1、引 言
模塊化UPS因其具有可用度高，便于安裝維護以及方便擴容而成為UPS未來的發(fā)展趨勢。通信用開關(guān)直流電源的發(fā)展為UPS樹立了榜樣，DSP器件和控制技術(shù)的發(fā)展為模塊化UPS提供了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。但是模塊化UPS成本高以及實際運行可靠性不如理論計算值高的問題，需要進行深入研究，以求提高可靠性，降低成本，促進模塊化UPS的發(fā)展。
2、模塊化UPS的優(yōu)勢
UPS模塊化被認為是UPS的發(fā)展趨勢之一，模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS相比具有如下優(yōu)勢：
2.1 通信用48V直流電源高頻模塊化為UPS模塊化樹立了榜樣
90年代初期的可控硅SCR整流的相控電源還非常紅火，如當(dāng)時專為程控交換機配套的單機架整流器DZY02 48V/ 400A，該設(shè)備單機重量約1000kg，可以通過幾個機架并聯(lián)獲得更大的系統(tǒng)容量。經(jīng)過十幾年技術(shù)和市場的發(fā)展，現(xiàn)在100A的高頻開關(guān)整流器模塊可以做到1.5U或者1/2*2U，重量不到10kg，一個19寸標(biāo)準(zhǔn)機架可以配置高達4000A系統(tǒng)。直流電源系統(tǒng)模塊化應(yīng)用成功為UPS模塊化樹立了榜樣。模塊化UPS系統(tǒng)是類似于目前通信用高頻開關(guān)直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、由能完成UPS基本功能的可拔插功能模塊組成的交流不停電供電系統(tǒng)。
2.2 DSP控制技術(shù)的發(fā)展和功能齊全的DSP芯片大規(guī)模商用為模塊化UPS發(fā)展打下技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)
DSP控制方式是采用軟件控制技術(shù)替代原來通過模擬器件實現(xiàn)的控制（如PID比例積分微分等原來通過電阻電容運算放大器等模擬器件來實現(xiàn)）。采用DSP控制，只要軟件測試通過不存在BUG和防干擾做得比較好。如有用戶擔(dān)心出廠時各個并聯(lián)UPS模塊的均流特性很好，環(huán)流很小，但是在使用幾年后均流特性變差，環(huán)流增大，這個在以前的模擬控制技術(shù)中比較普遍，而DSP控制技術(shù)應(yīng)用將這種漂移降到最低。功能強大的DSP控制芯片出現(xiàn)以及DSP控制技術(shù)的發(fā)展為UPS模塊化并聯(lián)的發(fā)展提供了前提和基礎(chǔ)。
2.3 模塊化UPS具有更高的可用性
（1） 可靠性的指標(biāo)和定義
對于UPS等大多數(shù)可修復(fù)的設(shè)備，只用可靠性指標(biāo)描述其性能便不全面了，因為它并不能描述出設(shè)備在其整個使用壽命內(nèi)的可用率。從用戶角度講，不但要考慮故障發(fā)生的概率，而且還要考慮故障的持續(xù)時間。
設(shè)備的維修時間MTTR是指設(shè)備從發(fā)生故障到恢復(fù)功能的時間，它由故障發(fā)生到故障檢測時間、故障檢測到故障發(fā)現(xiàn)時間、后勤保障時間、故障維修時間、恢復(fù)時間多個時間段組成。
故障率λ（即失效系數(shù)）：元器件或者功能模塊或者系統(tǒng)出故障的概率。
平均無故障時間MTBF：mean time between failure，MTBF定義為利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法計算出的設(shè)備在發(fā)生的兩次故障之間的運行時間。
故障率λ是MTBF的倒數(shù)，
…………………………公式1
平均維修時間MTTR（Mean time to repair）來表示。它是設(shè)備發(fā)生故障瞬間開始到通過維修而重新投入使用所需的平均時間。
修復(fù)率μ是MTTR的倒數(shù)，
…………………………公式2
可用度Availability是一個可用性指標(biāo)，可用度A與其它幾個指標(biāo)的關(guān)系：
…………………………公式3
