多制式模塊化綠色UPS電源技術

一、前言

近年來，國家在“信息化帶動產業化”及“節能減排低碳經濟”的方針指引下，我國各企事業單位的信息化建設步伐大大加快，這使得UPS的市場需求量逐年快速增長。隨著節能減排的政策要求UPS技術的迅猛發展，UPS技術本身也在不斷的進步著。目前廣泛應用的傳統型UPS存在著諸多的問題，主要表現在：

1.運行效率低下，普遍輕載效率低于80%。

2.采用工頻變壓器等元件將消耗大量的鋼材和銅，成本高、體積笨重。

3.普遍采用了不控或相控整流器，其輸入功率因數隨負載的降低而降低，并產生大量的諧波電流注入電網。

4.可用性差，單機不能冗余運行，可靠性低，故障率高，維護難及初期投資成本大。

當前UPS存在的問題，向UPS廠商提出了更高的要求。目前，電源領域的專家一致認為，UPS應向“綠色化、模塊化，智能化”方向發展。“綠色化”要求UPS電源系統以高效率及高功率因素運行，并對電網不造成諧波污染，對其他用電設備不產生電磁干擾。“模塊化”在大幅提高供電系統可靠性，降低初期投資容量、熱插拔簡化維護操作的同時，由于避免了“大馬拉小車”的工況，實現了節能降耗。“智能化”可實現UPS的多制式運行及靈活的故障診斷與保護，確保供電系統可靠運行。

由于電信數據業務和IT支撐平臺的發展，特別是IDC(客戶托管機房)業務的開展，使得通信機房內服務器等使用交流供電的IT設備大量增加，相應配置的UPS(交流不間斷電源)的數量也與日俱增。但由于傳統整機式UPS的一些弊病，為企業網絡發展規劃和通信電源維護工作帶來很大的困擾，而模塊化UPS正是人們為解決傳統整機式UPS供電的局限性而發展起來的一種新型UPS設備。

二、模塊化UPS將是綠色電源必然的發展方向

滿足“綠色電源”特征的模塊化UPS將是必然的發展方向，但長期以來其國內市場一直為國外產品所壟斷。國外產品價格昂貴，維修不易。因此，開發具有自主知識產權的模塊化綠色UPS是推動我國電源產業快速發展、實現各行各業高效用電的重要舉措。

廣東志成冠軍集團為國內UPS行業的籠頭企業。經過多年自主研發UPS的技術，高頻模塊化綠色UPS于2006年10月成功推出。該產品填補了國內空白。

1、高可靠性的模塊化技術

由模塊化綠色UPS所構成的供電系統框圖如圖1所示。通過UPS模塊的并聯運行，將大幅提高供電的可靠性，節省初期投資，而功率模塊與旁路模塊的熱拔插功能大大簡化了維護工作。

圖1 UPS模塊化冗余運行示意圖

圖1中，模塊化UPS供電系統由3個UPS模塊并聯運行為負載供電，其中，UPS模塊的主電路框圖如圖2所示，主要包括PFC高頻整流器，三相三電平逆變器及逆變輸出隔離開關(接觸器)等部分。其中，交流接觸器用于在關機或故障時將逆變器從并聯系統中斷開，便于檢修與維護。

圖2 UPS模塊的主電路框圖

如圖2所示，三相或單相市電電源從空氣開關輸入，進入PFC高頻整流單元。高頻整流單元是UPS與市電電網的接口部分，它將三相或單相交流電變換為穩定的±430V直流電送至直流母線，為后級的高頻逆變電路提供穩定的直流母線電壓。

2、高效高頻整流技術

為提高功率密度及整機效率，減小對電網的污染，整流器采用了單管功率因數校正(PFC)的高頻整流技術，如圖3所示。每相的高頻整流電路只需一個IGBT即可提供正負直流母線電壓，效率很高。采用了帶功率因數校正的高頻整流技術后，可實現UPS輸入的功率因數為1，輸入電流諧波大大降低(諧波畸變率小于5%)，可對直流母線電壓實現快速調控，從而在大大減少了對電網的諧波污染的同時，大大降低了直流母線電壓的紋波系數，提高了直流母線電壓的穩定性，此外，對蓄電池的充放電更加地靈活。而所有模塊的高頻整流電路的輸出能夠并聯運行，這也進一步提高了系統穩定性和可靠性。

圖3 PFC高頻整流單元主電路示意圖

圖3是一個含升壓(Boost)型功率因數校正器APFC(Active Power Factor Correction)的高頻整流器電路原理及波形圖。主電路由單相橋式不控整流器和DC-DC Boost變換器組成。虛線框內為控制電路，包括：電壓誤差放大器VAR、電流誤差放大器CAR、乘法器、比較器C和驅動器等。假定負載需要一個電壓為V*0的直流電壓，有源功率因數校正器APFC的工作原理如下：將主電路的輸出電壓V0和指令輸出電壓V*0送入一個比例積分PI型電壓誤差放大器VAR，VAR的輸出是個直流量m，當實際輸出直流電壓V0大于指令值V*0時，V0>V*0，m減小;當V0二極管整流電壓Vdc檢測值Vdc=|VS|(交流電源電壓瞬時值的絕對值)和VAR的輸出電壓信號m共同加到乘法器的輸入端，用乘法器的輸出m|VS|作為電感電流iL(|iS|=iL)的電流指令值ir，因此電流指令ir(ir=mvdc)=m·|VS|的波形與交流電源電壓VS相同，即指令電流ir是與交流電源 VS同相位的正弦波，而ir的大小則取決于實際電壓V0與電壓指令值V*0的誤差。將ir與電感電流iL的檢測值(iL=|iS|)一起送入比例、積分PI型電流誤差比較器CAR，CAR的輸出作為開關管T的PWM驅動控制電壓Vr，最后將Vr與一個恒頻三角波V△送入比較器C，C的輸出被取作開關管T的驅動信號VG，經驅動器功率放大后再驅動開關器件T。當iL=|iS|

圖3(c)給出輸入電壓VS、Vdc指令和僅有很小紋波的iL、iS波形。由圖可見，輸入電流被高頻PWM調制成接近正弦(含有高頻紋波)的波形。圖3(a)中iD為流過二極管的電流，iT為流過開關管T的電流。在一個開關周期內，當開關管T導通時，ID=0 ，|is|=iL=ir ;當開關管T斷開時，iT=0 ， |is|=iL=iD;具有高頻紋波的輸入電流iS經很小的LC濾波后即可得到較光滑的正弦波電流，它也正是每個開關周期中IS(IL)的平均值。

3、數字化的高頻三電平逆變技術

逆變部分是UPS的核心部分。由于直流母線電壓達到±430V，我們在吸收國際最新的、高性價比的逆變器方案的基礎上，采用了三電平逆變器結構，如圖4所示。三電平電路有效地解決了IGBT的耐壓問題，在SPWM調制中也可大大降低IGBT的開關頻率。三電平電路也使得逆變器的熱損耗小、噪音低、電磁干擾小、功率密度高，且性能可靠，工作穩定、壽命長。三電平電路輸出的SPWM電壓波形經過LC濾波后輸出純正的正弦電壓波形。通過采用合理的輸入輸出共地技術，使得逆變器不再需要笨重而昂貴的輸出工頻變壓器及高頻隔離變壓器，從而大大降低了成本、體積及損耗。