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近年来，随着大数据、云计算等技术的快速发展，传统的数据中心也迎来了一个飞速变革的时期。作为数据中心供配电系统的重要组成部分，UPS也开始发生变化。可靠，高效，易用易维护成为越来越多UPS厂家关注的重点特性。
那么从UPS产生至今，共经过了哪些变化？是什么引起了这些变化？现在市场上主流的产品有哪些？本文将对这几个问题进行解答。
1UPS分类方法
UPS的分类方法有很多，从储能方式可以大致分为动态UPS和静态UPS，动态UPS和静态UPS又可以细分为后备式，在线互动式，在线双转换式等；从技术上有工频高频之分，高频机中又细分为塔式机和模块化。
1.1 动态UPS分类
动态UPS的不间断供电是通过旋转部件释放动能，静态UPS以蓄电池为储能工具，动态UPS的典型代表是飞轮UPS，静态UPS目前市场应用最多的是双在线转换式UPS。
动态飞轮UPS经过几十年的发展与改进，在大功率UPS市场有着独树一帜的应用。市场上应用的飞轮UPS主要有如下几种。
a).在线双变换式飞轮UPS（典型代表：Vycon解决方案)
这种结构与在线双变换式UPS非常相像，区别在于，使用飞轮代替了电池进行储能，需要搭配传统UPS进行使用，因此应用比较局限。
Vycon于2002年成立，专门从事飞轮储能研发生产。产品主要应用在北美。该飞轮后备时间可以达到15~90s。
b).旋转在线式飞轮UPS（典型代表：Piller解决方案）
不同于以上的Vycon解决方案，该解决方案替代传统UPS。
耦合扼流圈主要功能是实现电能转换，补偿和滤波。
核心部件是M/G电动-发电机（UNIBLOCK%7DT.png)
) ，市电正常时作为电动机带动飞轮(给飞轮充电），市电异常时飞轮放电，作为发电机，完全是机械式取代电力电子变 换，没有电力电子变换的精确控制，电网适应性和逆变出的质量会变差。
Piller是UPS领域的百年老店，主打产品UNIBLOCK-T，总部在德国。目前产品主要应用在欧洲和北美。
c).在线互动式飞轮UPS（典型代表：Active Power解决方案）
该方案替代传统UPS+电池方案。
在线互动式是目前国内应用最多的方案。工作原理同在线互动式UPS，类似一个有源滤波器，可实现简单的滤波和稳压功能，拓扑简单，效率较高。但是电网适应性和输出性能指标明显偏差。
1.2 三种动态UPS抗电网干扰能力对比
以上是三种比较典型的动态UPS，下面表格对这三种动态UPS抗电网干扰能力做一个简单的对比。
表1：三种动态UPS抗电网干扰能力对比
通过以上表格可以看出，在线双变换式飞轮UPS是抗干扰能力最强的，但是这种飞轮UPS必须搭配传统UPS进行使用，应用比较局限，目前国内应用最多的是在线互动式飞轮UPS。
1.3 静态UPS分类
以上介绍了动态UPS的一些常见架构，下面对应介绍一些静态UPS。不同于动态UPS，静态UPS以电池为储能工具。从工作原理分类来说，常见的静态UPS主要有后备式，在线互动式，Delta变换式以及在线变换式双四种。
a).后备式UPS
后备式UPS只有在供电异常才启动逆变器，正常供电时无法对市电电网问题进行调节，供电质量相比而言较差，但其效率较高。
该架构多用于容量小于3KVA的UPS，结构简单，一般备电时间在10分钟左右，通常是方波输出，主要应用场景是PC机等。
b).在线互动式UPS
在线互动式UPS相比后备式而言，增加了稳压环节，供给负载改良过的市电。其成本低，电路比较简单，但是无法消除输入失真和干扰。并且切换时有转换时间。该架构应用于功率容量5KVA的以下的小容量UPS ，结构简单，通常是方波输出或模拟正弦波输出。多用于对PC或办公设备提供保护 。
c).Delta变换式UPS
Delta变换UPS的核心为Delta变换器和主变换器。
Delta变换器的作用为：
控制输入电流，是一个高阻正弦波电流源；
控制电流充电；
补偿输入电压，保证输出电压稳定不变；
控制调整输入功率因数。
主变换器的作用为：
控制并稳定输出电压，是一个低内阻正弦波电压源；
给电池充电；
市电掉电时，向负载供电；
市电正常时，补偿负载电流中的无功和谐波成分。
从Delta变换器和主变换器的作用可以看出，Delta变换式UPS对输入调节能力更强，当然，结构也比在线互动式复杂。该架构应用于功率容量20-200KVA的UPS，输出为正弦波。
d).在线变双换式UPS
在线双变换式UPS可以为负载提供很完美的保护，可以滤除电网中基本所有的干扰和谐波，缺点是架构复杂，一般成本较高。该架构应用于功率容量为1-1200 KVA的UPS；几个 架构对比来说可靠性最高，目前80% UPS均采用该架构，输出为标准正弦波，主要对IT负载或其它行业重要负载提供保护。