對于一般傳統(tǒng)的雙變換UPS系統(tǒng)，UPS有四種工作方式：正常在線雙變換、電池逆變、自動旁路、手動旁路。四種工作方式的目的是為了提高UPS向負載供電的可用性。
多臺UPS并聯(lián)的目的有二：提高系統(tǒng)的容量或增加系統(tǒng)的可用性。
從用戶負載考慮，只要求保障UPS系統(tǒng)送到負載端的電壓不間斷地滿足要求即可。如市電停電或者UPS整流器部分故障，只要在電池放完電之前市電能恢復(fù)或者整流器部分的故障能修復(fù)即可。也就是說盡管系統(tǒng)出現(xiàn)故障但沒有影響供電。
（2） 單機或者模塊的可用性計算
假設(shè)UPS單機或者模塊的MTBF=5萬小時，另分別假設(shè)MTTR為0.5小時、5小時、50小時、120小時，計算出系統(tǒng)的可用性為：99.9990%、99.990%、99.90%、99.76%。
對于上述MTTR時間假設(shè)，基于如下考慮：
A．假設(shè)用戶自己在設(shè)備現(xiàn)場，用戶備有可以供更換的備用模塊，模塊更換時間為30分鐘，用戶一發(fā)現(xiàn)問題就立即自己更換，則MTTR=30分鐘。這是一種最理想最短的時間。
B．用戶維護人員不在設(shè)備現(xiàn)場，模塊一旦故障即可實時通知（如手機短信）用戶維護人員，設(shè)備現(xiàn)場有可供更換用的備用模塊，維護人員在5小時之內(nèi)趕到現(xiàn)場并完成更換工作。此時MTTR=5小時。
C．用戶自己沒有備用模塊，或者用戶即使有備用模塊但用戶自己不能更換而需要廠家技術(shù)人員趕來更換，假設(shè)廠家承諾解決問題的時間為48小時 ，因為更換模塊只30分鐘，MTTR=48小時+30分鐘≈50小時（便于計算方便）。
D．對于傳統(tǒng)的立柜式UPS，需要廠家資深的工程師，帶齊備品備件，假設(shè)響應(yīng)時間48小時，現(xiàn)場維修時間3天，則MTTR=48h+3*24h=120h。
對于模塊化UPS，采用第B種情況和C種情況比較合理，即MTTR=5h或者50h。
（3）“N+X”并聯(lián)系統(tǒng)可用性模型和計算
定義“N+X”系統(tǒng)的任務(wù)剖面為系統(tǒng)提供正常的交流輸出。
工作狀態(tài)任務(wù)可靠性模型框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖
（N+X）個模塊并聯(lián)形成一個表決系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中(N+X)個可靠度相同的單元組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中有N個單元正常工作，系統(tǒng)就可以正常工作。
對該表決系統(tǒng)，其可靠度和如公式4和公式5所示。
…………………………公式4
…………………………公式5
可用性也是針對任務(wù)可靠性，該UPS系統(tǒng)的任務(wù)剖面也是由UPS模塊提供正常的交流輸出。
該UPS系統(tǒng)是一個表決模型，用等效MTBF、等效MTTR和可用度三個參數(shù)來表征該系統(tǒng)的可用性。
系統(tǒng)MTBFeqS1、MTTReqS1和可用度A S1如公式6、公式7和公式8所示。
…………………………公式6
…………………………公式7
…………………………公式8
根據(jù)上述公式可以計算出在MTBF1=5萬小時，MTTR1=0.5小時時的“4+1”和“8+2”系統(tǒng)的可用度為：
表1
（4）模塊化UPS便于裝卸運輸安裝
傳統(tǒng)的立柜式UPS是一個整體，單個機架就比較重，如容量100KVA的重量一般為1000kg左右，尺寸一般也超過2m3 ，若選用250KVA或功率更大的UPS，包裝/運輸/裝卸/機房門或者走道偏小/電梯載重不夠/樓層層板支撐力不夠等都可能存在嚴(yán)重的問題。
傳統(tǒng)大功率UPS的結(jié)構(gòu)限制了只能采用立式包裝和立式運輸，大大限制了運輸車輛的選擇。而采用模塊化UPS，2個～4個人力即能搞定機架，1～2人能搞定模塊的安裝，并且模塊可以分開包裝，機架可以臥式包裝及運輸。
（5）模塊化UPS可維護性大大增強
