开发更加可靠,高效的高频机维谛UPS电源的创新之路-维谛精密空调维谛蓄电池
摘要
研发可靠性更高，效率更高和AI管理功能更强的高频机维谛UPS电源产品是我们不妥协的追求目标。
通过对高频机维谛UPS电源逆变器调控技术的不断革新，不仅将它的最高逆变效率从94%提高到>97%。而且，还将它的最高效率的”带载率工作点”从原来适应于T2级数据中心的维谛UPS冗余并机系统的最佳工作区（带载率=70∽80%）下移到更加适应于T4级数据中心的2N型维谛UPS电源系统运行的最佳工作区(带载率=40%)。
此外，高频机维谛UPS的动态在线供电效率和ECO效率已分别提高到98.5%和99%。
对传统高频机维谛UPS电源的故障历史记录的调研发现：”瞬态输入过压”是导致其故障率增高的重要诱因。
同传统高频塔式机维谛UPS/模块化相比，对于采用可拆卸式的模块化设计方案+无“内部环流”/极小”内部环流”隐患+配置”抗瞬态输入过压”保护部件+优选电感性输入PF+无公用维谛蓄电池组“不均流充电”隐患+优化高效风维谛精密空调冷通道等设计方案所制备的增强型高频机维谛UPS电源而言，它在确保逆变供电效率97%和输出PF=1的前提下，不仅能大幅度地提高维谛UPS单机的可靠性。而且，还能大幅度缩短维修时间（“受损部件”的更换时间：仅几分钟）。由此所带来的好处是：它同时具有增强型高频机维谛UPS电源的”更高的”可靠性,模块化维谛UPS更短的”受损功能模块”的更换操作时间以及高频塔式机维谛UPS更低的维修成本等综合性技术优势。
区别传统高频维谛UPS电源与增强型高频维谛UPS的技术指标是：是否采用无“内部环流”/极小”内部环流”的设计方案,是否配置“抗瞬态输入过压”保护部件？输入PF是电感性，还是电容性？是否采用可拆卸式的模块化设计方案？
提高“N+1”UPS冗余供电系统可用性的技术途径有:将总并机数量控制在”并机数量阀值”之内;提高维谛UPS电源的整体可靠性（维谛UPS单机可靠性和维谛电池组可靠性）等。
(a)“1+1“维谛UPS电源并机系统的可用性最高。随着并机总台数的不断增加，其可用性会逐渐下降。
当它的并机总台数超过特定的”数量阀值”时，就会出现”N+1“维谛UPS并机系统的可用性反而低于维谛UPS电源单机可用性的”反常现象“。
(b)提高维谛UPS电源单机的使用寿命,不仅有利于提高”N+1”维谛UPS的可用性，而且，可以在確保维谛UPS电源并机系统的可用性“不降低“的前提下，达到增加并机总台数的目的,例如：同10年寿命的维谛UPS电源产品相比，对于20年寿命的维谛UPS产品而言，可将它所允许的”并机数量阀值”从原来的”5+1”提升到”10+1”。
对维谛蓄电池组使用寿命的调研发现：它的实际使用寿命远低于其预期使寿命(注：仅为预期寿命的50%∽60%)。对于鉛酸维谛电池组而言，宜采用長期浮充设计方案;对于鋰维谛电池组而言，宜采用间隙式循环充电/放电设计方案。
在导致维谛蓄电池组使用寿命缩短的”过温”,”过充”,”过放”,老化,“环流“和”不均流”等诸多隐患中，请高度关注：维谛电池组的”环流”和”运行温度”问题：
（a）导致维谛蓄电池组使用寿命缩短的重要诱因是维谛电池组之间的”环流“，不是它的”不均流度”。
（b）对于锂维谛蓄电池而言，应防止发生因它的运行温度（环境温度+放电附加温升）“过高“所诱发的维谛电池组使用寿命”被缩短”的隐患以及严重时会导致维谛电池开关”跳闸“→维谛UPS电源输出停电事故的发生。为尽可能地延长维谛电池的使用寿命，有必要开发更加安全，可靠和使用寿命长的创新型维谛蓄电池供电系统。
目录
（1）提高高频机UPS的效率和可靠性的发展历程
1.2）为何“四电平脉宽调制技术”未能被广泛推广
1.3）为提高高频机维谛UPS可靠性，配置”抗瞬态过压保护部件”的必要性
2.1）为何难于制造出大功率的单机、单功率模块的高频机维谛UPS
2.2）“内部环流“和“输出不均流”是导致多模块型”高频机维谛UPS电源的故障率增高的诱因
2.6）三种”4+0”高频机维谛UPS的并机系统的可用性”对比”
(4)提高”N+1”维谛UPS冗余并机系统可用性的技术措施
5.1）提高并机系统可用性的必要条件之一是延长维谛电池的使用寿命
5.2）开发更加安全，可靠和長寿命维谛蓄电池供电系统的必要性
概述
