传统UPS与模块化UPS优劣分析

  1 引言

    随着国家经济的不断发展，对不间断电源的需求也越来越多。对于用户而言，需要的是持续的电力保护，但市场里的产品众多，如何选择却成了难题。比如，国内品牌还是国外品牌？选择熟悉的传统机，还是最新一代的模块机？

    2 选择合适的UPS类型

    为了能使客户购买到最合适的UPS,必须谨慎地评估其在项目中的实际应用与需求。每种品牌的UPS都有其自身的特点，具体选择取决于实际项目中的用途。

    仅仅知道负载的功率是远远不够的，即使UPS能够给负载提供足够的功率，也并不意味着那就是最好的选择。用户还需要知道UPS的运行方式、输出功率、电池后备时间、运行与维护成本，整体加以衡量才能选择到自己需要的产品。

    在EN 62040-3标准中，通过其工作方式定义了UPS的类型，如表1所示。

    表1  UPS的类型

    2.1第一部分UPS电源质量的分类选项

    ⑴　VFI (电压和频率相互独立)

    输出电压和频率和输入电源无关。频率变化控制依据IEC EN 61000-2-2标准。

    ⑵　VFD (电压和频率互相依靠)

    UPS的输出取决于与市电电源的电压和频率变化。

    ⑶　VI（电压独立）

    UPS的输出（频率）取决于市电电源的频率变化。输出电压与市电电压无关。

    2.2 第二部分输出电压波形的分类选项（正常市电模式和电池模式）

    第一个字符表示在正常和旁路方式下的输出电压波形。可以为S，X，Y。

    第二个字符表示在储能方式下的输出电压波形。可以为S，X，Y。

    ⑴　S 表示在所有线性和基准非线性负载条件下，输出波形均为正弦波，其总谐波失真因数THDu＜8%。 

    ⑵　X 表示在线性负载条件下，输出波形均为正弦波（与S相同），在非线性负载条件下（如果超过规定的极限），其总谐波失真因数THDu＞8 %。 

    ⑶　Y 输出波形是非正弦波。

    2.3 第三部分瞬态电压性能的分类选项

    第一个字符表示改变工作方式时的输出电压瞬态性能。可以为1，2，3。

    第二个字符表示在正常/储能方式下，带线性阶跃负载时的输出电压瞬态性能（最不利的情况）。可以为1，2，3。

    第三个字符表示正常/储能方式下，带基准非线性阶跃负载时的输出电压瞬态性能（最不利的情况）。可以为1，2，3。 

    每个数字的含义如下：

    ⑴　1表示无中断或无零电压出现；

    ⑵　2表示输出电压为零持续1ms；

    ⑶　3表示输出电压为零持续10ms。

    表2  UPS的分类举例

    美达电器TRIMOD模块化UPS为VFI-SS-111类型，是真正的在线双变换UPS，可以为负载提供高品质的电源。

    3 选择合适的系统结构

    3.1分散式结构

    分散式结构通常被用在对供电要求不太严格，且目前已有现成的供电系统、机房较多且相对分散的场合，如图1所示。

图1 分散式结构 

    ⑴优点：

    ①　可扩展性好；

    ②　容易安装；

    ③　每台UPS均独立运行。

    ⑵　缺点：

    ①　难管理；

    ②　维修与保养复杂；

    ③　能源消耗多。 

    3.2集中控制架构

    集中控制架构适合用来保护整体负载系统，见图 2。

    ⑴　优点：

    ①　监控简单；

    ②　维护容易。

    ⑵　缺点：

    ①　无冗余；

    ②　可扩展性较差；

    ③　占用空间较大。

图 2   集中控制架构

    3.3模块化冗余架构

    模块化冗余架构是企业用户用来保护关键负载的最佳解决途径，如图3所示。

    ⑴　优点：

    ①　监控简单；

    ②　可扩展性好；

    ③　供电模块有冗余；

    ④　容易维护；

    ⑤　运行成本低；

    ⑥　占地面积小。

    ⑵　缺点：

    初期的购买成本比传统UPS要高。

图 3 模块化冗余架构

    4 模块化UPS与传统UPS比较

    传统UPS的购买价格要比最新的模块化系统稍低，但购买成本并不是决定总花费的唯一因素。由于两种系统结构具有较大的差异，传统UPS的运营成本比模块化结构的系统要高。模块化系统因其运行效率高、低输入THDi值、高输入功率因数、冗余性与扩展性等特点，已经慢慢被广大客户所接受。即使当前的购买成本较高，但在第一年的使用过程中客户就已经开始得到实惠了。

    4.1运输成本比较

    传统UPS由于本身结构的需要内置了输出隔离变压器，使得其重量往往比模块化的UPS高出（2～3）倍。这就意味着需要多付出50%的运输花费。TRIMOD UPS可在不需要任何特殊的车辆下，即可被运送到安装地点并完成安装。运输费用比较见表 3。

    表3 运输费用比较

    4.2 安装成本与占地面积比较

    传统UPS需要的安装占地面积（平方米）比TRIMOD系统多（2～3）倍，安装占地面积和安装成本比较见表 4。

    表 4 安装占地面积和安装成本比较

    4.2 可靠性比较

    UPS系统的可靠性取决于平均无故障时间（MTBF）和平均故障修复时间（MTTR）的大小。

    传统UPS的MTBF通常为150000小时，MTTR为（4～12）小时。

    TRIMOD UPS的MTBF高达400000小时，MTTR仅为5分钟，且还可以通过增加功率模块的冗余度来增加系统的MTBF。TRIMOD可配置N+X冗余系统，甚至当有功率模块故障时，也可保证系统零宕机。系统强大的自诊断功能和模块化结构可大大减少MTTR，精确的指示和大屏幕显示可帮助用户立即确认故障点。模块化结构允许用户在不对负载造成任何影响的情况下，通过简单、快速地更换故障功率模块即可完成维修。

