīng)達(dá)到了用于UPS整流器的條件。目前已有一些廠家將IGBT整流的高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS容量做到了覆蓋工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS當(dāng)前達(dá)到的全部容量水平。到此就完成了UPS全部IGBT化、高頻化的進(jìn)程。 
 
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高頻功率器件不斷問世，中小功率段的UPS產(chǎn)品正逐步高頻化。高頻UPS有功率密度大、體積小、重量輕的特點(diǎn)。采用IGBT整流器設(shè)計(jì)方案所帶來的主要優(yōu)點(diǎn)如下： 
 
（1）改善了UPS的輸入諧波特性。它結(jié)束了可控硅多脈沖整流無法達(dá)到的高輸入功率因數(shù)水平的問題，例如，它可在半周中有上萬個(gè)整流電流脈沖，使得UPS的輸入功率因數(shù)PF>0.99，輸入電流諧波含量的THDI<3%；實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，提高電源轉(zhuǎn)換效率，能夠有效的利用電網(wǎng)資源；同時(shí)對(duì)電網(wǎng)沒有任何反饋污染，降低噪聲，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)。 
 
（2）有利于降低成本。由于它可以直接利用從“倍壓型”IGBT整流器所輸出的直流高壓電源來確保它的IGBT逆變器能向外輸出幅值為220VDC的交流電源。因此，可“省掉”逆變器的輸出隔離變壓器，同容量機(jī)型體積更小，占用空間減少，成本降低。 
 
四、飛輪UPS或動(dòng)態(tài)UPS 
 
隨著IT技術(shù)的發(fā)展，特別是云計(jì)算的興起，作為基礎(chǔ)物理設(shè)施的供電系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)理念和配置方法也在發(fā)生著明顯的變化。國(guó)外一系列的數(shù)據(jù)中心建設(shè)案例呈現(xiàn)出這樣的特點(diǎn)，即提高系統(tǒng)的可靠性、更高的供電效率以及日益縮短的后備時(shí)間。 
 
目前普遍使用的工頻或高頻UPS都使用蓄電池儲(chǔ)能的靜態(tài)UPS，而飛輪UPS與普遍使用的靜態(tài)UPS的最根本區(qū)別在于儲(chǔ)能形式。靜態(tài)UPS采用電池儲(chǔ)能，而飛輪UPS采用質(zhì)量巨大的旋轉(zhuǎn)飛輪的動(dòng)能來儲(chǔ)存能量，在市電出現(xiàn)故障時(shí)將飛輪的能量轉(zhuǎn)化為電能為計(jì)算機(jī)設(shè)備供電，確保負(fù)載連續(xù)供電。 
 
飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)主要由飛輪、電機(jī)、軸承三部分組成，整個(gè)系統(tǒng)置于真空器內(nèi)，并采用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)降低飛輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的能耗。飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)中的電機(jī)，既是電動(dòng)機(jī)也是發(fā)電機(jī)。“充電”時(shí)，作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能；“放電”時(shí)，作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，給外部供電。 
 
飛輪UPS從內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來說，仍屬于在線互動(dòng)式UPS。 
 
1.飛輪UPS工作原理
 

飛輪UPS原理框圖如圖4所示。 
 
其工作原理為： 
 
（1）在市電輸入正常的情況下，磁懸浮飛輪儲(chǔ)能UPS通過其內(nèi)部的有源動(dòng)態(tài)濾波器對(duì)市電進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波，保證向負(fù)載設(shè)備提供高品質(zhì)的電力保障，同時(shí)對(duì)飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電，飛輪UPS利用內(nèi)部的飛輪儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存能量。 
 
（2）在市電輸入的質(zhì)量不能滿足磁懸浮飛輪儲(chǔ)能UPS正常運(yùn)行時(shí)，由UPS內(nèi)部的飛輪儲(chǔ)能裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，繼續(xù)向負(fù)載提供高品質(zhì)并且不間斷的電力保障。 
 
（3）在磁懸浮飛輪儲(chǔ)能UPS內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，磁懸浮飛輪儲(chǔ)能UPS通過其內(nèi)部的靜態(tài)開關(guān)切換到旁路模式，由市電直接向負(fù)載供電。 
 
（4）當(dāng)市電輸入恢復(fù)正常時(shí)，則立即轉(zhuǎn)到通過磁懸浮飛輪儲(chǔ)能UPS向負(fù)載提供高品質(zhì)并且不間斷供電的模式，同時(shí)繼續(xù)對(duì)飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電。 
      2.飛輪UPS特點(diǎn) 
 