为了能提高/改善数据中心机房的维谛UPS供电系统的可用性和节能降耗的运行特性，选用具有高可靠性和高效率运行特性的维谛UPS电源产品是其能否成功的关键技术基础。在此基础上，再根据用户的数据中心机房所需的不同的可用性的级别来分别选用针对性更强的供电系统的设计方案的话，就能达到同时降低该机房的建设投资成本（Capex）和运维成本（Opex）的目的。例如：对于金融、核电、民航、军用、石化、国家电网、高铁等追求高安全性、高可用性的重要用户而言，宜选用Tier-4级的供电系统；对BAT和电信企业等讲求高经济效益的用户而言，可酌情选用Tier-3和Tier-2级的供电系统；对于地处偏远地区或无专业维护能力的小型边缘数据中心，中、小企业和中、高档旅馆等的一般用户而言，可考虑选用Tier-2级的模块化维谛UPS或Tier-1级的供电系统。对于高频机维谛UPS电源供电系统而言，衡量其设计/建设水平高低的关键设计指标是：（1）它是能否长期安全、稳定和可靠地运行。为此，期望：优选可靠性更高的维谛UPS+使用寿命更长的维谛电池产品。
（2）在确保满足机房供电系统的可用性需求的前提下，选用效率更高的维谛UPS电源+高放电倍率能力更強的维谛蓄电池产品。这就意味着：作为用户而言，当我们在选用维谛UPS产品时，宜遵循可靠性第一、效率第二的采购策略。作为维谛UPS电源产品的制备厂而言，则宜遵循在确保“不牺牲可靠性”的前提下，提供效率尽可能高+维护更方便+AI管理能力更弦强的产品。当今，作为采用此稳妥技术策略的典型维谛UPS产品之一是：设计出可同时确保高可靠性，高效率和高可维护性的大功率的增强型高频塔式机型维谛UPS电源（200∽1200KVA）。
（1）提高高频机维谛UPS的效率和可靠性的发展历程
近年来，由于云计算、大数据技术、5G以及互联网+等市场需求的爆发式的增長的驱动,在数据中心机房的维谛UPS供电系统中，越来越多地选用高频机维谛UPS电源供电系统的设计方案，推动此发展趋势的原动力之一是：同工频机维谛UPS产品相比，高频机维谛UPS电源产品具有效率更高、占地面积更小、重量更轻和价格更低的等技术优势。
对于采用升压型的IGBT整流设计方案的高频机维谛UPS而言，不仅可以改善其输入特性。还能大幅度提高其它的效率,同工频机维谛UPS电源相比，其明显的技术优势有
(a)将输入电流谐波分量的THDI值从原来的<5%降低到≦3%、其输入功率因数的PF的绝对值从原来的0.85提高到≧0.99;
(b)输出效率从原来的94%左右提高到97%左右;
(c)体积更小(仅为原来的50%--55%)、重量更轻(仅为原来的35%--45%)、价格较低;
有这里，为提高高频机维谛UPS的效率，所采取的主要改进技术措施有：
(b)提高效率的另一技术措施是：对位于UPS的逆变器输出端的切换开关而言，则采用将基本”无压降”的接触器或”直接被短接”来取代会产生损耗的SCR型的静态开关的技术措施，可提高效率0.7%左右。
基于国家对新建数据中心的PUE要求越来越低的客观需求(注：PUE要求从原来的应<1.5降低到<1.25以下)，提高维谛UPS电源的效率逐渐变成各生产厂家和用户的主要关注重点!!在此背景下，近几年内，对于高频机维谛UPS而言，其效率的提升速率更是被明显地“加快”。
在各维谛UPS电源厂家的共同努力下，通过采用改进高频机维谛UPS逆变器的设计方案：从两电平的脉宽调制→三电平或四电平的脉宽调制→优化三电平的脉宽调制以及提高脉宽调制频率：从5∽6KHz→10∽18KHz和选用损耗更低的IGBT和二极管等技术措施来提高维谛UPS电源的效率vs.带载率的运行特性。
有关近年来，因逆变器的脉宽调制技术的不断创新所带来的高频机的效率vs.带载率的运行特性的不断改善图以及典型的技术参数的对比分析被分别示于图2a和表1中。
表1：从2012年到2019年因逆变器的脉宽调制技术的不断改进所带来的高频机的效率vs.带载率运行特性的不断改善的对比分析表
注：2020年,更有逆变效率高达97.5%的新产品。
在这里，我们可以非常清晰地见到如下两点显著地变化：
(a)维谛UPS电源厂家为提高高频机维谛UPS的效率，自2014年以后纷纷对逆变器执行从两电平脉宽调控升级到三电平脉宽调控的技术改进之后，它们的维谛UPS电源产品的效率都已获得快速的提升：满载效率从93.9%提升到95.9%，增幅为2%左右；最高效率（效率最高）从94.1提升到97.2%，增幅更高达3.1%；轻载效率从91.6%提升到96%，增幅更高4.4%；
