傳統UPS與模塊化UPS優劣分析

1 引言

隨著國家經濟的不斷發展，對不間斷電源的需求也越來越多。對于用戶而言，需要的是持續的電力保護，但市場里的產品眾多，如何選擇卻成了難題。比如，國內品牌還是國外品牌？選擇熟悉的傳統機，還是最新一代的模塊機？

2 選擇合適的UPS類型

為了能使客戶購買到最合適的UPS,必須謹慎地評估其在項目中的實際應用與需求。每種品牌的UPS都有其自身的特點，具體選擇取決于實際項目中的用途。

僅僅知道負載的功率是遠遠不夠的，即使UPS能夠給負載提供足夠的功率，也并不意味著那就是最好的選擇。用戶還需要知道UPS的運行方式、輸出功率、電池后備時間、運行與維護成本，整體加以衡量才能選擇到自己需要的產品。

在EN 62040-3標準中，通過其工作方式定義了UPS的類型，如表1所示。

2.1第一部分UPS電源質量的分類選項

⑴　VFI (電壓和頻率相互獨立)

輸出電壓和頻率和輸入電源無關。頻率變化控制依據IEC EN 61000-2-2標準。

⑵　VFD (電壓和頻率互相依靠)

UPS的輸出取決于與市電電源的電壓和頻率變化。

⑶　VI（電壓獨立）

UPS的輸出（頻率）取決于市電電源的頻率變化。輸出電壓與市電電壓無關。

2.2 第二部分輸出電壓波形的分類選項（正常市電模式和電池模式）

第一個字符表示在正常和旁路方式下的輸出電壓波形。可以為S，X，Y。

第二個字符表示在儲能方式下的輸出電壓波形。可以為S，X，Y。

⑴　S 表示在所有線性和基準非線性負載條件下，輸出波形均為正弦波，其總諧波失真因數THDu＜8%。

⑵　X 表示在線性負載條件下，輸出波形均為正弦波（與S相同），在非線性負載條件下（如果超過規定的極限），其總諧波失真因數THDu＞8 %。

⑶　Y 輸出波形是非正弦波。

2.3 第三部分瞬態電壓性能的分類選項

第一個字符表示改變工作方式時的輸出電壓瞬態性能。可以為1，2，3。

第二個字符表示在正常/儲能方式下，帶線性階躍負載時的輸出電壓瞬態性能（最不利的情況）。可以為1，2，3。

第三個字符表示正常/儲能方式下，帶基準非線性階躍負載時的輸出電壓瞬態性能（最不利的情況）。可以為1，2，3。

每個數字的含義如下：

⑴　1表示無中斷或無零電壓出現；

⑵　2表示輸出電壓為零持續1ms；

⑶　3表示輸出電壓為零持續10ms。

表2 UPS的分類舉例

TRIMOD模塊化UPS為VFI-SS-111類型，是真正的在線雙變換UPS，可以為負載提供高品質的電源。

3 選擇合適的系統結構

3.1分散式結構

分散式結構通常被用在對供電要求不太嚴格，且目前已有現成的供電系統、機房較多且相對分散的場合，如圖1所示。

圖1 分散式結構

⑴優點：

①　可擴展性好；

②　容易安裝；

③　每臺UPS均獨立運行。

⑵　缺點：

①　難管理；

②　維修與保養復雜；

③　能源消耗多。

3.2集中控制架構

集中控制架構適合用來保護整體負載系統，見圖 2。

⑴　優點：

①　監控簡單；

②　維護容易。

⑵　缺點：

①　無冗余；

②　可擴展性較差；

③　占用空間較大。

圖 2 集中控制架構

3.3模塊化冗余架構

模塊化冗余架構是企業用戶用來保護關鍵負載的最佳解決途徑，如圖3所示。

⑴　優點：

①　監控簡單；

②　可擴展性好；

③　供電模塊有冗余；

④　容易維護；

⑤　運行成本低；

⑥　占地面積小。

⑵　缺點：

初期的購買成本比傳統UPS要高。

圖 3 模塊化冗余架構

4 模塊化UPS與傳統UPS比較

傳統UPS的購買價格要比最新的模塊化系統稍低，但購買成本并不是決定總花費的唯一因素。由于兩種系統結構具有較大的差異，傳統UPS的運營成本比模塊化結構的系統要高。模塊化系統因其運行效率高、低輸入THDi值、高輸入功率因數、冗余性與擴展性等特點，已經慢慢被廣大客戶所接受。即使當前的購買成本較高，但在第一年的使用過程中客戶就已經開始得到實惠了。

4.1運輸成本比較

傳統UPS由于本身結構的需要內置了輸出隔離變壓器，使得其重量往往比模塊化的UPS高出（2～3）倍。這就意味著需要多付出50%的運輸花費。TRIMOD UPS可在不需要任何特殊的車輛下，即可被運送到安裝地點并完成安裝。運輸費用比較見表 3。

