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云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等顛覆性技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，各行各業(yè)正馬不停蹄地邁向數(shù)字化時(shí)代。面對(duì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，企業(yè)需要能夠迅速高效地響應(yīng)業(yè)務(wù)變化需求。在整個(gè)IT架構(gòu)的變革過(guò)程中，數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)新與變革一直備受關(guān)注。作為數(shù)據(jù)中心的動(dòng)力源泉，UPS（三相不間斷電源）配電系統(tǒng)不僅存在很大的發(fā)展空間，也一直存有迫切的創(chuàng)新需求。用戶對(duì)UPS供配電系統(tǒng)的需求主要集中在三個(gè)方面：高可用性）、全生命周期的總成本、UPS供配電系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸安裝就位及場(chǎng)地的適應(yīng)性以及使用操作維護(hù)過(guò)程中的靈活性。我們認(rèn)為，基于用戶這三方面的要求，未來(lái)UPS將呈現(xiàn)四大技術(shù)趨勢(shì)。

1.革命性的超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式（雙變換模式）和普通旁路優(yōu)先運(yùn)行模式，即ECO模式（經(jīng)濟(jì)模式）在可用性方面都存在較大的弱點(diǎn)。雙變換模式輸出交流電壓精度為1%，能量經(jīng)過(guò)整流器和逆變器進(jìn)行了兩次100%的轉(zhuǎn)換，UPS整機(jī)效率只有90-95%。但由于IT設(shè)備對(duì)交流電的精度要求不高，該模式下1%輸出精度這一優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有發(fā)揮其意義。反過(guò)來(lái)看，該模式下元器件的疲勞老化嚴(yán)重，壽命降低，導(dǎo)致UPS產(chǎn)品可用性降低。而ECO模式下，UPS優(yōu)先運(yùn)行在靜態(tài)旁路，由市電直接給負(fù)載供電，帶來(lái)的最大好處是將效率提高到了99%。但是市電電網(wǎng)故障千變?nèi)f化，該模式并不能100%保證從旁路模式切換到逆變器模式，當(dāng)切換時(shí)間超過(guò)IT設(shè)備能夠承受的范圍時(shí)，就會(huì)造成IT設(shè)備重啟，降低UPS可用性。

圖1. 革命性的超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式

2012年，施耐德電氣研發(fā)出具有革命性的超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式（E變換模式），并獲得該項(xiàng)的技術(shù)專利，2014年開始全面應(yīng)用到Galaxy V系列產(chǎn)品中。該模式下，逆變器與旁路市電并聯(lián)工作，逆變器精確控制的結(jié)果是最終實(shí)現(xiàn)由旁路市電提供有功功率（基波電流），逆變器提供無(wú)功功率（諧波電流），兩者合起來(lái)就是IT負(fù)載所需要的電流。因此市電的輸入功率因數(shù)可達(dá)>0.99，輸入的諧波電流<3%。該模式下UPS提供一級(jí)供電質(zhì)量，保證IT設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，逆變器還可以給電池提供10%的充電能力。當(dāng)市電電網(wǎng)有問(wèn)題的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)關(guān)斷旁路市電供電，由于不存在切換時(shí)間，或者說(shuō)切換時(shí)間=0ms，從而保證了可用性。另外，特殊的可控硅關(guān)斷控制技術(shù)，也確保電池的能量在任何情況下都不會(huì)倒灌回電網(wǎng)。

超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式最大的優(yōu)點(diǎn)在于，電容電感功率器件等沒(méi)有承受所有的負(fù)載電流，長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行，因此元器件的疲勞老化輕微，壽命延長(zhǎng)，系統(tǒng)可用性提高，能夠??滿足用戶高可用性、高效率、高輸入性能指標(biāo)的要求。

2.多電平逆變器技術(shù)

傳統(tǒng)的工頻機(jī)和高頻機(jī)都采用的是兩電平逆變器的技術(shù)。以常見(jiàn)的高頻機(jī)來(lái)說(shuō)，高頻機(jī)兩電平逆變器架構(gòu)中，其功率器件IGBT的承壓就是直流母線電壓800V，只能挑選耐壓值為1200伏甚至1500伏的IGBT功率器件。而耐壓值越高的功率器件，其失效率越高。因此為了提高逆變器的可能性，必須降低功率器件的承壓。

三電平逆變器通過(guò)增加功率器件串聯(lián)來(lái)分擔(dān)高頻機(jī)的800V直流母線電壓，使得每一只器件的承壓降低到400V，這樣就可以選擇600或者800伏耐壓的功率器件，從而提高可用性。四電平逆變器能夠使功率器件的承壓降低到直流母線電壓的1/3即266伏。因此可以采用500V或者600V耐壓的功率器件，使得逆變器的可用性得到進(jìn)一步的提高。從效率的角度來(lái)講，三種技術(shù)的效率分別為94.5%，96%，96.5%。

圖2. 新型混合三電平逆變器??