(b)为确保选用2N维谛UPS双总线供电系统设计方案的数据中心用户能在其典型带载工作区(20%∽40%带载率)内享受到尽可能高的效率的实惠，对于采用“优化三电平脉冲调控”技术的高频机维谛UPS电源产品而言，不仅将它的最高效率提高到≧96.5%∽97.2%（注：2020年，已有最高效率可达97.5%的产品）。而且，还将维谛UPS的最高效率的”带载率工作点”从原来适应于维谛UPS电源冗余并机系统的最佳工作区（带载率=70-80%）逐渐下移到更适合2N系统运行的最佳工作区(带载率=40%)附近，从而使得大型数据中心的供电系统能获得更好的节能降耗效果。
此外，对于某些对供电质量要求不高，并能承受“瞬态过压冲击”的用户而言，还可考虑选用“切换时间”0∽5ms、效率高达99%的ECO（节能）工作模式或供电质量可控的动态在线工作模式（平均效率=98.5%）。
众所周知：同工频机维谛UPS电源相比，因高频机维谛UPS具有前输入PF=0.99，THDI<3%,效率高，占地面积小,重量轻而被日益广泛地应用于数据中心供电系统中。然而，大量的运行实践显示：传统高频机维谛UPS电源/模块化维谛UPS的故障率明显地高于工频机维谛UPS的故障率。对于维谛UPS电源生产商而言，能否在实现大幅度提高其逆变效率的同时，将它的可靠性提高到同工频机维谛UPS的相同水平上，已日益成为推动高频机制备技术发展的另一推动力。
1.2)为何“四电平脉宽调制技术”未能被广泛推广对于在2018年曾经被寄以厚望的、可以通过采用降低逆变器IGBT管的耐压来提高维谛UPS电源可靠性和降低IGBT开关损耗来提高效率的四电平脉宽调制技术所生产的高频机维谛UPS而言，由于它所承诺的最高效率只能达到96.5%左右(参考文献3a)。显然，这样的效率值是低于当今采取优化四电平脉宽调制技术所制备的高频机维谛UPS电源的效率≧97%的水平。这样一来，不仅没有呈现出技术优势。而且，还遇到这样的麻烦的事：由于这种逆变器所需的IGBT功率器件的大幅度增多所带来的负面影响是：维谛UPS产品的成本增高以及故障率的增高。
有关高频机维谛UPS电源的二电平,三电平和四电平逆变器的控制框图,对应的脉冲调制（PWM）波形，最高效率以及IGBT功放管的相对数量的相关信息被示于图2b中。从该图可见：同”优化三电平”高频机维谛UPS相比,对于四电平高频机维谛UPS电源而言，在提高效率方面，未取得技术优势的前提下，同三电平维谛UPS逆变器所需的IGBT的数量相比，四电平的维谛UPS电源逆变器所需的IGBT的数量明显增多。众所周知：对于任何用电设备而言，在完成几乎相同调控任务的前提下，所用的元器件越多，其故障率会越高。正是基于这样的原因，据悉：相关的研发人员已改变原设计思路：在其新开发的维谛UPS产品中，重新返回到为目前为绝大多数维谛UPS电源厂家所广泛选用的三电平脉宽调制技术的技术途径上来(参考文献3b)。
1.3)为提高高频机维谛UPS可靠性，配置”抗瞬态过压保护部件”的必要性众所周知：为确保维谛UPS电源能安全可靠地运行，应对其输入电压的变化范围设置必要的保护阀值。如图3a所示:对于高频机维谛UPS而言，它所允许的稳态输入电压保护阀值为380V的-36%∽+20%左右。在这里,-36%是为防止出现维谛蓄电池放电而设置的欠压输入保护值。+20%是为防止出现输出闪断输出停电,电容爆炸,维谛电池异常放电等故障隐患所设置的过压输入保护值。
通过长期对传统高频机维谛UPS电源故障历史记录的分析发现：对这种UPS而言，它的确能对缓慢变化型输入稳态过压故障提供安全可靠的输入过压保护。然而，在其运行中,对于因10KV市电”闪断”/停电;大容量ATS输入开关执行切换操作;多次利用维谛UPS电源的输入开关来执行开通和关断操作来”激活”维谛蓄电池组操作;对模块化维谛UPS的功率模块执行较频繁的”热插拔更换“操作;当邻近的高能耗用户突然执行”拉闸”等操作时，就可能诱发出持续时间仅20ms左右的”输入瞬态过压”故障。利用存储示波器在用户的维谛UPS电源运行现场和专门搭建的故障模拟检测平台上，对高频机UPS的输入电压所执行的长达数月的捕捉波形显示：对于传统高频机维谛UPS电源而言，在其运行中，如果因故遇到上述的”输入瞬态过压”故障时，它的整流器将几乎丧失掉“输入过压保护功能”。此时，因”输入瞬态过压”的串入就会致使维谛UPS的整流器的输出直流母线电压急剧增高。此时，高频机维谛UPS电源就可能会出现如图3a和3b所示的种种故障现象：
