中國電源工業協會專家委員會 王其英
一、 工頻機UPS被高頻機UPS替代是歷史趨勢
UPS原來分旋轉發電機式和靜止變換式，靜止變換式工頻機結構UPS技術出現在上個世紀60年代后期，比旋轉發電機式晚一些，毫無疑問在當時屬尖端技術，幾十年間也為IT技術領域作出了不朽的貢獻，有口皆碑。然而任何技術的先進性是針對某一個時期的，是相對而言的，即任何先進的產品也有其一定的適用期。隨著IT技術的出現與發展，工頻機UPS逐漸暴露出它的許多缺點，比如體積大、重量大、功耗大、破壞電網和輸入功率因數低下等不利因素，這不但大大影響了數據中心的PUE(能耗比)和可靠性，而且對節能減排的社會效益也是背道而馳的。
在歷史發展中總是遵循這樣一個規律：每當一種技術阻礙生產力發展時，就會有一種新的技術產生出來將其代替。毫不例外，新一代產品高頻機UPS技術問世了。為了區別以前的UPS，就起了一個高頻機UPS的名字。原來那種輸入輸出都工作在50Hz并且有輸出變壓器的老電路結構就稱作工頻機結構UPS;而這種輸入輸出電路都工作在20kHz以上且沒有輸出變壓器的電路就稱之為高頻機或高頻機結構UPS。
高頻UPS除了具備工頻機UPS那些技術指標外，另外還有著更高的性能和指標，有些是工頻機UPS所望塵莫及的。
1、 輸入功率因數高
工頻機UPS一般在400kVA以下的輸入電路都采用標配了可控硅6脈沖整流，輸入功率因數不超過0.8，諧波電流有30%之大。如果前面接發電機，發電機的容量至少要3倍于UPS功率;如果是單相小功率UPS，發電機的容量至少要5倍于UPS功率。三相UPS為了提高輸入功率因數，就前面加無源或有源諧波濾波器，或做成12脈沖整流、24脈沖整流整流等，即在一個周期中有12個或24個整流電流脈沖。但同時也帶來了體積龐大、結構復雜和價格昂貴的問題。
而用IGBT整流的高頻機UPS，在一個周期中有成百上千個整流電流脈沖，所以任何容量的高頻機UPS在前面不加任何濾波器的情況下，它的輸入功率因數都可做到0.99甚至以上，諧波電流小于5%，前置發電機的容量理論上和UPS功率相同，大大縮減了投資和占地面積，也符合了節能減排的國策等。尤其是對市電的充分利用具有良好的經濟意義和社會效益。
2、 本身功耗小
在同樣指標下，比如要求輸入功率因數為0.95以上時，工頻機UPS就必須外加諧波濾波器或改為12脈沖整流，就是說前面要增加一個設備，再加上輸出變壓器，就比高頻機UPS多了兩個串聯環節，如圖1所示。由于此二者的影響，使得工頻機UPS的效率比高頻機UPS
圖1 高輸入功率因數下的工頻機UPS和高頻機UPS結構方框圖
至少低5%。在同樣是100kW的容量時工頻機UPS每年要比高頻機UPS多消耗5萬度電!