    4.3 能源消耗对比

    表 5(a) 模块化UPS系统

    表 5(b) 模块化UPS运行成本分析

    表 6 (a) 传统1+1并机 

    表 6 (b) 传统1+1运行成本分析

    注：假设1kWh=1RMB。

    美达电器TRIMOD系列模块化UPS，秉承了意大利优异的工业设计及制造技术，使得整机的效率提高到95%。整机效率的增加意味着UPS减少了从主电源获取的功率，减少了以热量形式散发环境中的损耗，因此也就减少了空调系统的能源消耗。输入功率因数在20%负载时就始终接近于1，且输入电流谐波失真THDi＜3%，大大减少了对电网的污染，从而有效地保证同一电网内其他机电设备的正常工作。

    4.4 维护成本比较

    传统UPS因其结构复杂，维修过程相对繁琐，往往需要工程师携带大量的备件到现场逐个更换。由于其内部组成部件较多，故障点的判断较困难，只能通过更换故障点的相关部件完成维修，导致费用高；另外，由于维护工程师的水平差异，故障设备的修复时间也不同，一般需要（4～12）小时，用户还需要额外支付厂家维护工程师的人工费用。

    美达电器TRIMOD模块化UPS维修超简便，在线5分钟内即可完成功率模块的更换。功率模块采用单进单出设计，重量很轻（7.9kg）且容易更换，一个人即可完成全部的工作。因此，总体维修成本比传统UPS低30%～50%（仅需要更换一个单相的功率模块）。

    4.5 运行成本（蓄电池更换）比较

    蓄电池是UPS系统的核心组成之一，它能在市电停电时及时放电，从而保证负载的不间断运行。只有保证蓄电池时刻处于最佳的状态下，负载才能够得到UPS的保护。

    传统UPS对于电池的充放电管理较单一，往往采用恒流充电、长期浮充等简单的充电方式。长期的浮充不仅会使蓄电池极板硫化，降低容量，更影响了蓄电池的性能，也就降低了UPS系统的可靠性。快速老化的蓄电池需要频繁的更换，有时会超过UPS主机的购买价格，给用户带来了很大的维护成本压力。

    美达电器TRIMOD系列模块化UPS采用了“三阶段”智能充电系统，能够延长蓄电池30%的寿命。第一阶段，充电器在很短的时间快速补充蓄电池损失的能量；第二阶段，充电器的输出电压缓慢上升，后转为均充状态；第三阶段，由于充电电流的持续减少，充电器进入到12小时长的浮充状态；最后，充电器将自动关闭，15天后重新开始对蓄电池补充电（假定这个阶段主电源一直存在）。另外，TRIMOD会根据负载情况自动调整蓄电池的放电截止电压，可最大程度地保护蓄电池。由于该充电系统可显著提高蓄电池的性能，一方面提高了UPS系统的可靠性，同时减少了更换蓄电池的成本。 

    表 7 蓄电池使用情况比较

    4.6 扩容成本比较

    传统UPS需要扩容，首先客户需要购买一台同品牌、同型号UPS。要完成设备的安装，需要提供更多的空间去放置一台新的UPS主机、一组蓄电池，而且必须重新设计新主机的电源系统。在新设备的安装调试时，还可能需要将原先的UPS关闭。这样负载将失去电力保护，有可能会造成经济损失。

    美达电器TRIMOD模块化UPS具有良好的扩展性，用户可单独购买功率模块并在线对原主机升级扩容，且不需要重新调整UPS的供电系统。

图4 传统UPS和TRIMOD的扩展性对比

    5 结语

    UPS的主要目的是用来保护企业用电设备的不间断运行及保存敏感数据。在保证其可靠运行的基础上，还需同时考虑设备的扩展性、运行成本和维护成本。美达电器TRIMOD UPS不仅可以给负载提供高质量的电源，还降低了能源消耗，为环境保护做出了巨大的贡献。在UPS设备的8年使用期内，TRIMOD总体使用成本要比传统UPS低32%。   

    因此，模块化UPS是最佳选择。

图 5 传统1+1 UPS和TRIMOD的花费及总成本比较

    注：美达电器集团简介

    1973年，美达电器在意大利伊米莉亚成立，迄今在电子领域已经有36年的专业经验。美达电器在意大利、法国、英国、西班牙、德国和中国等地设有生产基地和研发中心，产品广泛应用于UPS能源系统、广播电视系统、安全系统和汽车传感器系统。美达电器集团凭借创新专业的经营理念以及优质的产品和服务，确立了在欧洲乃至世界范围内电子行业中的领先地位。

    1993年, 为满足用户对UPS不断增长的需求并提供最佳的电源解决方案，美达电器设计并制造了模块化UPS。

    2008年，美达电器集团中国公司-美达电器（深圳）有限公司成立，立足于为中国用户提供精湛的技术，可靠的产品和优质的服务。

    2009年，为更好的拓展中国区业务，美达电器集团上海办事处和北京办事处正式成立。