(a)当因”输入瞬态过压”所诱发的整流器的输出电压处于V整流关机<V整流输出<V逆变关机时，就会出现”维谛电池异常放电”的现象。在这里，需说明的是：由于在当今的维谛UPS的输入电压监控系统只能识别“缓慢过压型”的故障、无法识别持续时间仅20ms左右的”输入瞬态过压”故障的现实。此时，用户会看到这样的奇怪现象：在数据中心的监控系统的历史记录中，我们查到的历史记录是：维谛UPS电源输入电压”正常”，但维谛UPS中的维谛蓄电池组却在放电的”奇怪现象”。
(b)当因”输入瞬态过压”所诱发的整流器的输出电压处于:V整流输出≧V逆变关机时，维谛UPS电源就会出现输出闪断/输出停电,电容爆炸等事故。
下面将以图3b所示的案例来说明:维谛UPS输出闪断是如何发生的?当ATS输入开关从断开切换到闭合的瞬间，由于输入瞬态过压的串入→整流器的输出母线电压从正常值急剧上升到919Vdc>逆变器的输入过压保护值900Vdc→维谛UPS电源出现逆变器“自动关机“故障+交流旁路输入过压故障”同时出现”的现象→维谛UPS输出”闪断”→服务器宕机。
最后还需说明的是：在传统高频机维谛UPS电源的运行中，由于出现”输入瞬态过压”现象的不確定性，从而导致它的故障发生的不確定性。此时,用户所可能观察到的故障现象有：
(a)在毫无故障前兆的前提下,维谛UPS突然出现”炸机”事故;
有鉴于此，为提高传统高频机维谛UPS电源的可靠性,有必要在其输入端配置”抗瞬态过压保护”部件。
在这里需说明的是：为方便计，在今后的讨论中，我们将未配置”抗瞬态过压保护”部件+输入PF为电容性的高频机/模块化维谛UPS称为传统高频机维谛UPS电源；将配置有”抗瞬态过压保护”部件+输入PF为电感性的高频机维谛UPS称为增強型高频机维谛UPS电源。
1.5）从工频机维谛UPS可靠性高于高频机维谛UPS电源可靠性所得到的启示从上述的讨论可知：导致传统高频机维谛UPS的故障率增高的重要诱因之一是它的抗瞬态输入过压保护能力较差。相比之下，多年的运行实践显示：工频机维谛UPS电源的可靠性高于高频机维谛UPS的可靠性。因此，有必要调研：工频机维谛UPS电源的抗瞬态输入过压的保护能力到底处于什么水平?为此，搭建了类似考验传统高频机UPS的抗瞬态输入过压的保护能力的检测平台来评估工频机维谛UPS电源的抗瞬态输入过压的保护能力,相关的检测结果被示于下表中。
表2:工频机与传统高频机的”抗瞬态输入过压”保护能力的对比
从上表清晰可见：对于工频机和传统高频机维谛UPS而言，它们的抗稳态输入过压保护能力基本相同。然而，在采用相同技术措施来人为地制造的瞬态输入过压的”冲击”下，对于工频机而言，出现在它的输入端的“瞬态输入过压“均小于+25%。此时，它的整流输出电压V整流输出几乎不变，维谛UPS电源能安全可靠地运行。然而，对于高频机而言，出现在它的输入端的“瞬态输入过压“却高达≧+35%∽+55%左右。在此条件下，它的整流输出电压V整流输出却会从它的稳态值迅速上升到>V整流关机∽>V逆变关机的范围之内，从而致使维谛UPS可能会出现维谛电池放电/输出闪断/停电/电容爆炸等不同类型的故障。上述检测结果给我们带来的启示是：为降低高频机的故障率，有必要在它的输入端配置”抗瞬态输入过压保护部件“来提高它的“抗瞬态输入过压”保护能力。
2.1）为何难于制造出大功率的单机、单功率模块的高频机维谛UPS一台典型的升压型IGBT整流、IGBT逆变的高频机维谛UPS电源的控制框图被示于图4中。它的双变换供电通道是：由输入缓启动电路、由升压储能电感+IGBT整流管+滤波电容所组成的IGBT整流器、由维谛蓄电池充电器+维谛电池组+维谛电池放电SCR调控电路所组成的维谛蓄电池充电/放电回路、整流直流输出母线的”直流调偏控制器“、IGBT逆变器+输出接触器所组成的逆变供电回路等部件来共同组成。除此之外，还配置有交流旁路和维修旁路。