傳統(tǒng)的UPS維修成本高、備件到達周期比較長，且發(fā)生重大故障時，返回廠家運輸困難，最重要的是影響負載設(shè)備的正常使用。如果選用模塊化UPS，用戶備用一個模塊，如果設(shè)備發(fā)生故障，即使空運一個模塊也不是很長時間。且UPS模塊本身具有熱拔插功能，可以在不中斷負載供電以及確保人身安全的前提下更換故障模塊。這樣維護將變得方便并且成本低。
模塊返回工廠維修與現(xiàn)場維修相比，不但維修成本更低，因為工廠有比較完善的監(jiān)測措施，維修質(zhì)量更可以得到保障。維修程序簡潔暢通。
（6）模塊化UPS，可以節(jié)省用戶投資
經(jīng)計算，10KVA容量的模塊構(gòu)成“4+2”系統(tǒng)給40KVA負載供電的平均年故障率為0.054%，而2個40KVA單機“1+1”并聯(lián)系統(tǒng)的平均年故障率為0.09%，高于前者。而隨著技術(shù)進步和模塊化UPS批量，總?cè)萘?0KVA的成本應(yīng)該低于80KVA的成本。
據(jù)統(tǒng)計，用戶的實際負載一般都比設(shè)計值小很多，負載率平均不到50%，設(shè)負載率為50%，則“4+2”系統(tǒng)變?yōu)椤?+6”的系統(tǒng)，則平均年故障率將降低3個數(shù)量級，或者用戶只需要“2+2”模塊化系統(tǒng)即可滿足負載要求，此時年故障率為0.011%，不到“1+1”系統(tǒng)的八分之一。
（7）模塊化UPS，可以便于用戶以后擴容（可升級性）
如果系統(tǒng)初期的不是滿配置，以后增加模塊擴容將比較容易，初期規(guī)劃確保這種配置能夠隨負載的逐步增加而擴容，并且充分考慮在供電系統(tǒng)擴容過程中對原有負載的不間斷供電。
（8）模塊化UPS能縮短工程安裝周期
同型號模塊組成不同容量的系統(tǒng)時，機架式并聯(lián)功率電纜和信號電纜都在出廠時布好，因此現(xiàn)場工程安裝布線簡單。而傳統(tǒng)UPS各種容量的尺寸不同，并機時存在并機電纜現(xiàn)場的制作和連接，將比較麻煩。
（9）模塊化UPS便于廠家系列化產(chǎn)品推出
假設(shè)采用20KVA的模塊組成系統(tǒng)，則可以組成20/40/60/80/100KVA…的系統(tǒng)，反過來如果是單機系統(tǒng)，則需要各個系統(tǒng)容量分別開發(fā)，廠家投入開發(fā)費用和時間增加，而這些費用將最終轉(zhuǎn)嫁到用戶身上。
（10）模塊化UPS便于廠家采購材料和生產(chǎn)備貨
供貨期有保證：對于大功率UPS，用戶具體需要哪個功率無法確定，可能供應(yīng)商庫存有60KVA機器，但是用戶卻來一個80KVA訂單，而大功率UPS的生產(chǎn)周期比較長（一般需要1個月），但用戶需求時間一般是10天半月甚至現(xiàn)貨，如果是模塊化UPS，則不存在問題，只要庫存一定數(shù)量的模塊和通用機架便可。
制造商元器件備貨方便：不同容量的單機UPS采用的功率器件和磁性元件不同（IGBT/SCR/接觸器/變壓器/電感等容量不同），廠家?guī)齑孢@些元器件給大規(guī)模定制帶來麻煩。而采用模塊化UPS的不同容量的系統(tǒng)，其中采用的元器件相同，便于規(guī)模采購從而降低成本，最終讓利于UPS用戶。UPS模塊化將在生產(chǎn)量、成本的節(jié)約、產(chǎn)品的質(zhì)量以及交貨速度等各方面都取得了飛躍性的進步。
我們還應(yīng)注意到，批量生產(chǎn)還存在著另一個重要的目的：除了便于產(chǎn)品的組裝之外，另一個優(yōu)勢是生產(chǎn)可互換部件。
（11）模塊化UPS便于售后維護
如果用戶備有備用模塊則用戶自己可以檢測判斷更換。如果用戶沒有備用模塊，廠家郵寄模塊也比較方便或者廠家維護人員隨身攜帶都可以。模塊化UPS現(xiàn)場只需更換模塊而無須現(xiàn)場打開外殼維修。
對于采用了相同型號的模塊組成幾個不同容量模塊化的UPS系統(tǒng)用戶，模塊的通用為用戶維護帶來便利。更換故障模塊輕松搞定。
模塊化UPS采用熱拔插技術(shù)，能將故障情況限制在供電系統(tǒng)的最小范圍（功能模塊）內(nèi)，因而在進行維修服務(wù)時無需系統(tǒng)停止其負載的正常運行。
（12）模塊化UPS省電
一般來說UPS是在一定負載范圍內(nèi)的效率才比較高，而在負載比較少時效率比較低。據(jù)調(diào)研，實際用戶的負載率在10—40%之間的概率大約占61%，假設(shè)用戶使用模塊化UPS，系統(tǒng)根據(jù)負載大小，在保證一定冗余的基礎(chǔ)上，可以休眠一個或者2個模塊（可以手動或者設(shè)置自動），讓UPS系統(tǒng)工作在效率比較高的區(qū)域。
