簡(jiǎn)述UPS電源系統的可用性設計

前言

程控交換機、數據通訊處理系統、計算機、通信基站、安防監控系統等設備在運行中要求交流供電系統不能停電，為了提高這些設備工作的可靠性和可維護性，很多企業(yè)都對其配備了UPS電源系統。UPS(即Uninterruptible Power )電源系統由整流器、儲能裝置、逆變器和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等幾部分組成。目前，國內外市場(chǎng)上有很多種類(lèi)的UPS系統，其主要功能與原理基本相同。

UPS主要由整流系統、儲能系統、變換系統和開(kāi)關(guān)控制系統四個(gè)部份組成，在電力供電系統供電時(shí)整流系統就是一個(gè)將交流電(AC)轉化為直流電(DC)的裝置，經(jīng)濾波穩壓后供給逆變器或者給儲能系統充電，起到充電器的作用。儲能系統是UPS用來(lái)儲存電能的裝置，它由若干個(gè)蓄電池串聯(lián)而成，電池容量的大小決定了其維持放電(供電)的時(shí)間。儲能系統的主要功能是在電力供電系統正常時(shí)，將電能轉換成化學(xué)能儲存在電池內部;在電力供電系統故障時(shí)，將化學(xué)能轉換成電能提供給逆變器或負載。變換系統是一種將直流電(DC)轉化為交流電(AC)的裝置，它由逆變橋、控制邏輯電路和濾波電路組成。

對于可維修的系統來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)可用性的指標，其定義是

A = MTBF / (MTBF + MTTR)

其中A是一個(gè)百分比指標，MTTR值得是平均故障修復時(shí)間。如果系統出現故障時(shí)可以非?？焖俚幕謴?，那么系統的可用性指標就比較高。對于電網(wǎng)這類(lèi)對象來(lái)說(shuō)，使用可用性指標可以更加直觀(guān)的衡量其可靠程度。而對于在關(guān)鍵場(chǎng)合經(jīng)常使用并聯(lián)冗余配置來(lái)說(shuō)，可用性指標比可靠性指標更具有現實(shí)意義。

可靠性/可用性指標都是統計意義上的概念，一個(gè)電源系統的可靠性/可用性與構成系統的各個(gè)模塊的可靠性/可用性之間也存在統計意義上的關(guān)聯(lián)。

假設電源系統中存在兩個(gè)電源模塊，而這兩個(gè)模塊是并聯(lián)工作的，其中一個(gè)和另外一個(gè)是互相獨立的，見(jiàn)下面圖中所示

那么考察這兩個(gè)模塊組合起來(lái)的系統的可用性Asys與每個(gè)模塊各自的可用性A1與A2的關(guān)系就有

Asys = 1 – (1 – AFR1)×(1 – AFR2)

另外一種可能是系統中這兩個(gè)模塊是串聯(lián)的，見(jiàn)下面圖中所示

那么這兩個(gè)模塊組合起來(lái)的系統的可用性Asys與每個(gè)模塊各自的可靠性A1,A2的關(guān)系就有

Asys = A1×A2

由于可用性肯定是處于0~1之間的數值，因此兩個(gè)并聯(lián)模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個(gè)串聯(lián)模塊的可用性要低于各自的可用性。

UPS電源的可靠性

從單個(gè)UPS的設計來(lái)說(shuō)，可以把整個(gè)產(chǎn)品按照模塊進(jìn)行劃分，下面圖中是一個(gè)典型的UPS系統結構圖

從圖中可以看到，UPS各個(gè)模塊之間的依賴(lài)關(guān)系比較復雜，但是還是可以分出串并聯(lián)的關(guān)系如下

輔助電源與所有其他模塊都是串聯(lián)的，因此輔助電源的可用性直接限制了系統能夠達到的最高可用性等級;

控制模塊與除輔助電源之外的其他模塊也都是串聯(lián)的，因此控制模塊的可用性也會(huì )直接影響到系統總體可用性設計;

對于負載端來(lái)說(shuō)，能夠直接相連的只有旁路模塊與逆變模塊，而這兩個(gè)模塊是并聯(lián)的;

PFC/整流模塊與電池升壓模塊是并聯(lián)的，之后再與逆變模塊串聯(lián);

從能源提供者來(lái)講，這里旁路電源與市電電源是兩路獨立的電源，而電池能源是由市電經(jīng)過(guò)充電模塊提供的。如果充電模塊故障的話(huà)電池就沒(méi)有能量存儲，實(shí)際上也無(wú)法實(shí)現正常的UPS功能，因此市電-充電模塊-電池也是串聯(lián)的。這樣可以畫(huà)出整個(gè)UPS系統的可用性串并聯(lián)路徑圖

從這一路徑關(guān)系里可以看到，總共存在3條并聯(lián)的路徑，而每一條路徑各自又是由數個(gè)模塊串聯(lián)起來(lái)的。正與前面分析的一樣，輔助電源與控制模塊的可用性是串聯(lián)在所有通路上的，因此如果這兩者設計有缺陷的話(huà)UPS的可用性是無(wú)法做的很高的。電池回路串聯(lián)有最多的模塊數量，也是可用性最低的一條路徑。