多電平逆變器的缺點(diǎn)在于其增加了功率器件的數(shù)量，這使得制造成本提高，理論上故障率也會(huì)相應(yīng)提高。而采用混合型架構(gòu)的三電平逆變器技術(shù)增加了一個(gè)零電壓開關(guān)的控制環(huán)節(jié)，使得IGBT的開關(guān)損耗減少了50% ，同時(shí)功率器件的數(shù)量也得到了降低。

新型混合三電平逆變器的效率達(dá)到了97.5%，只用了24個(gè)功率器件。因此新型的混合三電平逆變器技術(shù)不但提高了效率，還降低了元器件的數(shù)量，降低了成本，同時(shí)，理論上來(lái)看，由于元器件的數(shù)量的降低，可用性也得到了提高。

3.從后備到儲(chǔ)能——電池角色的轉(zhuǎn)變

我們都知道，電池是UPS供配電系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，但是電池在絕大多數(shù)情況下都處于后備的被動(dòng)工作的狀態(tài)。中國(guó)10KV電網(wǎng)的年度平均斷電次數(shù)為1.22（2018年國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)），平均每年數(shù)據(jù)中心的電池大概會(huì)有2次的使用機(jī)會(huì)，配置自啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的情況下電池每次只工作一分鐘，使用率非常低。但是電池日常維護(hù)工作量非常巨大。另外，對(duì)于大功率UPS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在10-15年的生命周期中，電池要更換2-3次，這導(dǎo)致電池的成本超過(guò)UPS主機(jī)的成本。

如果將電池定位成主動(dòng)工作的儲(chǔ)能角色，電池的價(jià)值就會(huì)得到極大的發(fā)揮。

電池的儲(chǔ)能定位帶來(lái)的一大好處就是降低成本。按照中國(guó)大多數(shù)城市的峰谷電價(jià)計(jì)費(fèi)模式，如果把電池定位成一個(gè)分布式的儲(chǔ)能系統(tǒng)，控制電池根據(jù)峰谷計(jì)費(fèi)的時(shí)段進(jìn)行主動(dòng)充電和主動(dòng)放電，利用電價(jià)差進(jìn)行套利，傳統(tǒng)的12V 100AH的蓄電池儲(chǔ)能大約為1度電，理論上每天可獲利0.75-1.5元。

圖3. 抗峰功能

對(duì)于大型的數(shù)據(jù)中心（特別是大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心、托管數(shù)據(jù)中心等），提高變壓器的負(fù)載率支持更多的機(jī)柜是該數(shù)據(jù)中心商業(yè)模式更加成功的關(guān)鍵。 由于IT負(fù)載不是一條曲線，而是一條變化的曲線，會(huì)有峰值，因此在增加負(fù)載率的同時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)變壓器過(guò)載情況。這時(shí)可以考慮用電池儲(chǔ)存的能量為超出變壓器能力的這一部份峰值負(fù)荷供電。這就要求UPS具有“扛峰”功能：電網(wǎng)吸收的能量+電池組儲(chǔ)存的能量，一起給逆變器供電支撐IT負(fù)載。扛峰功能可以真正地提高變壓器的負(fù)載率，同時(shí)又不用擔(dān)心過(guò)載。對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心來(lái)講，是非常重要且實(shí)用的一個(gè)功能。

主動(dòng)工作的分布式儲(chǔ)能的定位，要求電池能滿足500-1000次循環(huán)次數(shù)/年，傳統(tǒng)的鉛酸電池只有500次循環(huán)壽命，不能滿足要求。而鋰電池的循環(huán)壽命可以達(dá)到10000-15000次，因此鋰電池得以快速進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。如果按照每年1000次的放電循環(huán)的話，鋰電池可以使用10-15年，與UPS主機(jī)的使用壽命相匹配，不再需要每3-5年更換一次電池。

新的儲(chǔ)能模式要求UPS主機(jī)的設(shè)計(jì)和功能必須進(jìn)行改變。例如，UPS應(yīng)該具有主動(dòng)控制的峰谷電價(jià)充放電的工作模式；讓電網(wǎng)和電池的能量同時(shí)加起來(lái)給逆變器供電的這種扛峰的功能。另外，為了能夠?qū)︿囯姵乜焖倩貨_，UPS還必須具有大功率的充電功能。傳統(tǒng)的三相大功率UPS的充電能力是10%-20%，而新型的能夠兼容鋰電池的三相UPS的充電功率可以達(dá)到35%-80%。

需要高度注意的是，今天的用戶即使不采用鋰電池，也應(yīng)該采購(gòu)具有兼容鋰電池的UPS主機(jī)（35-80%充電能力、峰谷電價(jià)套利功能、扛峰功能），否則用戶在接下來(lái)的10年時(shí)間中都會(huì)被套在競(jìng)爭(zhēng)力注定越來(lái)越弱的鉛酸蓄電池上面。

4.模塊化、類模塊化技術(shù)-——單相和三相功率模塊

如圖示傳統(tǒng)的多臺(tái)并機(jī)的大功率UPS系統(tǒng)，UPS主機(jī)的外圍需要大量的配電柜、內(nèi)置每臺(tái)UPS的輸入輸出旁路等的斷路器，并通過(guò)多條交直流電纜將配電柜、電池開關(guān)柜和UPS主機(jī)進(jìn)行連接。因?yàn)閿嗦菲鲾?shù)量較多，并且有操作順序的要求，因此這種系統(tǒng)操作起來(lái)是非常復(fù)雜的。