設(shè)模塊在負載率20%UPS效率為85%，負載率40%時UPS效率為90%，對于首期實際40KVA/32KW但是終期設(shè)計容量100KVA/80KW系統(tǒng)，有2種配置：
1．采用2個100KVA /80KW的UPS并機，則首期正常時負載率為20%，終期有一臺故障時負載率為100%(如果終期一臺負載率大于80%時，系統(tǒng)需要考慮擴容)。初期系統(tǒng)正常時耗電32KW/80%=40KW；
2．采用“5+2”個20KVA/16KW的模塊并機，可計算得到，“5+2”系統(tǒng)的可用性比“1+1”系統(tǒng)的可用性稍高（在滿載條件下可用性比例是9/8左右，如果負載率小，則相當(dāng)于“2+5”，可用性比例更高）。則首期正常時休眠2個模塊，則為“3+2”系統(tǒng)，此時負載40KVA/100KVA=40%，終期可以全部模塊投入使用。此時正常時耗電32 KW/90%=35.55KW。
第2種配置的耗電比第一種配置的耗電低4.45KW。
（13）模塊化UPS便于與主設(shè)備一起安放，占用更小的機房面積
運營商越來越關(guān)注整體運行成本“TCO（Total Cost of Ownership）”，除了首期的設(shè)備購買成本，還有房租、電費以后維護等綜合成本。設(shè)備占用機房面積的租金也成為合同評標(biāo)的一項重要組成部分，10年的機房租金遠超過純設(shè)備的價錢，所以在選擇電源解決方案的時候運營商傾向于選擇機房面積占用小的。一個機架可達4000A模塊化的通信用高頻直流電源系統(tǒng)，與一個機架400A的傳統(tǒng)相控電源系統(tǒng)占用一樣的機房面積。如果UPS能與主設(shè)備并排，占用較小的機房面積，UPS產(chǎn)品的競爭力會更強。
傳統(tǒng)UPS因為容量/變壓器等尺寸限制，不同容量的機器高矮不同，并且沒有標(biāo)準(zhǔn)。如果放置在主機房顯得不很整齊和美觀，如果采用模塊化UPS，則可以采用與主設(shè)備（目前通信領(lǐng)域大部分負載為嵌入機架的19英寸42U服務(wù)器）相同尺寸。這樣可以讓機房的所有設(shè)備顯得渾然一體。
（14）與油機兼容性好
相對傳統(tǒng)相控UPS，因為模塊化UPS 都采用有源功率因數(shù)矯正，輸入功率因數(shù)PF值能達到0.99，輸入電流諧波THDI能小于5%，便于與油機兼容，降低油機容量與UPS容量的比例，降低用戶供電保障系統(tǒng)的總投資。
（15）模塊化UPS同樣適用于雙路電源方式，在同樣數(shù)量級的可用度時，成本比傳統(tǒng)雙路供電方案低
針對目前服務(wù)器等關(guān)鍵設(shè)備一般采用雙交流電源來保障，當(dāng)其中一個電源故障，服務(wù)器還能工作。對于傳統(tǒng)UPS而言，采用4臺UPS組成“1//1+1//1）”系統(tǒng)給負載供電，當(dāng)負載容量小于1臺UPS容量時，可以達到雙倍備份的可用度指標(biāo)。對于模塊化UPS，則2架UPS系統(tǒng)可以接近達到雙倍備份的可用度指標(biāo)。后者的成本節(jié)約將近一倍。
3、模塊化UPS存在的問題
3.1 模塊化UPS在客戶中認可度不高
直流電源并聯(lián)很簡單，電壓幅值相同、極性相同即可，因電流本身單向，均流技術(shù)也比較容易，存在環(huán)流問題。而2路或者多路交流電源的并聯(lián)存在同幅值、同頻率、同相位、同波形等多個參數(shù)，電流本身的雙向造成均流將變得非常復(fù)雜。模塊化UPS的可用性高出普通傳統(tǒng)UPS的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。但從模塊化UPS上市至今有近10年的歷史，確實有一些品牌的模塊化UPS的故障率較高。因而目前模塊化UPS在客戶中特別是高端客戶的認可度不太高。因此，實實在在地提高模塊化UPS可靠性及可用性是提高客戶認可度的必要前提。
3.2 價格高
模塊化UPS的技術(shù)難度大，廠家投入研發(fā)的成本很高，廠家為了收回投資成本，則定價高于普通傳統(tǒng)的UPS。隨著國內(nèi)廠商的研發(fā)投入，技術(shù)的進步將帶來可靠性的提高，模塊化UPS更利于大規(guī)模定制，則成本將呈相對下降趨勢。
