Delta 线互动式转换同真正在线式双转换拓扑结构的比较.docx
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Delta线互动式转换同真正在线式双转换拓扑结构的比较
为大型计算机房应用
选择UPS需要参考的技术因素
对为负有重要使命的环境提供集中式电源保护，
要求对真实条件下的运行需求进行仔细的评估
-
Delta“线互动式”转换
同
真正在线式（双转换）
拓扑结构的比较
摘要
数字世界从来都不会放过比前一次创造革新更快、更小和更价廉的最新技术。
在某些领域，较新的技术并不总是较好的。
大规模赋有重要使命的业务要求最高的可靠性，这种可靠性只能基于多年的、对真实条件的经验才能得到保证。
对最新的革新创造的运行致关重要的保护电力就是这样一个领域，它最好能得到产品、供应商、以及在全球各种条件下都证明有价值的各种技术的最好服务。
20多年来，大多数最重要的三相负载的电源绝大多数都是由基于“双重变换”技术的不间断电源（UPS）提供的。
在这段时间里，这种技术得到了多种新特性、更好的性能、较小的尺寸和更吸引人的价格等诸多因数的加强。
在同一时期，也推出了其它的拓扑结构，但都没能替代这种标准结构。
最新的挑战来自一种称为“Delta转换”的拓扑技术，它已经人为地被提升到比“传统的双转换”拓扑结构的UPS更加优越，而后者今天正在为包括因特网在内的赋有重要使命的负载提供电源。
这种新技术允诺：
⏹节省30%的安装成本（根据值得怀疑的尺寸的估计得出）
⏹降低运行成本（根据可能只有在实验室条件下才能实现的、值得怀疑的较高效率，而不是基于在运行典型的计算机负载的条件下得到的效率）
⏹具有优良的可靠性（不是根据长期的考核数据）
⏹通过“注入少量危害的谐波”返送回输入母线，和在UPS输入和输出端提供相同的功率因数，来改善UPS的“环境”（这次，它还是基于人为设置的测试条件，并不能反映真正的应用情况）。
本报告分析了新的Delta转换技术并同其它现有的技术作了比较，来看它是否真能提供其声称的所有或任何“好处”。
UPS拓扑结构概述
要知道哪种技术最适合你的用电器，就需要对现有的各种选择有一个基本的了解。
离线式（Offline）或后备式（Standby）系统
最基本型的备份电源采用如图1所示的离线式或后备式拓扑结构。
在有交流市电时，通过UPS直接送到所连接的负载。
电池充电器把输入的交流电转换成直流电，维持对电池的充电。
如果市电故障，逆变器将电池的直流电转换成交流电后供给负载。
在大多数时间里，逆变器以后备方式运行，而充电器仅仅转换能保持电池处于满充状态的功率。
一旦市电超出规定的范围，逆变器从电池获得电能，通常经过几毫秒后，从空载开始给100%的负载供电，直到电池耗尽。
这种技术也称为“单转换”，因为在任何一点，电能仅转换一次。
由于低成本和高效率，这类UPS是用来保护家用计算机或运行非关键业务或文娱活动的备用个人工作站的理想产品。
这类UPS中的许多产品还包括基本的浪涌保护功能，但不能提供任何真正意义上的电源调节作用。
图1.后备式UPS方框图
线互动式（LineInteractive）系统
线互动式UPS技术提供较离线式UPS高一级的保护。
同离线式技术有点相似，线互动式产品在市电电源和负载之间串联了一个变压器或电感器（如图2所示）。
这个串联的电感器通过使UPS的逆变器能够同输入电源“相互作用”（互动式名称的由来-译者注），而具有一定程度的电源调节功能。
在多数情况下，这种双向转换器是一种恒压装置，通过改变输出相位角来适应变化的负载。
由于相位角不能快速变化，需要电池来提供不足部分的功率，这会导致电池寿命的缩短。
除非由电池供电运行，否则，线互动式产品还有另一个限制，就是它不能完全将输入电源与负载隔离。
共模噪声、频率的细微扰动和其它的电力异常均可能直接传递到没有电气隔离的关键负载。
由于它提供基本的电压调节和通常具有较先进的通信能力，线互动式UPS可以作为保护关键的工作站和中小型网络的一种性能-价格比较好的一种选择。
如果不可能采用高级的集中式电源解决方案的话，它也不失为一种好的解决方案。
图2.线互动式UPS方框图
Delta转换（Delta-Conversion）系统