飛輪儲(chǔ)能型UPS受制于機(jī)械儲(chǔ)能，僅僅能夠提供30s～1min電力供電，但目前重要負(fù)載一般都采用雙路市電供電，從市電到后備電源的切換時(shí)間一般只需要10s的時(shí)間，飛輪儲(chǔ)能UPS可以滿足切換要求。飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)可以大幅提高設(shè)備功率因數(shù)，節(jié)約大量蓄電池投資，抗干擾能力強(qiáng)，與發(fā)電機(jī)配合較好，具有效率高、建設(shè)周期短、壽命長(zhǎng)、高儲(chǔ)能、充放電快捷、充放電次數(shù)無限以及無污染等特點(diǎn)。 
 
3.飛輪UPS應(yīng)用 
 
（1）與發(fā)電機(jī)組和自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（如ATS）配合使用，可持續(xù)不間斷供電。 
 
（2）和傳統(tǒng)型UPS整合使用，飛輪儲(chǔ)能模式比電池更適合于多次短時(shí)間的電源故障，并可以顯著延長(zhǎng)現(xiàn)有UPS電池的壽命，從而使整個(gè)UPS系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)。 
 
（3）適合其他改善電源品質(zhì)和短時(shí)間保護(hù)的應(yīng)用領(lǐng)域。 
 
（4）適合可移動(dòng)供電場(chǎng)合，例如集裝箱數(shù)據(jù)中心。 
 
五、交流直供或離線式UPS 
 
離線式UPS與傳統(tǒng)的在線式UPS通過整流器、逆變器雙變換模式輸出不同，在市電網(wǎng)正常時(shí)，市電通過UPS旁路向負(fù)載直接供電，而主回路的整流、逆變器處于休眠狀態(tài)，當(dāng)市電超限或故障時(shí)轉(zhuǎn)到雙變換模式向負(fù)載供電。離線式UPS具有效率高、節(jié)能、電池使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在的產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)模塊化、大功率。 
 
該UPS分為兩大系列：低壓系統(tǒng)，208～600V，313kVA/250kW～2500kVA/2000kW；中壓系統(tǒng)，5～35kV，2500kVA/2000kW～20000kVA/16000kW。這么大容量的UPS在業(yè)界是獨(dú)一無二的。從工作方式來看，離線式UPS與國(guó)內(nèi)很早就已經(jīng)開始使用的低端、小容量（通常為3kVA以下）的后備式UPS不同。兩者從表面上看，原理和結(jié)構(gòu)是有些類似，但實(shí)際上有極大的差別，如果不加以仔細(xì)分析和辨別，往往很容易將兩者等同。市電正常運(yùn)行期間，負(fù)荷通過常閉合的PES由市電供電而不是通過交流旁路供電（采用大功率電力電子開關(guān)PES，而不是普通的繼電器開關(guān)或三極管電子開關(guān)）。平常市電正常期間，盡管PureWaveUPS的逆變器處于非工作狀態(tài)，但系統(tǒng)控制器卻一直在持續(xù)監(jiān)測(cè)市電電源的每一相，每半個(gè)周波采樣41次，在每次采樣中計(jì)算每半個(gè)周波的RMS值，這與傳統(tǒng)的后備式UPS有極大的不同 
 
大功率交流直供或離線式UPS的優(yōu)點(diǎn)是：與早期的離線式（后備式）UPS相比采用新的技術(shù)，技術(shù)上已克服了早期離線式工作方式UPS的缺陷。與在線式UPS相比，具有效率高、節(jié)能、電池使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在的產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)模塊化、大功率，配備高速啟動(dòng)發(fā)電機(jī)后，蓄電池的配備可以大大減少。 
 
大功率交流直供或離線式UPS的缺點(diǎn)如下： 
 
（1）平時(shí)由市電供電，電網(wǎng)的干擾和波動(dòng)對(duì)后端設(shè)備有影響，傳統(tǒng)的在線式UPS具有凈化電源的作用。 
 
（2）后備時(shí)間只有1min以內(nèi)，對(duì)發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)提出非常高的要求。 
 
（3）如果使用6～35kV電壓和高壓發(fā)電機(jī)，對(duì)日常維護(hù)人員資質(zhì)要求較高，后續(xù)維保費(fèi)用高。 
 
因此，此類UPS主要應(yīng)用于半導(dǎo)體、平板顯示、在國(guó)外部分電網(wǎng)供電環(huán)境較好的大型數(shù)據(jù)中心、軍隊(duì)、制藥、醫(yī)療等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。 
 
六、幾種UPS比較分析 
 
幾種UPS比較分析見下表