3、 對外干擾小
干擾有兩種，一種是聽得到的機械噪聲，一種是聽不到的電噪聲，這兩種噪聲工頻機UPS都有，形成了對設備和對人的傷害。電噪聲影響機器的穩定度，機械噪聲影響人的身心健康，降低工作效率。而高頻機UPS由于工作在20kHz以上，20kHz是人的耳朵聽不到的頻率，使工作環境安靜下來。又由于而高頻機UPS的輸入功率因數高達0.99以上，幾乎是線性的，所以對外干擾幾乎可以忽略。
4、 體積小、重量輕
工頻機UPS由于有了輸出變壓器和適應50Hz的電感電容等低頻器件使得體積重量都很大。比如某品牌6脈沖蒸餾輸入的300kVA工頻機 UPS 重1600kg，輸入功率因數僅0.8(實際測量大多數低于此值)為了將輸入功率因數提高到0.9以上，就升級到12脈沖整流加11次諧波濾波器，增加了600kg，變成了2200kg!而同是這個容量的300kVA高頻機 UPS 重量只有830kg，并且輸入功率因數比它還高。
5、 全數字技術
工頻機UPS開始是模擬技術，現在一般為數字與模擬相結合的技術。模擬技術的可靠性要比數字技術低。而高頻機UPS技術是一種全數字化技術，不言而喻，可靠性是很高的。
(b)高頻機UPS的并聯方框圖
圖2 兩種UPS并聯方框圖
6. 對電網的適應能力強
工頻機UPS對于適應輸入電壓±15%的變化已很不容易;而高頻機UPS甚至適應輸入電壓±30%以上的變化，這又大大延長了電池的壽命。
7. 能將并機環流衰減到幾乎為零
工頻機UPS的并聯就是變壓器的直接并聯，而變壓器的直接并聯由于其內阻很小，再加之輸出電壓的不同，最容易產生環流，而且這個環流的路徑暢通無阻，如圖2(a)所示;高頻機UPS由于沒有輸出變壓器，它們的并聯如圖2(b)所示，可以看出這里的環流路徑上處處是障礙，小于2V的電壓差根本形不成環流，而工頻機UPS在此情況下就會形成很大的環流。
總之，高頻機UPS在性能上不但能完全替代工頻機UPS，而且還多出原來后者沒有的特點。
二、 高頻機UPS與工頻機UPS的現狀
因為高頻機UPS對技術與工藝以及生產手段的要求非常嚴格，一般也不容易防制，20kHz以上的高頻機UPS容量目前都小于100kVA，只有少數幾個制造廠的技術真正過關，并且已顯示出強大的生命力。在大功率范圍雖然不能做到20kHz，但可以采用高頻機結構，比如用IGBT高頻整流(相對于50Hz而言)，頻率一般在15kHz以下，多數廠家已可做到200kVA，但也有佼佼者，比如秀康10年前就可做到8kHz/480kVA，GE、TMEC(三菱和東芝)、富士也已可以做到500kVA，伊頓9395更是突破了大容量的技術禁區，一舉將單機功率容量做到了1100kVA，并已成為美國的軍方指定產品。這說明高頻機結構UPS技術已經成熟，接下來是普及問題。在我國軍方和金融等重要部門也已紛紛采用，并收到了良好的效果。
當然工頻機結構UPS在這種情況下的日子會越來越艱難，好在是還有那么一批廠家的高頻機結構UPS沒有過關，還得主推工頻機UPS，對用戶來說，有些用戶對工頻機尚有偏愛，一時思想還轉不過彎來，盡管國家三令五申號召節能減排，但這些用戶總能找出一些繼續用工頻機結構UPS的理由。這是個認識問題，但不要認為工頻機UPS技術永遠不落后。從科學發展觀來說，以后一段時間內無疑是高頻機UPS的市場。不可否認，高頻機UPS同樣也有退出歷史舞臺的一天，當然那是后話。
三、 所謂兩個發展方向
現在有一種說法：高頻機UPS和工頻機UPS是兩個發展方向。這就使人糊涂了：
難道效率低的產品也是發展方向?難道節能減排還允許其反向產品發展?
在有了更好的替代品以后，難道耗費資源和笨重的產品也是發展方向?
總之，這種觀點不外乎說：高頻機UPS與工頻機UPS并存;節能減排與浪費能量和資源并存;先進與落后并存…所謂技術上的并存應該是不可替代的，比如自行車雖然比汽車跑得慢，但它們在一定程度上是互相不可替代的;而這里的UPS技術卻是在一條軌道上跑的車，可以完全替代。這就像蒸機車被燃油機車替代，燃油機車又將被電氣機車替代一樣那么自然，水到渠成。 |