UPS工作状态有多种，分别为主路模式，静态旁路模式，电池模式以及维修旁路模式。在线双变换式UPS从架构来说还分为工频机和高频机，后文将会讲到。
1.4 静态UPS抗电网干扰能力对比
下表为以上介绍的四种静态UPS架构对电网干扰能力的对比。
○：可以抵抗 ╳：可以部分抵抗 △：无法抵抗
表2：静态UPS抗电网干扰能力对比
可以看出，在线双变换式是抗电网干扰能力最强的。
1.5 动态与静态UPS的对比
以上分别介绍了动态和静态UPS的一些基本拓扑结构，那么动态和静态UPS对比而言又各有什么优劣呢？
静态UPS与动态UPS最大的区别在于其储能方式，一个是电池储能，一个是飞轮储能，下表对比这两种储能方式的优劣。
表3：蓄电池储能与飞轮储能对比
可以看出蓄电池储能与飞轮储能各有优劣，但是飞轮储能的后备时间一般仅有15秒，这使得其使用场景受到很大的局限。
以下再对比以下目前主流的静态UPS与动态UPS，分别为在线双变换式与在线互动式飞轮UPS，其中在线双变换式以华为UPS5000系列为例，在线互动式飞轮UPS以Active Power为例。
表4：在线双变换式与飞轮UPS参数对比
从以上对比来看，除效率外，其他参数UPS5000要优于Active Power飞轮UPS，并且在UPS通常工作的低载段（40%）效率并不输给飞轮UPS。 表4：在线双变换式与飞轮UPS参数对比
通过以上两个对比我们可以得出如下结论：
与传统UPS相比，飞轮UPS在节能、环保等方面具备一定优势；
飞轮UPS由于固有的缺陷，应用存在一定的局限性：
备电时间短，仅15S，油机启动失败会造成严重停电事故；
价格昂贵，且必须与油机配合使用，增加了初始投资；
系统复杂，需要原厂专业维护，维护成本高；
电网适应性差，输入输出性能指标都弱于在线双变换式UPS。
基于上述分析，飞轮UPS仅适用于以下场景：
可接受新技术，绿色环保型供电系统；
电网质量很好，较少断电事故，系统可靠性要求不高的场合。
2高频机与工频机的对比分析
静态UPS目前应用最广泛的是在线双变换式UPS，前文介绍了，这也是抗干扰能力最强的静态UPS，而在线双变换式UPS从产生至今也经过了从工频机到高频机的变化，那么什么是工频机，为何又会有高频机产生？
一些UPS用户或销售人员认为输出容量PS与功率因数PF的乘积就是UPS的实际输出功率或称输出有功功率P，即P=PS×PF。这样理解和解释输出功率因数虽然没有错误，但还很不全面。忽视了UPS输出能力的另一方面即无功功率PQ的输出能力。先代计算机网络系统及自动化控制系统中的大部分交流用电负载为非线性负载，其中以整流非线性负载居首位，在自动化控制系统中也常有具有铁芯的感性非线性负载，如变压器、交流电动机等。这些用电负载正常工作时不仅需要有功功率P，而且还须要UPS在输出电压波形无明显失真状态下能提供负载必须的无功功率PQ才能确保用电负载正常工作。UPS对负载所提供的无功功率PQ是由除基波电流以外的各次谐波电流提供的。
现代通信系统及计算机网络主要供电设备的不间断电源UPS其输出电气指标共有十余项,本文就输出功率因数(PF)一项指标进行较详细的讨论,并介绍此项指标的测试方法。
UPS的输出功率因数是多数用户较为关照的技术指标之一，因为UPS输出功率因数的高、低将直接影响对各种负载(如感性、容性及整流非线性负载)的驱动能力。交流供电设备的输出容量是以伏安(VA)为单位来表示的。即供电设备的输出交流电压的有效值与电流有效值的乘积，也就是我们所说的视在功率PS。
UPS的输出容量是以视在功率VA来表示的。所有的UPS在标明输出容量的同时还标明了输出功率因数。目前国内市场上销售的进口或国产UPS的输出功率因数一般在0.6～0.8之间。对UPS输出功率因数的理解和评价在一些用户和UPS销售商中存在一些不全面的理解和不恰当的评价。
UPS输出功率因数的测试是比较复杂的，所以只有一些规模较大的专业生产厂家才有可能进行这项指标的全面测试。如果UPS的输出功率因数指标后面没有表明“超前”或“滞后”就意味着此台UPS对感性或容性负载都适用。输出功率因数后面标明“超前”者适用于容性负载，反之适用于感性负载。UPS的大多数负载是感性或二极管整流非线性负载，下面简单介绍这两种负载条件下的输出功率因数测试方法。
带有铁芯的感性负载测试电路如图(3)所示，图中L为带有铁芯的电感线圈，R为电感线圈电阻与串联负载电阻之和。负载电路中电流与电压的相位角φ由电阻R与电感L决定即：φ=arctgωL/R。调节电阻R或电感L值可改变相位角φ使cos φ与UPS的输出功率因数相等。负载阻抗Z=√R2+(ωL)2，负载中的电流I=U/Z，负载上的视在功率PS=U×I=U2/Z。待负载容量及功率因数满足测试条件时，用电力谐波分析仪观察UPS的输出电压、频率及电压波形失真度是否达到标准要求。测试电路中电阻R的允许耗散功率WR应满足于WR>U/Z×R，电感线圈导线截面积可按5A/mm2参考计算。
