传统UPS与模块化UPS优劣分析

分享到:

摘要:本文分析了选择UPS的注意事项,对传统UPS和模块化UPS进行了详细比较,提出模块化UPS是最佳选择。
 
 
Abstract:This article explains how to choose UPS and compares traditional UPS and modulized UPS in detail, thus concluding that modulized UPS is a better choice.

    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

UPS 分类

XXX

YY

ZZZ

正常工作方式下的电源质量

输出电压波形

输出的动态性能

    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

    电源质量部分                 电压波形部分            电压性能部分

V F I

S S

1 1 1

V I

X X

1 1 2

V F D

Y Y

1 1 3

    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

系统(30kVAn+1

重量(kg

系统总体积(m3

运输花费(%

传统UPS

大约900

W x D x H = 2 x (90 x 80 x 190) cm2,73 m3

150%

TRIMOD

大约150

W x D x H = 41 x 62 x 134cm= 0.34m3

100%

 

    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

系统(30kVAn+1

占地面积(m3

功率密度kVA/m2

安装成本(%

传统UPS

W x D:2 x (90 x 80) cm=1.44 m2

60 kVA / 1,44 m2 = 41.6

150%

TRIMOD

W x D41 x 62cm=0.25 m2

30 kVA / 0,25 m2 120

100%

 

    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

负载功率

16kW 

TRIMOD 30kVA 模块化UPS 

24kW,最大输出24kW

冗余度

N+1

整机效率

0.95

输入功率

17.20kW

输出功率

16kW

UPS损耗

1.20kW

    表 5(b) 模块化UPS运行成本分析

运行成本分析

kVA

kW

UPS

30

24

负载百分比

67%

16

整机效率

0.95

UPS损耗(kW)

1.20

一年内UPS损耗(kWh)

10550

UPS 1年内的运行成本(RMB

150672

UPS 5年内的运行成本(RMB

753360

UPS 8年内的运行成本(RMB

1205376

    表 6 (a) 传统1+1并机 

负载功率

16kW

传统1+1并机

16kW,最大输出32kW

冗余度

N+1

整机效率

0.87

输入功率

18.39kW

输出功率

16kW

能源损耗

2.39kW

 

    表 6 (b) 传统1+1运行成本分析

运行成本分析

kVA

kW

UPS

40

32

负载百分比

50%

16

整机效率

0.87

UPS损耗(kW)

2.39

一年内UPS损耗(kWh)

20943

UPS 1年内的运行成本(RMB

161096

UPS 5年内的运行成本(RMB

805482

UPS 8年内的运行成本(RMB

1288768

 

    注:假设1kWh=1RMB。 

    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。

    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。

        表 7 蓄电池使用情况比较

1

2

3

4

5

6

7

8

9

总计

传统UPS

正常使用期

更换新电池

更换新电池

2

美达TRIMOD

正常使用期

更换新电池

1

 

    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。

    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,因此,模块化UPS是最佳选择。