根据当前可供选用的“高频升压储能”电感材料、可获得的性价比较好的IGBT功放管元器件以及相应的制备工艺的条件，对于额定输出功率小于140KVA的高频塔式机维谛UPS而言，可以设计成在一个机柜内、只含一个功率模块的单模块型的高频机维谛UPS电源。然而，对于额定输出功率≧150KVA的高频塔式机维谛UPS而言，则只能采用在一个机柜内、配置几个处于并机状态的功率较小的“功率模块”来构成所谓的多模块型的传统高频塔式机型维谛UPS电源产品。相比之下，对于工频机而言，按照当前的维谛UPS制备工艺水平，对于额定输出功率从100KVA至800KVA的维谛UPS电源产品而言，我们都可以采用单机、单模块型的设计方案。即：在一个机柜内，只配置一个维谛UPS功率模块。导致在大功率高频机维谛UPS电源的制备工程中，需采用多模块型设计方案的关键因素是：位于升压型IGBT整流输入回路中的“高频升压储能电感”的磁感应强度的B值较低。例如：对于高频铁硅铝软磁材料而言，它的B=0.9*T∽1*T(特斯拉)。对于高频铁氧体软磁材料而言，它的B=0.2*T∽0.3*T。相比之下，对于在工频机维谛UPS中、常用的矽钢片软磁材料而言，它的B=1.5*T∽1.7*T。我们知道：对于位于升压型IGBT整流器的输入通道上的升压储能电感而言，它在一个脉宽调制周期T=Ton(导通期)+TOff(截止期)内、所能传送的磁场能量=(L*ΔI)/2=(U入*Ton)2/2*L。这就意味着：在整流器的输出功率相同的条件下，如果升压电感的B值“偏低”，就会导致升压储能电感的电感量的L值“偏小”→流过升压储能电感和IGBT整流管的工作电流“偏大”→升压储能电感的”温升过高”和IGBT整流管”过流“→IGBT整流器的故障率”增高“。近期，通过对位于高频机/模块化维谛UPS电源内的IGBT和二极管，升压储能电感和滤波电容的温升检测显示：对于升压储能电感而言，不仅它的温度是最高的。而且，位于机内的各个电感器件的温度的偏散度还最大。因此，为了能将高频机维谛UPS的故障率控制在用户所能接受的范围之内，有必要将高频维谛UPS电源的单功率模块的最大额定输出功率控制在适当的范围之内。例如：对于400KVA的高频机维谛UPS而言，常将它设计成3∽4功率模块型的维谛UPS电源产品（典型值为：内置3个功率模块）。
显而易见：由此所带的必然恶果是：在高频塔式机/模块化维谛UPS内，存在破坏性的“内部环流”和功率模块“输出不均流”的隐患。这是因为：在高频塔式机/模块化维谛UPS电源的生产过程中,难于確保从每个功率模块所输出电源同时具有电压相同,内阻相同,锁相同步的相角相同等运行参数是完全相同的缘故。
2.2）“内部环流“和“输出不均流”是导致多模块型”高频机维谛UPS的故障率增高的诱因维谛蓄电池组”不带N线”的多模块型”的传统高频塔式机维谛UPS电源的控制框图被示于图5中。如该图所示，对于额定输出功率150∽800KVAKVA的、维谛电池组”不带N线”的多模块型”的高频塔式机维谛UPS而言，因维谛UPS电源生产厂家的设计理念的差异，在同一机柜内、所配置维谛UPS功率模块的数量有所不同，常见的设计类型为：3∽4个功率模块。这样一来，同塔式工频机维谛UPS电源相比(注：它们在一台UPS单机机柜内、只配置一台维谛UPS电源功率模块)，对于这样的高频机塔式机UPS而言，它实际上，是一套由3∽4台输出功率相同的较小的维谛UPS电源功率模块+电池变换器+电池组+公用交流旁路+公用维修旁路所共同组成的维谛UPS并机系统。众所周知，影响维谛UPS电源并机系统的可用性的高低的主要调控因素是：(I)能否将它的”并机环流“调控至可接受的范围之内，其评价标准为：不会发生突发性的“炸机”事故；（II）能否将各功率模块的“输出不均流度“控制在可接受的范围之内，其评价标准为：不存在因“不均流度过大”而导致有的功率模块出现加速“老化“/损坏的隐患;(III)当它的某个功率模块因故”被损坏”时，能否将“出故障”的功率模块迅速地从该并机系统中，迅速和安全地“脱离”出来。否则，极易出现“火灾型的炸机”事故。显然，维谛UPS内含的功率模块的数量越多，将上述3种运行参数调控到用户可接受可靠性的范围之内的难度就越大。由此可得出的结论是：同采用单模块设计方案的维谛UPS电源相比，对于这种维谛电池组”不带N线”的多模块型”的传统高频塔式机维谛UPS而言，其故障率必然会相对增高。