有时把这类系统称为“Delta线互动式转换在线式（DeltaLineInteractiveConversionOn-LineTM）”,它实际上是线互动式技术的一个复杂的变种（见图3）,并已应用于更大功率的系统。
由于整流器和逆变器不是始终向负载提供经过调制的电力，所以这种系统不符合IEEE和NEMA的“在线式”定义。
虽然一些制造商自称这种技术提供在线式的保护、离线式的效率和运行成本，但这实际上只能在严格控制的实验室环境下才能实现，并不反映现实环境的运行情况。
正如传统的线互动式UPS，串联的变压器和输出逆变器与输入市电的电压互相起作用来调整输出电压。
一个小型的输入“delta”逆变器/充电器在有限的范围内调节输入电压。
从理论上讲，delta逆变器仅仅处理实际输入波形和“理想”输出波型之间的差异（delta），因此而得名。
Delta逆变器利用直流母线来与输出（主）逆变器交换功率。
在输入电压高时，Delta逆变器向输出逆变器传输功率；而当输入电压较低时，输出逆变器向delta逆变器传输功率。
由于delta逆变器仅处理二个方向上的功率差，因此它的额定功率仅为总额定输出功率的20%。
在理想运行条件下（额定输入波形、UPS带线性负载），输入隔离接触器闭合、市电静态开关和输出隔离接触器都闭合，将市电直接输出。
在这种理想条件下，delta逆变器为电池提供浮充电压，而主逆变器是停止的或者说是休眠的。
当输入电压存在但不是额定值时，delta逆变器向降压/升压（buck/boost）变压器注入一个电压去提升或降低输入电压，产生一个经过调整的输出电压，起到了类似于电子稳压器的作用。
当输入电压超出规定的范围，主逆变器启动来给满负荷负载供电；同时，市电静态开关断开，防止电源倒灌入电网；这同离线式UPS相似。
电源“故障”包括在任何时间输入电压超出delta逆变器的调整范围和输入市电的频率或相位差超出了额定范围。
图3.Delta转换UPS方框图
某厂家声称这项技术还提供负载所需的谐波电流，从而实现输入功率因数校正。
这从技术上讲是正确的，但它要求主逆变器始终运行来向负载注入所需要的补偿电流即谐波电流加上基波无功电流。
只要各个逆变器运行，不论是电压调整的逆变器/充电器还是提供谐波电流和实现功率因数校正的主逆变器，都会有附加的损耗，从而明显地降低UPS的效率，远低于该制造商声称的95%的效率。
实际上，要通过采用这种本质上不太可靠的结构来达到与在线式UPS相同的性能，这种技术必然会丧失其自称的各种优点。
尽管这种技术在当地电源相对稳定时可能适用于中小规模的网络应用。
然而，它却已经应用到了专门用于大规模中心计算机房中具有一定规模的3相系统中。
双转换（Dual-Conversion）系统
对于大规模、集中式、赋有重要使命的应用，只有真在线式或双转换系统（见图4）才能提供最佳的保护。
在这种技术中，整流器将交流输入电源整流成直流电，提供给UPS内部的直流母线。
输出逆变器从直流母线获得能量，并将直流电转换成洁净的交流电供给关键负载。
在正常运行时，连接在直流母线上的电池处于浮充电状态。
如果输入电源超出规定的范围，电池为逆变器供电，并进而为关键负载供电。
图4.在线式UPS（双重转换）方框图
在适当的应用中，这种配置的优点包括：
完全隔离关键负载和交流输入；
逆变器始终向负载供电：
当输入电源中断时，输出电压没有瞬时的下降，因为逆变器始终在运行，并始终得到直流输入供电；
无需使用电池就能克服电压和频率的波动：
因为整流器只产生直流电来供给DC母线。
因此双转换UPS能承受较大的电压和频率波动，而无需依靠电池。
对真在线式UPS，即使输入电压比额定电压低15%，仍然连续运行，甚至还给电池充电；当输入电压比额定电压低20%时，仍然可以继续工作而无需电池放电。
同时，如果输入频率变动（这种情况在UPS同一个发电机组相连时尤为显著），整流器将继续产生直流，而输出逆变器也将继续提供50Hz的电力，而无需消耗电池的电力。
共模噪声防护：
通常输出逆变器包括一个隔离变压器，它可以产生一个分离的中性线，这样就使得UPS被电气隔离，从而为负载提供共模噪声保护；
分离旁路输入：
双转换UPS固有双路输入，也就是说它的整流器和旁路可以是不同的输入。
为了方便安装，客户也许会要求单路的输入方式，但双路输入的UPS能提供更大的容错能力；
精确的同步：
真正的双转换UPS可以用于双总线电源系统中。
在这种系统中，UPS在任何工作状态下（市电供电、电池供电或者备用发电机供电）都会与指定的参考电源进行同步。