要提升系統的可用性首先要提升關(guān)鍵路徑的可用性。從路徑圖上可以看到就是控制模塊與輔助電源。輔助電源是整個(gè)UPS的關(guān)鍵點(diǎn)，如果輔助電源不工作整個(gè)UPS都將癱瘓。提升輔助電源可用性的方式可以有很多種方案：一種是改進(jìn)設計，提升MTBF;一種是對輔助電源也適用并聯(lián)冗余設計，提升可用性;再一種是對UPS的三條可用性路徑分別使用不同的輔助電源，相當于把原來(lái)完全串聯(lián)的路徑改成并聯(lián)。在UPS設計中可以混合使用這幾種方式，由于上面三條可用性通路是并聯(lián)的，而旁路通路本身是可用性最高的一條，因此最為推薦的設計就是優(yōu)先提升旁路的可用性，對旁路單獨使用一套輔助電源供電，并且這套電源的盡量采用簡(jiǎn)單的設計，以擁有高的MTBF。

控制模塊同樣也是影響到所有路徑的關(guān)鍵點(diǎn)，也必須擁有高的可用性。參照輔助電源的處理方法，也可以給相對獨立的旁路路徑配備單獨的控制模塊，并且通過(guò)與其余控制功能協(xié)調工作來(lái)達到高可用性的目的。同樣，旁路上的控制模塊也要盡量簡(jiǎn)單，以提升可靠性。一種推薦的做法是旁路控制模塊不斷的檢測UPS主控制模塊的狀態(tài)，如果發(fā)現主控制模塊，則自動(dòng)切換到旁路方式。此外，對于主控制模塊來(lái)說(shuō)也可以通過(guò)冗余的方式來(lái)提升可用性，比如采用雙MCU結構，當一個(gè)MCU檢測到另外一個(gè)MCU發(fā)生故障時(shí)可以接管另一個(gè)MCU的功能，或者采取緊急措施如轉旁路來(lái)保證負載不斷電。

對于UPS來(lái)說(shuō)，電池是保證UPS能夠在市電或者旁路斷電發(fā)生時(shí)繼續維持供電的關(guān)鍵，但是串聯(lián)環(huán)節最多，也恰恰是可用性最為薄弱的環(huán)節。一般電池規格書(shū)里面會(huì )說(shuō)明充電電流不要超過(guò)0.15CC,這就意味著(zhù)電池在UPS滿(mǎn)載放電放完之后要用數倍的時(shí)間才能重新充滿(mǎn)，從這個(gè)意義上講其可用性一般都在20%以下。但是由于電池并不是連續工作的，只要在電池放完前市電恢復，在重新充電的過(guò)程中也沒(méi)有再發(fā)生斷電，那么負載仍然不會(huì )受到影響。從這方面來(lái)看，電池的可用性在只會(huì )發(fā)生短時(shí)間的斷電情況下還是很高的。

再重新來(lái)審視電池回路的可靠性，在電池與市電之間還有一個(gè)充電器模塊環(huán)節。如果充電器損壞則電池在一次放完電之后就無(wú)法再充回，導致下一次市電停電時(shí)負載斷電。但是充電器只是在電池需要充電時(shí)才會(huì )工作，因此如果能夠及時(shí)對充電器的狀態(tài)進(jìn)行監控，在發(fā)現充電器異常時(shí)及時(shí)報警，就能夠避免充電器故障帶來(lái)的問(wèn)題，從而提升整個(gè)UPS的可用性。對于電池也有一樣的手段。電池在使用多次之后也會(huì )面臨容量下降和失效的問(wèn)題，但是如果能夠通過(guò)電池狀態(tài)監控發(fā)現電池失效并及時(shí)更換，也能夠有效提升UPS的可用性。

UPS系統的可靠性

使用UPS電源系統時(shí)，不僅要定期對各主要元件進(jìn)行檢查，還要對UPS電池組的各個(gè)電池單元端電壓與內阻進(jìn)行檢測。若發(fā)現其電池組的某個(gè)電池單元的端電壓差值>0.4 V或者內阻>0.08Ω的時(shí)候，就應該斷開(kāi)工作異常的電池單元與電池組的連接導線(xiàn)，使用外置的獨立充電器對工作異常的電池單元進(jìn)行單獨充電，將其充電電壓(對12V蓄電池而言)保持在13.5~13.8 V之間，充電時(shí)間控制在10~12h.需要注意的是，UPS電源在使用過(guò)程中，電池組內的各個(gè)電池單元的充電會(huì )不一致，可能產(chǎn)生電池單元端電壓以及電池內阻的不平衡。這些是無(wú)法依靠UPS電源系統內部充電回路對其充電而得到消除和校正的，若不及時(shí)對不平衡電池單元進(jìn)行脫機均衡充電的話(huà)，可能導致上述問(wèn)題更加嚴重。

為了解決這一瓶頸，可以在UPS系統中加入一個(gè)特性和電池互補的備用電源：在市電斷電時(shí)的不需要很快反應，但是在長(cháng)時(shí)間停電條件下能夠持續提供電力，燃油發(fā)電機組就是最為合適的一個(gè)選擇。因此在UPS系統配置上可以加入一個(gè)自動(dòng)切換裝置，在市電停電后切換到發(fā)電機組。這樣一來(lái)能夠極大的提升長(cháng)時(shí)間斷電條件下UPS系統的可用性。如此則UPS系統的可用性路徑就成為

雖然在可用性路徑里面多串聯(lián)了一個(gè)市電與發(fā)電機切換用的ATS，增加了單調路徑發(fā)生故障的概率，但是相對長(cháng)時(shí)間斷電帶來(lái)的可用性問(wèn)題來(lái)說(shuō)還是值得的。