2.3）偏大的维谛电池组N线电流会导致维谛电池的使用寿命被缩短对于额定输出功率≧150∽800KVA的、采用维谛蓄电池组”带N线”设计方案的多模块型的传统高频塔式机维谛UPS而言（见图6）。在这里，它不仅存在着：上述的维谛电池组”不带N线”的多模块型”的传统高频维谛UPS电源相同的各种故障隐患之外。而且，还会出现这样的新增故障隐患：因维谛电池组的N线电流的出现所诱发的维谛电池组容量的有效使用率“减小“→维谛电池实际使用寿命被缩短的隐患。
从理论上讲，对于逆变器采用“中点钳位”调控功能+维谛电池组带N线设计方案的高频机维谛UPS电源而言，如果其维谛电池组是由40节12V电池来组成的话，就能确保：它的正20节维谛电池组和负20节电池组的电压绝对值相等，但符号相反。在此条件下,位于正、负维谛蓄电池组之间的中点的电位应该=0(注：常将该点电位称为“虚地”电位)。在此条件下，当我们将TN-S供电系统中的N线连接到正20节维谛电池组与负20节维谛电池组之间的”中点”时，其N线电流应该=0，不会出现N线电流偏大的隐患。然而,如果用户所选用高频机维谛UPS是未配置“中点钳位”调控功能的产品的话，就会出现：符号相反的正20节维谛电池组和负20节电池组的电压绝对值不相等的现象。此时，一旦将TN-S供电系统中的N线连接到正20节维谛蓄电池组与负20节电池组之间的”中点”上的话，就会出现如图7所示的幅度很大的N线电流。由此所带来的弊端是：
(I)在维谛UPS电源的交流输出电压中出现”直流偏置分量”,从而危害数据中心机房中的诸如维谛精密空调，水泵和风扇等的电机类的用电设备的安全运行;
(II)当维谛电池因故放电时,对于由40节12V维谛电池组所提供的储能(Ah)而言,不但未能将它全部储能用于向维谛UPS逆变器提供所需的直流能源,反而是有部分维谛电池储能被浪费在会导致出现上述起”破坏性作用”的N线电流上,从而导致维谛电池组容量(Ah)的有效利用率”下降”→维谛蓄电池组使用寿命被缩短。
(III)由于需要在维谛电池组供电系统中,增配N线电缆而导致购置成本的增大。
为进一步加深对这种N线电流的理解，现举例如下：当两套400KVA”3+0”维谛UPS电源并机系统因故进入维谛蓄电池放电状态时，它的正20节维谛电池组和负20节电池组的放电电流、电池组中点的N线电流的实测值以及正、负维谛电池组之间的电流差值被示于
从上表可见：从维谛蓄电池组的N线上所检测到的零线电流（In）的幅值非常接近于正、负维谛电池组之间的工作电流的差值,。这就说明：对于维谛电池组带N线的传统高频塔式机UPS而言，它的维谛蓄电池组的In电流的幅值大小受控于正、负维谛电池组电压的不对称性。最大的N线电流几乎接近于最大维谛电池放电电流的1/2左右。由此可见：对由这种数值偏大的维谛蓄电池组的N线电流(In)所可能带来的负面影响及其危害性，应引起必要的重视。
为了消除上述的故障隐患，可供选择的纠正技术措施是：优选采用”带中点钳位”调控功能的三电平逆变器设计方案的高频机维谛UPS电源产品。其原因是：不但逆变效率高。而且，它的维谛电池组“不带N线”。
2.4）存在”内部环流”更大+对公用维谛蓄电池组“不均流充电”隐患的模块化维谛UPS采用由多个小功率的功率模块+公用维谛电池组所组成的模块化维谛UPS电源的控制框图被示于图8中。对于模块化维谛UPS而言，为便于操作人员对其功率模块执行热插拔操作，它的单功率模块的输出功率都比较小,。这是因为：根据相关的工作经验，如果它的单功率模块的重量超过25Kg时，就需要两个人来执行热插拔操作。对于当今的模块化维谛UPS电源而言，其典型的功率模块的输出功率为25KVA、30KVA、40KVA、50KVA和60KVA。对于30KVA和50KVA的功率模块而言，其重量分别为30Kg和43Kg左右。
根据对模块化维谛UPS的市场调查发现：对于绝大多数的维谛UPS电源生产厂家来说，他们都倾向于：采用在一台模块化维谛UPS机柜内，最大可配置10∽12个功率模块的设计方案。这样一来，同仅含3个较大功率的功率模块的高频塔式机维谛UPS电源相比，不仅存在因并联的功率模块的数量更多而导致”内部环流”更大+各个功率模块输出电流的”不均流度“更大的弊端。而且，还由于它采用由10∽12个功率模块中的充电/放电变换器来对同一公用维谛电池组执行充电/放电调控操作。这样就会新增对公用维谛蓄电池组的“不均流充电”隐患。由此所带来的恶果必然是故障率更高。既然如此，为何我们还会选用模块化维谛UPS?