这一功能在正常运行时是值得的，但在UPS与发电机组合用时则是必不可少的；
被时间证明的设计：
这种在线式设计是成熟的，并已为大家所熟知。
在这个数字化的时代，虽然被时间证明的设计（PROVENDESIGN）是一个不常使用的概念，但这种技术已经成功地应用到了任何可以想象得到的应用中。
尽管一些较新的离线式或线互动式拓扑技术已经有效地应用在了小型的、单相的应用中。
但事实证明，在过去20多年中开发出的任何一种三相交流技术在实际条件下都不比双转换在线式UPS更有效。
实际上，大部分曾经介绍过的“更新的”、价格更低的、更小型的拓扑结构因为没能接受住时间的检验而在市场上销声匿迹了。
相关性能
实际情况下的效率：
一般来说，双转换在线式三相UPS产品比前几代的在线UPS系统效率更高。
更为重要的是，这种UPS产品能够在一个较宽广的实际情况下提供相对稳定的工作效率（约为91-94%）。
这些实际情况包括带任何类型的线性或非线性负载、负载率从50%到100%、各种输入情况，还能够同时实现输出隔离以及输出电压的变换。
表1和表2分别给出了两种不同技术的相对效率。
虽然DELTA转换的支持者声称这种转换方式具有更高的效率，但下表表明它只有在“最优”的运行条件下才能实现。
当UPS不带满载或带非线性负载（需要主逆变器提供对谐波电流的补偿）的条件下运行时，这种优势就荡然无存了。
表1、中等功率的双转换在线式UPS的典型效率特性
负载百分比
100%
75%
50%
25%
KVA
线性负载
非线性负载
线性负载
非线性负载
线性负载
非线性负载
线性负载
非线性负载
50
93
93
94
94
93
93
90
90
65
94
94
94
94
94
94
91
91
80
94
94
94
94
94
94
91
91
表2、中等功率的DELTA转换UPS的典型效率特性
负载百分比
100%
75%
50%
25%
KVA
线性负载
非线性负载
线性负载
非线性负载
线性负载
非线性负载
线性负载
非线性负载
40
95
92
94
90
92
88
88
79
60
94
90
92
88
90
85
83
74
80
95
92
94
90
92
87
87
79
此外，这里给出的DELTA线互动式UPS的效率还没有包括他们外置的输入或输出隔离变压器选件的损耗。
由于多数的用户倾向于某种程度的负载隔离，因此每增加一个外部隔离变压器，上表中的数字都要减3%。
尽管上表中并没有列出，如果在输入电压不是理想的额定电压而需要通过逆变器/充电器来调整输出电压时，DeltaUPS的效率还会进一步下降。
在同样的实际工作条件下（例如，负载为非线性的和输入电压并非理想值时），DELTA转换UPS并不优于传统的真在线式UPS，常常还劣于后者。
通常被宣称为95%的效率值只有在理想的环境下，或者说在以下条件下的制造商的试验室中才能达到：
所连接的负载必须是纯电阻性的，比如装满白炽灯的房间。
而由于在这一功率范围的大多数UPS都是为装满带开关电源的计算机的房间供电，效率一般会降低至少三个百分点；
所连接的负载必须接近100%额定值。
由于许多数据中心（特别是具有并联冗余UPS的中心）的每个模块化单机均在50%的负载状态下工作，DELTA转换式UPS的效率会更加低；
用户不能要求电气隔离或电压变换。
任何一种要求都会使效率下降至少百分之三；
输入电压必须接近额定值，否则主逆变器要进行电源质量校正，从而造成效率的进一步损失。
隔离和电压变换
双转换在线系统通过内置的标准输出隔离变压器实现负载的完全电气隔离，这一隔离变压器可以被看作是一个分离的电源。
这种拓扑结构包括共模隔离，同时也能够提供常用的多种输出电压。
DELTA转换的拓扑结构既不提供电气隔离，也不提供电压变换。
于是，额定输出电压总是与额定输入电压相等。
例如，输入为380V，输出为220V时，就必需要有一个外置的降压变压器来降压，这样就降低了系统的效率（通常下降3-4%），同时增加了机器的占地面积。
维修旁路
对任何一个赋有重要使命的应用都要求有一个分离的维修旁路输入，它能够使UPS系统安全地进行维修（包括日常的防范性维护）而不影响负载的运行。
这种旁路功能正是双转换拓扑结构的基本功能。
DELTA线互动式转换系统没有包含标准的维修旁路。
