| 摘要：本文是《UPS应用》杂志主编张乃国先生针对UPS系统的可靠性、系统效率、制造成本、能源利用率、系统标准化等问题，采访了中科院计算所研究员张广明先生，请他就直流输出型UPS的主要研究思路和读者关注的话题进行了解答。 |
问:在说明以上问题之后，自然地就得出了一种新的IDC机房供电系统的设计理念。您能总结性地介绍一下直流输出型UPS的优点吗？
答:将当前UPS供电系统结构和设想的IDC机房供电系统进行比较，可以明显地看出两者在降低成本、降低能耗、降低污染、提高系统可靠性、提高适应性等多方面的巨大区别:
(1)备用能源的功能得到充分发挥
备用能源(电池)本身的可靠性比在传统UPS系统中提高了很多倍；
电池供电不需要经过DC/AC逆变器转换，电池能量利用率提高10%。
(2)从根本上消除了谐波电流对系统和电网的污染负载电流成为稳定的直流，谐波成分从30%～50%降到0；
输入谐波电流降到＜5%，输入功率因数提高到0.99；
最大限度地减少谐波电流对系统和电网的污染；
可降低上游设备(动力变压器、各级配电开关、发电机等)和传输线的容量，可简化各环节的滤波设备。
(3)简化主机设计、降低成本、提高效率和可靠性
取消DC/AC逆变器和静态旁路开关，UPS主机元器件数量和成本节省40%～50%;
UPS主机工作效率提高，降低运行能耗6%～8%;
不再有输出与输入电压的频率同步问题，不存在并机环流问题，大大降低了冗余并机技术难度，冗余并机简单可靠，可以很方便地组成“N+1”模块化系统；
UPS输人电压范围可达＋20%～-25%，不再有转旁路±10%的限制；
主机输出能力提高，输出有功功率等于输出容量。
(4)提高系统可用性
系统结构简化、系统设备和元器件减少，有利于提高可靠性；
备用电源(电池)与负载之间去掉了低可靠环节——逆变器，彻底消除了不可预见突发性故障(UPS、ATS等前端设备)与负载的联系，不仅可在市电掉电时向负载供电，当市电工常而供电系统发生故障时，也可保证负载的正常运行。可使对负载供电的可靠性提高到理想的高度;
充分利用电池“可预见非突发性故障”的特点，把系统可用性提高到1。
(5)提高整个供电系统效率
主机(例如10kVA)提高6%～8%
减少谐波和滤波设备损耗2%～3%；
与传统系统结构比，总效率提高8%～10%；
与冗余并机系统传统结构比，总效率提高12%～15%。
(6)降低设备成本
主机(去掉DC/AC)降低40%～50%；
去掉各级滤波器、负载前端STS、简化线缆等；
系统总成本(购置成本和运营成本)基本结构可降低20%～30%。
(7)改善系统配置
UPS输人和输出部不再有三相电流不平衡的问题；
负载机架电源线缆量减少50%；
不再有负载平衡分配的问题；
负载端没有电流谐波，所以不再有零地电压差的问题；
系统简化，制式规范，对单相输入负载和三相输入负载都可供电；
单相和三相输入都可对系统供电，不存在UPS规格中“3/3、3/1和1/1”(三相入三相出、三相入单相出和单相入单相出)的区别，对各种供电环境和使用环境都适用。
(8)有利干系统模块化、标准化进程
功率转换设备标准化，机架标准化；
主机规格由几十种减少到几种，可覆盖5～40OkW；
电池组电压规格由十几种减少到一种；
电池配置和结构标准化。
问:您说的直流输出型UPS 的优点很多，但当前还难以实现，您认为需要解决哪些问题?