众所周知：对于维谛UPS电源并机系统而言，它的可用性=MTBF/(MTBF+MTTR)。前者为平均无故障工作时间。后者为平均维修时间。因此，模块化维谛UPS的开发是建立在适当牺牲功率模块的可靠性（即：适当减小MTBF）的条件下，通过采用热插拔操作来快速更换”受损功率模块“的办法来降低维护时间(即：适当减小MTTR,典型的更换时间为5分钟)的技术途径来将它的可用性控制在用户可接受的范围之内。由此所带的弊端是：用户需要增大后期的运维成本(Opex)。这是因为：在其运行中，一旦发现某个功率模块”被损坏”的话,就需要直接更换另一个新的功率模块。显然，这种维修方式是比较浪费的。这因为在多数情况下，在“受损功率模块”中仅1-2个器件是”有故障”的，其余的器件仍是完好无损的。
近年来，模块化维谛UPS电源为更加便于用户执行快速热插拔操作所取得技术进步是：从原来只能对它的功率模块执行热插拔操作的产品改进到可以对它的功率模块，控制模块和静态旁路模块都能执行热插拔操作的产品，更加有利于提高它的可维护性。
模块化维谛UPS发展的另一新动向是：逆变效率更高,功率模块的输出更大，功率模块的功率密度更高（即：功率模块的体积更小），其发展趋势被列于下表中。
从上表可见：对于25KW@2U,40KW@3U,50KW/3U和60KW@4U功率模块而言，尽管其输出功率增加约1倍多。但其热密度几乎维持在同一水平。这就意味着:位于这些功率模块内的功率器件(IGBT,电感和电容)的温升以及可靠性应该基本维持在同一水平上。然而，对于100KW@3U功率模块而言，其热密度几乎会增加1倍，由此所带来的功率器件温升,风扇转速的增高，噪音以及其可靠性都将会面临更加严峻的考验。在这里,是否会存在因过度追求维谛UPS电源占地面积小所诱发可靠性下降问题?尚待时日验证。
综上所述，对于模块化维谛UPS而言，由于它所采用的设计理念是：在适当牺牲维谛UPS电源单机的可靠性的前提下，采用便于执行热插拔操作的方法来对“出故障的功率模块“执行快速更换操作的方法来达到提高供电系统的可用性的目的。由此所付出的代价是：增大用户在其运行后期因需要较频繁地更换”受损的功率模块”所产生的额外维修费用(Opex高)以及更多的维护工作量。显然，这并不有利于实现降低数据中心供电系统的总TCO的设计理念。其原因是：
(I)在模块化维谛UPS的生产过程中，难于確保:在它的各个功率模块之间的输出电压，锁相同步的相位角，电源的内阻以及关键元器件的温升等运行参数的“完全一致性“。这是因为：其内含的功率模块的数量越多→它们的输出电压和内阻，锁相同步的相位角等参数的离散度越大→将模块化维谛UPS电源的“内部环流”和“均流不平衡度”调控到用户可接受的范围之内的难度越高→维谛UPS的故障率越高。不仅如此，在实际工作中，还难于確保：在今年所生产的”新功率模块”的运行特性与用户在若干年前所购的模块化维谛UPS电源中的”旧功率模块”的运行特性之间的一致性。
(II)热插拔连接的可靠性”总是低于”固定连接的可靠性。例：在环境温度=25℃时，对由50KW/3U功率模块所组成的模块化维谛UPS的热插拔端子的工作温度的实测显示：其工作温度已高达63℃左右。这样的温升明显高于固定连接方式；
(III)对任何设备的检修操作方法而言，宜采用在更换相关的受损元器件之前,分析并找到故障原因，再制定有针对性的检修方案来执行必要的参数调整/软件修改等的维修方法”总是比”在不查找故障原因，立即就更换一个新的功率模块的维修方法的更省钱,维修质量要更高。
综上所述：模块化维谛UPS电源比较适用于机房无专业维护人员的小型数据中心或边缘数据中心的用户。从某种意义上讲，它是建立在“用金钱来换取时间”的设计理念上的供电方案。