实现此种功能的断开开关安装在一个单独的旁路柜中。
在这个旁路柜中还装有输入输出开关，这些开关在三相双转换UPS中都是标准配置。
于是这种UPS就不具备一般双转换UPS占地面积小的特点，因为添加额外的维修旁路或降压变压器会大大增加所安装设备的占地尺寸。
单路输入是DELTA转换固有的特点，因此它根本无法为整流器和旁路输入提供额外的馈电线路。
由于旁路不能由另一路独立的电源供电，从而产生故障的一个单点（singlepoint）。
相反，标准的双转换系统提供内置的维修旁路，并且常常包括降压变压器。
电池
典型的DELTA转换UPS采取了非传统的中心抽头、高压电池系统。
例如某些480VAC的系统中，由每组192块电池单体，两组共384只电池单体串联组成，要求的浮充电压超过850Vdc，约为典型的双转换系统浮充电压的两倍。
这就要求对连线或DC断开开关有特别的考虑。
如果要将电池安装在电池架上，还会带来严重的安全隐患以及需要有特殊的安装要求。
由于是非常规的高电压，必须使用两个分开的多极断开开关。
这种不寻常的实现方式还会带来如下几个问题：
大量的电池单体串联需要对更多的电池单体进行维护，并且由于某一只电池故障的可能性增加导致系统的可靠性下降（部件的数量较多）；
输出逆变器是以电池的中心抽头为参考点，任何一组电池电压的不平衡都会反映在输出电压上，使负载设备可能受到直流分量的影响。
每组192块电池单体的电池组是很容易产生这种不平衡的；
在电池供电时，电池的中心抽头用作中性线电流的回流路径。
这意味着如果电路中没有提供接地的输入中性线，关键负载将在不接地的状态下工作。
于是，无论是否给四线制负载供电，每台UPS都要求有输入中性线，以保证UPS能够安全地正确接地。
这样一来，安装成本也随之增加了。
实际条件下的应用
与发电机组的兼容性
双转换在线式技术的隔离和同步特性使得使用这种技术的UPS成为连接发电机组的理想电源。
事实上，基于以上的理由，大部分与发电机组相连的UPS系统都是双转换式的。
在许多厂家将DELTA转换UPS称为“与发电机组友善”的同时，却有大量关于线互动式UPS（包括DELTA转换UPS）与发电机组“相互影响”的不良记载。
这些UPS产品要求稳定的输入电源频率和相移：
要求稳定的输入电源频率是因为互动式逆变器必须跟踪输入频率来提供对电压和电流的校正，并且系统的输出频率和输入频率是一致的，除非在电池放电期间。
启动接在发电机组上的其它负载也会产生一个标准的运行问题，因为这时发电机组的输出频率会发生变化，从而造成线互动式UPS转向电池放电。
这个问题在使用天然气发电机组时尤其突出。
这样反复地使用电池会造成电池完全放电并大大地缩短电池的使用寿命。
另外一个问题是带载的UPS向发电机组切换时造成发电机组的不稳定。
为了解决这一问题，要求将线互动式UPS中定义“电源故障”的频率范围（deltaf）和跟踪速率（df/dt）的值扩大到远超过关键负载的容限范围。
通常，关键负载可以接受的范围是：
频率为±1Hz，跟踪速率为1Hz/秒。
为了能同发电机一起正常工作（即为了避免太频繁地让电池放电），线互动式UPS通常将频率范围设置为±4Hz，将跟踪速率设置为4Hz/秒。
这样，将过大的频率范围和快速的频率变化强加到了关键负载上。
传统的在线式UPS将输入电源整流，并能适应较大的电源频率变化。
同时还能在不使用电池的前提下提供稳定的输出频率。
此外，主要的在线式UPS生产厂家开发了“降低输入电流失真度”技术，这样极大地改善了发电机组同UPS的兼容性，允许发电机组的容量接近负载的功率。
尽管DELTA转换的倡导者一再宣称双转换UPS产品为了适应在发电机启动时的频率变化，需要大大增大发电机组的容量。
但事实上，在较实际的应用中，在两种拓扑结构对发电机组的容量的要求这一点上是基本是一致的。
此外，现有的DELTA转换系统中都没有任何预防措施，来禁止在发电机组运行时对电池的恢复充电。
传统的在线式UPS中通常有一个“由发电机组供电”的输入接点，实现在发电机组供电时禁止或减小对电池的再充电。
并联冗余系统
DELTA转换UPS的倡导者还宣称：
为了适应大功率设备的要求，他们可以将最多九个UPS模块并联在一起。
虽然这一说法听来非常具有吸引力，但有经验的设备管理人员却会对此产生质疑。
因为他们知道，为了提高可靠性，系统应该尽量减少设备组件的数量，并且只保有能够满足冗余要求的并联UPS数量即可。