3.3 無輸出隔離變壓器問題
隔離變壓器是指輸入和輸出之間沒有電氣連接。模塊化UPS的模塊內(nèi)部一般都不具有工頻隔離變壓器。
3.3.1 傳統(tǒng)UPS中的隔離變壓器不能解決N-PE電壓不為零問題
UPS都具有轉(zhuǎn)旁路功能的靜態(tài)開關(guān)，靜態(tài)開關(guān)只是將負載在逆變電壓和旁路電壓的火線之間切換，而對中線是不切換的，也就是說UPS的輸出中線與輸入中線是電氣連接一起的。既然是電氣連接，UPS本身就無法將UPS的輸出N-PE電壓降低的。
3.3.2 在負載端加隔離變壓器可解決零地電壓高問題
傳統(tǒng)工頻UPS也無法解決零地電壓高問題。零地電壓高的原因是由于三相負載不平衡或者負載中有諧波電流，而零線有線路電阻造成。有4個方法降低零地電壓：一是將三相中各相負載平均配置，二是減少諧波電流大的負載，三是加粗零線，最徹底的方法是在負載前端側(cè)增加一個隔離變壓器比在UPS側(cè)增加隔離變壓器的效果更佳（否則，如果負載輸入存在諧波電流，則在UPS輸出端到負載輸入端之間存在零線上的壓降而又會造成的零地電壓）。
3.3.3 無隔離變壓器的UPS應(yīng)用越來越廣泛
（1）計算機負載對中線和火線是要求與處理是相同的
國際辦公產(chǎn)品安全規(guī)則（如IEC950和UL1950）禁止對中線和火線采取不同的處理措施，只要看計算機中電源原理圖就知道電源火線和零線是以同樣的方式連接到同一電路中，并且是可以互換的。這說明要求N-PE電壓低，也不可能做到L-PE電壓低。
（2）計算機不能把中線用作邏輯參考點
所有的安規(guī)如UL、TUV不容許把中線作為邏輯參考點，安規(guī)規(guī)定邏輯參考點與火線或中線的距離要有1/2cm，不能有任何電路上的連接。
（3）隔離變壓器不能消除地線問題
國際辦公產(chǎn)品安全規(guī)則（如IEC950和UL1950）要求隔離變壓器只能用來隔離中線或火線，保護地線是不經(jīng)隔離變壓器直接通過。因為計算機電路（數(shù)據(jù)通信電路）是和保護地線而不是中線相連，所以隔離變壓器及帶隔離變壓器的UPS對解決地線問題毫無作用。
（4）電網(wǎng)中線噪聲不會耦合到計算機電路中
國際辦公產(chǎn)品安全規(guī)則（如IEC950和UL1950）禁止電源線和計算機電路之間有任何有意的耦合電路。但通過電磁場可能會有無意識的耦合，如射頻干擾這種耦合能起作用的波長必須相當(dāng)或小于計算機或網(wǎng)絡(luò)的實際尺寸。頻率為幾十MHZ?？捎霉材V波器濾去這種干擾。
（5） “硅”替代“銅鋼”的是UPS發(fā)展的另一個趨勢
金屬材料成本越來越高，利用半導(dǎo)體“硅”變換技術(shù)來提高UPS的性能指標(biāo)，替代笨重隔離變壓器“銅鋼”是技術(shù)所趨，形勢所逼。各大廠家開始紛紛主推立柜式的不含隔離變壓器的大功率高頻機就是事實。
4、將進行的研究課題
為了確實提高模塊化UPS的可靠性，促進模塊化UPS的發(fā)展，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)文批準(zhǔn)立項，開展《通信用模塊化不間斷電源》的研究課題項目（項目編號：2007B13）（見通標(biāo)發(fā)2007 第19號文件，關(guān)于印發(fā)中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會2007年第一批技術(shù)報告制定項目和研究課題項目計劃的函），著重研究如下5個問題：
1）需要解決各模塊的故障隔離性；
2）需要解決元器件的飄移對系統(tǒng)的影響；
3）提高模塊化UPS系統(tǒng)的抗沖擊能力方面；
4）模塊化UPS的電池管理方面；
5）關(guān)于并聯(lián)環(huán)流等參數(shù)的限制。
5、結(jié) 語
模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS相比有諸多優(yōu)點，代表UPS的發(fā)展方向之一，但目前還存在成本高，部分產(chǎn)品實際的可靠性并不如理論計算值高，對模塊化UPS的研究將有利于促進模塊化的可靠性提高，從而提高模塊化UPS在客戶中的認可度，加快模塊化UPS的發(fā)展。
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