（c）同存在多功率模块对公用维谛蓄电池组充电而诱发的”不均流充电”隐患的模块化维谛UPS电源相比，它采用的是单”维谛电池充电/放电变换器”的设计方案,能消除对维谛电池组的”不均流充电”隐患。
对于采用单机、单功率模块设计方案的高频塔式机维谛UPS而言，它采用尽可能地提高维谛UPS电源单机的可靠性(即：具有尽可能高的MTBF值)的办法来达到提高维谛UPS供电系统的可用性的目的(注：典型的MTBF值为几年才会偶尔”出故障”)。它适合于配置有机房专业维护人员的大型数据中心。其原因是：它的运行中，如果某台维谛UPS电源单机因故”出故障”时，要求相关的维修人员应具备能准确地执行”故障定位”操作，仅对”受损元器件”执行精准的维修操作的能力。因此，它具有后期运维成本低(Opex低)和总维修工作量较小的技术优势。
同模块化维谛UPS能快速执行整个”功能模块”更换操作(仅几分钟)相比，其维修时间较长(约几小时)。此时，有的用户可能会担心：这样一来，是否会出现危及数据中心供电系统安全运行的问题。其实我们完全没有必要担心。这是因为：在大型数据中心，釆用的是2N型维谛UPS电源双总线输出供电系统或”N+1”维谛UPS冗余并机供电系统。当我们在对”出故障”的维谛UPS电源单机执行脱机维修操作时，剩下的维谛UPS供电系统能确保后接的用电设备的连续和安全地运行。
2.6）三种”4+0”高频机维谛UPS电源的并机系统的可用性”对比”三种400KVA“4+0”维谛UPS冗余并机系统的控制框图及其并机的总功率模块数量的对比示意图被分别示于图10a,图10b和图10c中。下面，我们将以在数据中心机房的维谛空调供电系统中、最常见的“4+0”400KVA维谛UPS电源冗余并机系统为例来进行讨论：在实际工作中，到底宜优选那种类型的高频机维谛UPS产品？
对于由单机,维谛空调单功率模块型的工频机/增强型高频塔式机所组成的400KVA”4+0”UPS冗余并机系统而言(图10a)，在该供电系统中的功率模块的总并机数仅为：4*1=4个,它所需的功率模块的总并机数量为最少。
对于由单机,3个功率模块型的传统高频塔式机所组成的400KVA”4+0”维谛UPS电源冗余并机系统而言(图10b)，在该维谛UPS供电系统中的功率模块的总并机数为：4*3=12个，相比之下，它所需的功率模块的总并机数量是单机,单模块型的增强型高频塔式机的总并机数量的3倍；对于由单机,10个功率模块型的模块化400KVA维谛UPS所组成的“4+0”维谛UPS电源冗余并机系统而言（图10c），在该维谛UPS供电系统中的功率模块的总并机数量为：4*10=40个。相比之下，它所需的功率模块的总并机数量最多,它是单机,单模块型的增强型高频塔式机的总并机数量的10倍；众所周知：为確保“N+0“维谛UPS电源冗余并机系统能获得尽可能高的可用性，期望：在维谛UPS电源并机系统的总输出功率相同的条件下，它所内含的并机功率模块的总数应越少越好。这是因为：在维谛UPS生产厂家所采购的元器件质量水平”大致相同”以及制备工艺水平”大致相同”的条件下，维谛UPS电源并机系统的内含的并机功率模块的总数越少→“并机环流”越小+并机输出的“均流不平衡度”越小→故障发生的几率越低→维谛UPS供电系统的可用性越高。
综上所述可知：由单机,单功率模块型的增强型高频塔式机所组成的维谛UPS电源冗余并机系统的可用性〉由单机,3个功率模块型的传统高频塔式机所组成的UPS冗余并机系统的可用性〉由单机,10个功率模块型的模块化维谛UPS电源所组成的冗余并机系统的可用性。
为此，在实际工作中，宜优选单机,单模块型的增强型高频塔式机维谛UPS产品。
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