出于这种考虑，最好是选用少量具有系统层面监控功能的大功率UPS，而不是选用没有系统状态和报警情况指示的多台小功率UPS并联。
此外，当DELTA转换UPS被配置为并联冗余系统时并不提供系统级的静态旁路开关。
在过载或需要转到旁路维修期间，所有模块的静态开关必需精确地同步并并联导通。
所有模块的静态开关都是并联的，形成了多个低容量的通路，这些通路中的电流完全依赖于各个并联回路的阻抗。
即便布线或电缆长度有细微差异都会造成不同旁路中的电流不平衡，使阻抗较低的回路存在过载的可能。
在过载或消除负载短路的过程中，阻抗匹配的不适当可能会造成多米诺式的故障。
无论并联多少个模块，DELTA转换的拓扑结构都是单输入电源，由一个输入开关控制多个UPS模块的供电。
赋有使命的重要负载的可靠性
如果撇开一切技术性的问题不谈，那么用户真正对三相UPS的要求是什么？
可靠性总是第一个答案。
如果一个UPS无法可靠地为关键负载提供24X365小时供电，那么任何指标和特性都是没有意义的。
而总的可靠性则是由以下的因素所决定的，包括：
无“单点故障”
双转换UPS系统被设计成为双路输入，以消除第一个、也是最明显的一个“单点故障”。
与此相对应的是，DELTA转换UPS系统则是固有的单路输入，而不象传统的真在线UPS产品那样具有旁路和整流器分离的两路输入。
因此，在DELTA转换UPS系统中，每个开关或UPS与旁路柜的连接电缆都是潜在的单点故障。
故障敏感度
输入故障对于双转换的UPS产品来说并不是什么问题。
输入整流器只允许电流单向传输，因此输入电源故障只会造成UPS的电池放电。
DELTA转换式、线互动式和后备式UPS产品对输入故障非常敏感则是尽人皆知的。
所以，这些产品通常都在输入端装有市电切断静态开关和快速保险，用以防止DC总线提供的电流反灌回市电电网。
某些类型的故障，特别是线（相）间的故障，会造成逆变器保险丝熔断。
这必将造成关键负载的断电，因为没有其它分离的旁路可以切换。
在其它情况下，输入保险丝也可能会熔断，强迫UPS的电池放电，最后导致系统掉电。
DC总线的可靠性
电池系统是影响UPS可靠性的核心部分。
但是，DELTA转换UPS的电池系统却是令人置疑的，因为它用384块电池单体串联，采用异常高的直流母线电压（浮充电压达850Vdc）。
这样异常多的电池串联，会造成维护的不便。
此外，这些电池全部是阀控电池，寿命一般为3-5年。
串联中的任何一个电池单体的故障或性能变差都会造成UPS功能丧失，或造成输出电压中含有直流分量。
同时，这种拓扑结构还存在接地和隔离的问题，使得它不能够提供可靠的性能。
现实条件下的运行性能
在过去20多年中，在全世界各种极端工作环境中，都证明传统的双转换式在线UPS的拓扑结构是可靠的。
而在这期间，其他类型的拓扑结构却在市场上如走马灯一般。
在输入电源纯净、完全线性负载的实验室中，DELTA转换UPS的效率是很高的，因为它的两个逆变器都是休眠的。
但现实条件下却是完全不同。
前面的表中表明只要所连接的负载不是纯电阻性负载时，DELTA转换UPS的高效并不高。
这表明，这种机器已经变成了名副其实的“双转换”UPS，因为它的两个逆变器都必需运行，来适应工业中最常见的非线性负载，进行电力质量的修正。
服务质量
经过几十年的现场经验的积累，双转换UPS的主要生产商都已经具有了在全球范围内提供现场服务能力。
而DELTA转换UPS厂家是三相UPS市场上的新贵。
这样，他们就无法建立拥有厂家服务工程师的全国范围的支持服务网点，也无法保证随时得到具有资质的人员的服务。
就目前而言，对于这些DELTA转换UPS厂家在各地的销售和服务机构，大多数安装的设备都是“第一台”。
结论
尽管各种UPS拓扑结构如走马灯一般，但几十年以来，双转换真在线技术已经胜过天花乱坠的广告宣传，成为中到大功率电源保护技术中的中流砥柱。
不断进行的技术创新使得这种技术比以往具有更高的效率、更优良的性能和强大的通讯功能。
同时，流线型的设计和生产效率的提高也降低了成本。
虽然新的技术似乎有着这样那样的优点，但在实际工作环境下的比较是致关重要的，并确信评估时将每个系统所必需包含的所有部件都考虑在内了。
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