圖4. 新型的模塊化和類模塊化的UPS供配電系統(tǒng)

新型的模塊化和類模塊化的UPS供配電系統(tǒng)徹底地改變了這種復(fù)雜狀態(tài)。如圖4右邊所示，一套大功率的模塊化的UPS供配電系統(tǒng)，可以根據(jù)功率的需求并聯(lián)多個(gè)功率柜，通過(guò)共用一個(gè)大功率靜態(tài)旁路柜提高整個(gè)系統(tǒng)的可用性。功率柜內(nèi)置自動(dòng)控制的接觸器，取代外部的接觸器，柜體間采用銅母排連接，取代電纜線，因此UPS主機(jī)的外圍只需要少量的輸入輸出配電柜和交直流電纜即可。

由于采用了這種柜體間銅母排連接和內(nèi)置接觸器的模塊化和類模塊化的輕預(yù)制化架構(gòu)，新型的模塊化大功率的UPS并機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)化，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，降低了人為的故障，提高了可用性。模塊化還可以降低制造采購(gòu)和維護(hù)成本，降低維修時(shí)間，提高可用性。

對(duì)于大功率的UPS供配電系統(tǒng)來(lái)講（>500KW），它所采用的功率模塊更傾向于采用單相模塊，模塊功率40-50KW，這樣可以降低并聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，降低并聯(lián)環(huán)流，提高可用性。對(duì)于中等功率的UPS系統(tǒng)來(lái)講（<200KW），需要并聯(lián)的模塊數(shù)不多，更多的還是采用三相功率模塊。施耐德電氣在最新的Galaxy VS系列UPS系統(tǒng)里面采用了50KW的三相功率模塊，由于采用了混合三電平的逆變器，其功率模塊的效率達(dá)到97.5%，只有3U安裝高度，重量低至38公斤，單人就可以進(jìn)行更換。

在數(shù)據(jù)中心三相UPS電源領(lǐng)域，施耐德電氣引領(lǐng)了技術(shù)的發(fā)展方向。2010年，施耐德電氣搭建了Galaxy V UPS系列的研發(fā)平臺(tái)，在此之上不斷地取得相關(guān)的技術(shù)專利，比如，2010年取得四電平逆變器專利，2012年取得超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式技術(shù)專利，2018年取得混合三電平逆變器技術(shù)專利等等，這些技術(shù)專利都融入到了其Galaxy V系列的家族產(chǎn)品中。到今天為止，施耐德電氣Galaxy V系列家族已經(jīng)涵蓋10-4000KW的功率段，成為UPS市場(chǎng)上耀眼的明星。

值得一提的是，施耐德電氣最新推出的全新Galaxy VS UPS產(chǎn)品采用了上面所提到的顛覆性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了諸多創(chuàng)新。Galaxy VS基于完全意義上的模塊化設(shè)計(jì)，增加了后期維護(hù)的可靠性，提高了設(shè)備的可用性。首次使用軟開關(guān)混合三電平逆變技術(shù)，效率高達(dá)97%，減少了元器件數(shù)量，故障點(diǎn)相對(duì)降低。施耐德電氣獨(dú)創(chuàng)的超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式，完美融合了雙變換模式和ECO模式，既保證安全可靠性，滿足一類供電標(biāo)準(zhǔn)，又可以把整個(gè)設(shè)備的效率提升到99%。Galaxy VS給客戶提供了更多的儲(chǔ)能選擇，既能使用鉛酸電池，又可用鋰電池。另外，依托施耐德電氣新一代EcoStruxure架構(gòu)，可以對(duì)Galaxy VS UPS實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。

圖5. Galaxy VS

小結(jié)

數(shù)據(jù)中心行業(yè)一方面不斷經(jīng)受著高速發(fā)展的新技術(shù)的沖擊，另一方面需要始終滿足用戶不斷變化的各方面需求。施耐德電氣在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域深耕20多年，從UPS配電系統(tǒng)到數(shù)據(jù)中心全生命周期管理，再到新一代基于EcoStuxure架構(gòu)的數(shù)字化管理及服務(wù)平臺(tái)，施耐德電氣始終引領(lǐng)著整個(gè)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展，推動(dòng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

關(guān)于施耐德電氣

在施耐德電氣，我們相信，獲取能源并利用數(shù)字技術(shù)是人們的基本權(quán)力, 我們助力所有人以更少的資源創(chuàng)造更多的價(jià)值, 并確保每一個(gè)人，在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)都能盡享Life Is On。

我們提供能源與自動(dòng)化數(shù)字解決方案，以實(shí)現(xiàn)高效和可持續(xù)。我們將世界領(lǐng)先的能源技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、軟件及服務(wù)融合于整體解決方案之中，服務(wù)于家居、樓宇、數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)市場(chǎng)。

我們致力于打造有意義、包容和賦能的企業(yè)價(jià)值觀，我們承諾讓這個(gè)開放的，全球化的，創(chuàng)新的生態(tài)圈釋放無(wú)限可能。