多制式模块化绿色UPS电源技术

一、前言

近年来，国家在“信息化带动产业化”及“节能减排低碳经济”的方针指引下，我国各企事业单位的信息化建设步伐大大加快，这使得UPS的市场需求量逐年快速增长。随着节能减排的政策要求UPS技术的迅猛发展，UPS技术本身也在不断的进步着。目前广泛应用的传统型UPS存在着诸多的问题，主要表现在：

1.运行效率低下，普遍轻载效率低于80%。

2.采用工频变压器等元件将消耗大量的钢材和铜，成本高、体积笨重。

3.普遍采用了不控或相控整流器，其输入功率因数随负载的降低而降低，并产生大量的谐波电流注入电网。

4.可用性差，单机不能冗余运行，可靠性低，故障率高，维护难及初期投资成本大。

当前UPS存在的问题，向UPS厂商提出了更高的要求。目前，电源领域的专家一致认为，UPS应向“绿色化、模块化，智能化”方向发展。“绿色化”要求UPS电源系统以高效率及高功率因素运行，并对电网不造成谐波污染，对其他用电设备不产生电磁干扰。“模块化”在大幅提高供电系统可靠性，降低初期投资容量、热插拔简化维护操作的同时，由于避免了“大马拉小车”的工况，实现了节能降耗。“智能化”可实现UPS的多制式运行及灵活的故障诊断与保护，确保供电系统可靠运行。

由于电信数据业务和IT支撑平台的发展，特别是IDC(客户托管机房)业务的开展，使得通信机房内服务器等使用交流供电的IT设备大量增加，相应配置的UPS(交流不间断电源)的数量也与日俱增。但由于传统整机式UPS的一些弊病，为企业网络发展规划和通信电源维护工作带来很大的困扰，而模块化UPS正是人们为解决传统整机式UPS供电的局限性而发展起来的一种新型UPS设备。

二、模块化UPS将是绿色电源必然的发展方向

满足“绿色电源”特征的模块化UPS将是必然的发展方向，但长期以来其国内市场一直为国外产品所垄断。国外产品价格昂贵，维修不易。因此，开发具有自主知识产权的模块化绿色UPS是推动我国电源产业快速发展、实现各行各业高效用电的重要举措。

广东志成冠军集团为国内UPS行业的笼头企业。经过多年自主研发UPS的技术，高频模块化绿色UPS于2006年10月成功推出。该产品填补了国内空白。

1、高可靠性的模块化技术

由模块化绿色UPS所构成的供电系统框图如图1所示。通过UPS模块的并联运行，将大幅提高供电的可靠性，节省初期投资，而功率模块与旁路模块的热拔插功能大大简化了维护工作。

图1 UPS模块化冗余运行示意图

图1中，模块化UPS供电系统由3个UPS模块并联运行为负载供电，其中，UPS模块的主电路框图如图2所示，主要包括PFC高频整流器，三相三电平逆变器及逆变输出隔离开关(接触器)等部分。其中，交流接触器用于在关机或故障时将逆变器从并联系统中断开，便于检修与维护。

图2 UPS模块的主电路框图

如图2所示，三相或单相市电电源从空气开关输入，进入PFC高频整流单元。高频整流单元是UPS与市电电网的接口部分，它将三相或单相交流电变换为稳定的±430V直流电送至直流母线，为后级的高频逆变电路提供稳定的直流母线电压。

2、高效高频整流技术

为提高功率密度及整机效率，减小对电网的污染，整流器采用了单管功率因数校正(PFC)的高频整流技术，如图3所示。每相的高频整流电路只需一个IGBT即可提供正负直流母线电压，效率很高。采用了带功率因数校正的高频整流技术后，可实现UPS输入的功率因数为1，输入电流谐波大大降低(谐波畸变率小于5%)，可对直流母线电压实现快速调控，从而在大大减少了对电网的谐波污染的同时，大大降低了直流母线电压的纹波系数，提高了直流母线电压的稳定性，此外，对蓄电池的充放电更加地灵活。而所有模块的高频整流电路的输出能够并联运行，这也进一步提高了系统稳定性和可靠性。

图3 PFC高频整流单元主电路示意图

图3是一个含升压(Boost)型功率因数校正器APFC(Active Power Factor Correction)的高频整流器电路原理及波形图。主电路由单相桥式不控整流器和DC-DC Boost变换器组成。虚线框内为控制电路，包括：电压误差放大器VAR、电流误差放大器CAR、乘法器、比较器C和驱动器等。假定负载需要一个电压为V*0的直流电压，有源功率因数校正器APFC的工作原理如下：将主电路的输出电压V0和指令输出电压V*0送入一个比例积分PI型电压误差放大器VAR，VAR的输出是个直流量m，当实际输出直流电压V0大于指令值V*0时，V0>V*0，m减小;当V0二极管整流电压Vdc检测值Vdc=|VS|(交流电源电压瞬时值的绝对值)和VAR的输出电压信号m