二极管整流非线性负载的测试电路如图(4)所示。图中电阻RS是模拟电源线的压降，同时也可通过调节RS、电容C及负载电阻RL的值使非线性负载的功率因数在小范围内变化。当RL与C的时间常数为0.15s、RS上的功率是视在功率的4%时，此非线性负载的功率因数为0.7。当UPS输出容量及非线性负载的功率因数满足测试条件时，用电力谐波分析仪观察UPS的输出电压、频率及电压波形失真度是否达到标准要求。
每个交流用电负载视其阻抗特性的不同功率因数的表达方式也不相同，功率因数有两种表达方式即相移功率因数cosφ和失真功率因数PFD。
相移功率因数一般产生在线性负载上，如容性或无铁芯电感负载等。由于负载上正弦电压与正弦电流的相位不同而产生了相移功率因数，相位角φ的余弦值即为相移功率因数。如图1所示。从图中可看出电压u与电流I虽然有相位差，但两者都是正弦波，电流波形中没有由于负载所引起的附加谐波电流。
失真功率因数主要产生在二极管整流、可控硅整流和带有铁芯的感性非线性负载上。二极管整流及铁芯感性非线性负载上的相移功率因数一般都比较高，如交流异步电动机的相移功率因数一般在0.9左右，二极管整流非线性负载的相移功率因数一般可达0.98～0.99。但由于这两种负载工作时会产生较大的谐波电流，如图2所示。由于负载中有谐波电流而没有与之对应的谐波电压，所以谐波电流在输入电压的一个周期内的平均功率为零，谐波电流只是在UPS输出端与负载之间进行无功交换。尤其是二极管整流非线性负载产生的谐波电流与基波电流几乎相等。
失真功率因数的定义为：
PD=VI1/VIT=I1/IT=I1/√I12+I22+I32+I42+……
……………(1)
式中I1—基波电流的有效值;
IT—包含基波电流在内的总谐波电流有效值;
由式(1)可看出当不含基波电流I1在内的各次基波电流有效值为零时，失真功率因数PFD=1。二极管整流非线性负载的失真功率因数PFD=0.6～0.7，由式(1)可以推算出除基波以外的各次谐波电流有效值之和是基波电流有效值的1.02～1.33倍。
当用电负载的电压与电流既有相位差φ又有谐波电流时的功率因数称为总功率因数PFT。总功率因数PFT与相移功率因数cosφ和失真功率因数PFD之间的关系为：
PFT=cosφ×PFD
……………(2)
公式(2)适用于各种类型的负载。UPS所标明的输出功率因数即为总功率因数PFT，也有用cosφ来表示UPS的总功率因数，这只能说是对cosφ功率因数的一种广义理解。UPS即然是重要的交流供电设备就应该满足不同阻抗特性或针对某种阻抗特性负载的要求。即在提供有功功率的同时还必须提供负载所需要的无功功率。所以UPS的输出功率因数不仅是用来表明输出有功功率的指标，同时还是表示UPS输出无功功率的指标。经大量的测试发现，确有一些小容量(3kVA～5kVA)的UPS用阻性负载测试时，其输出有功功率和输出电压波形失真度均符合标准要求。但改用与其输出功率因数相符合的二极管整流非线性负载测试时，UPS不但显示过载告警而且输出电压波形失真度明显增加，同时UPS产生电磁振荡及啸叫声。这种现象说明UPS不足以提供负载所需的谐波电流，导致UPS与负载都不能正常工作。
由此可见，在考核UPS输出能力时不能只用阻性负载测试UPS的输出有功功率，还需用与UPS输出功率因数相适应的二极管整流非线性负载、带有铁芯的感性负载和电容性负载分别进行输出功率因数的测试。只有这样才能全面考核UPS对各种阻抗特性的负载的驱动能力。
失真功率因数主要产生在二极管整流、可控硅整流和带有铁芯的感性非线性负载上。二极管整流及铁芯感性非线性负载上的相移功率因数一般都比较高，如交流异步电动机的相移功率因数一般在0.9左右，二极管整流非线性负载的相移功率因数一般可达0.98～0.99。但由于这两种负载工作时会产生较大的谐波电流，如图2所示。由于负载中有谐波电流而没有与之对应的谐波电压，所以谐波电流在输入电压的一个周期内的平均功率为零，谐波电流只是在UPS输出端与负载之间进行无功交换。尤其是二极管整流非线性负载产生的谐波电流与基波电流几乎相等。
对于通信行业所使用的UPS的主要容量负载为管整流非线性负载，所以对UPS输出能力测试时使用二极管整流非线性负载是较接近UPS实际使用状态的。
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