答:直流输出型UPS系统从研究到推广使用是个较长的过程，在设计中首先想到的是需要解决下列两个问题:
(1)关于后备电池额定电压值的确定问题
选择并确定后备电池额定电压值时，一个最重要的原则是:当选用直流UPS为IT负载供电时，最好不要对IT设备提出需要变动的要求，特别是在推动数据中心直流UPS供电方案的初期，应保证所有的IT设备既可用交流系统供电，又可用直流系统供电。要做到这一点，实际上就限定了所确定的直流UPS电池电压额定值应该等于交流电网输人时整流后的直流母线电压值，当然还要是电池单体电压l2V的倍数。也就是说，当电网电压为交流220V时，直流UPS电池电压额定值应该确定为300V；当电网电压为交流230V时，直流UPS电池电压额定值应该确定为312V。另外，当前IT设备的输入开关电源增加了升压型的PFC环节，目的是为了降低输人电流谐波，提高输入功率因数。这类开关电源的直流母线电压是380～400V，所以为了IT设备在两种输人电压制式下都可用，直流UPS输出电压值可选在380V，但是，当所有IT设备都用直流UPS供电时，PFC整流环节也就是多余的了，所以380V应该是一种过渡性的选择。
(2)关于直流配电的问题
UPS由交流输出改为直流输出，在系统设计和配置方面会有相应的变化，变化最明显的是直流UPS与IT负载之间的直流配电问题。在电源配电系统中，断路器(空气开关)、熔丝(熔断器)、接触器(继电器)被广泛使用。这种器件大都按照22OVac/380Vac来设计，但是直流断路器的燃弧和熄弧过程与交流断路器是不同的。所以在直流供电系统中，必须采用符合安全要求的直流配电器件。
问:研究工作已经开始了，您能介绍一下国际和国内在这一项日上的进展情况吗?
答:当前，由交流输出改为直流输出的设计理念已经受到国内外业界的普遍重视，例如，江苏盐城电信从提高48V直流电压以达到提高供电效率和改变交流UPS供电系统可靠性不理想的目的出发，把直流电池电压提高到240V，提高效率和提高系统可靠性的效果非常显著，为此，电信标准化协会于2009年12月1日通过了“通信用240V直流供电系统技术要求”研究报告，将作进一步研究和推广工作。与此同时，电信标准化协会又提出了开展“数据中心直流UPS技术报告”研究的立项。中达电通有限公司于两年前就开始了高压直流供电的研究工作，他们建立了直流350V供电系统为IT设备供电，并做了各种安全试验。长期稳定运行表明，直流供电方案可行，并表现出明显的性能优势。某北方计算中心在他们自行开发的供电系统中也采用了直流ups供电方案，已稳定运行四年之久。国际上已有多家研究机构提出直流ups供电理念并开展了实际的应用研究，也有实际应用的案例。
张乃国主编:今天听您讲述有关直流输出型UPS的现况及发展趋势，很受启发，请您把我们探讨的话题做一下归纳性的小结吧。
张广明主任:应该说传统UPS的设计是历史形成的，由于器件水平的限制，早期的计算机设备内置输入电源必须经过变压器，这就决定了计算机设备必须由交流电供电，而如今则不同了，随着半导体功率开关器件的耐压和开关性能的提高，计算机设备机内都采用了不带工频变压器的开关电源，就连风扇都是直流的，这正是专家们研发推广直流输出型UPS新理念的重要前提。
传统UPS在几十年的发展过程中，为各行业机房供电提供了不间断保障，但实践证明传统UPS的确存在一些致命的不可靠因素。UPS系统中的电池要经过UPS设备中最薄弱环节——逆变器才能向负载供电。备用电源供电的不可靠是造成传统UPS供电系统不断复杂化、设备堆积、结构臃肿、成本攀升、效率低下、可靠性难以有效提高的根本原因。要改变备用能源的配置方法，自然也就归结到对计算机负载采用直流供电这个理念上来。
技术可行而前景又是诱人的，剩下的就是革新传统观念的问题了，UPS产业的现状和IDC供电系统的传统观念将成为这一技术变革的主要阻力。
责任编辑：小柯
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