表3 運輸費用比較

4.2 安裝成本與占地面積比較

傳統UPS需要的安裝占地面積（平方米）比TRIMOD系統多（2～3）倍，安裝占地面積和安裝成本比較見表 4。

表 4 安裝占地面積和安裝成本比較

4.2 可靠性比較

UPS系統的可靠性取決于平均無故障時間（MTBF）和平均故障修復時間（MTTR）的大小。

傳統UPS的MTBF通常為150000小時，MTTR為（4～12）小時。

TRIMOD UPS的MTBF高達400000小時，MTTR僅為5分鐘，且還可以通過增加功率模塊的冗余度來增加系統的MTBF。TRIMOD可配置N+X冗余系統，甚至當有功率模塊故障時，也可保證系統零宕機。系統強大的自診斷功能和模塊化結構可大大減少MTTR，精確的指示和大屏幕顯示可幫助用戶立即確認故障點。模塊化結構允許用戶在不對負載造成任何影響的情況下，通過簡單、快速地更換故障功率模塊即可完成維修。

4.3 能源消耗對比

表 5(a) 模塊化UPS系統

表 5(b) 模塊化UPS運行成本分析

表 6 (a) 傳統1+1并機

表 6 (b) 傳統1+1運行成本分析

注：假設1kWh=1RMB。

美達電器TRIMOD系列模塊化UPS，秉承了意大利優異的工業設計及制造技術，使得整機的效率提高到95%。整機效率的增加意味著UPS減少了從主電源獲取的功率，減少了以熱量形式散發環境中的損耗，因此也就減少了空調系統的能源消耗。輸入功率因數在20%負載時就始終接近于1，且輸入電流諧波失真THDi＜3%，大大減少了對電網的污染，從而有效地保證同一電網內其他機電設備的正常工作。

4.4 維護成本比較

傳統UPS因其結構復雜，維修過程相對繁瑣，往往需要工程師攜帶大量的備件到現場逐個更換。由于其內部組成部件較多，故障點的判斷較困難，只能通過更換故障點的相關部件完成維修，導致費用高；另外，由于維護工程師的水平差異，故障設備的修復時間也不同，一般需要（4～12）小時，用戶還需要額外支付廠家維護工程師的人工費用。

美達電器TRIMOD模塊化UPS維修超簡便，在線5分鐘內即可完成功率模塊的更換。功率模塊采用單進單出設計，重量很輕（7.9kg）且容易更換，一個人即可完成全部的工作。因此，總體維修成本比傳統UPS低30%～50%（僅需要更換一個單相的功率模塊）。

4.5 運行成本（蓄電池更換）比較

蓄電池是UPS系統的核心組成之一，它能在市電停電時及時放電，從而保證負載的不間斷運行。只有保證蓄電池時刻處于最佳的狀態下，負載才能夠得到UPS的保護。

傳統UPS對于電池的充放電管理較單一，往往采用恒流充電、長期浮充等簡單的充電方式。長期的浮充不僅會使蓄電池極板硫化，降低容量，更影響了蓄電池的性能，也就降低了UPS系統的可靠性。快速老化的蓄電池需要頻繁的更換，有時會超過UPS主機的購買價格，給用戶帶來了很大的維護成本壓力。

美達電器TRIMOD系列模塊化UPS采用了“三階段”智能充電系統，能夠延長蓄電池30%的壽命。第一階段，充電器在很短的時間快速補充蓄電池損失的能量；第二階段，充電器的輸出電壓緩慢上升，后轉為均充狀態；第三階段，由于充電電流的持續減少，充電器進入到12小時長的浮充狀態；最后，充電器將自動關閉，15天后重新開始對蓄電池補充電（假定這個階段主電源一直存在）。另外，TRIMOD會根據負載情況自動調整蓄電池的放電截止電壓，可最大程度地保護蓄電池。由于該充電系統可顯著提高蓄電池的性能，一方面提高了UPS系統的可靠性，同時減少了更換蓄電池的成本。

表 7 蓄電池使用情況比較

4.6 擴容成本比較

傳統UPS需要擴容，首先客戶需要購買一臺同品牌、同型號UPS。要完成設備的安裝，需要提供更多的空間去放置一臺新的UPS主機、一組蓄電池，而且必須重新設計新主機的電源系統。在新設備的安裝調試時，還可能需要將原先的UPS關閉。這樣負載將失去電力保護，有可能會造成經濟損失。

美達電器TRIMOD模塊化UPS具有良好的擴展性，用戶可單獨購買功率模塊并在線對原主機升級擴容，且不需要重新調整UPS的供電系統。

圖4 傳統UPS和TRIMOD的擴展性對比

5 結語

UPS的主要目的是用來保護企業用電設備的不間斷運行及保存敏感數據。在保證其可靠運行的基礎上，還需同時考慮設備的擴展性、運行成本和維護成本。美達電器TRIMOD UPS不僅可以給負載提供高質量的電源，還降低了能源消耗，為環境保護做出了巨大的貢獻。在UPS設備的8年使用期內，TRIMOD總體使用成本要比傳統UPS低32%。

因此，模塊化UPS是最佳選擇。

圖 5 傳統1+1 UPS和TRIMOD的花費及總成本比較