電源：UPS的性能分類(lèi)與標準化UPS系統結構

標簽：不間斷電源 UP 電源系統

0 引言

不間斷電源設備(UPS)是一種電子電源系統，其基本功能是當市電電源發(fā)生故障時(shí)，不間斷地為用戶(hù)設備提供符合規定的交流電源。當市電電源停電時(shí)，UPS將轉換為由蓄電池供電的工作方式，在規定時(shí)間內向用戶(hù)設備供電。當市電電源較長(cháng)時(shí)間停電時(shí)，UPS需要由備用發(fā)電機組供電，繼續不間斷地為負載供電。此外，在市電正常的情況下，UPS將市電電源進(jìn)行適當的變換和調節，從而抑制市電電源的各種干擾;為負載提供高質(zhì)量的交流電源。因此，UPS還具有改善市電質(zhì)量的功能。

UPS的負載是被視為關(guān)鍵性的或重點(diǎn)保護的設備。這些關(guān)鍵性負載包括數據處理、計算機和通信系統之類(lèi)的設備等等。 為滿(mǎn)足不同類(lèi)型的負載對供電連續性和供電質(zhì)量要求，現已開(kāi)發(fā)出功率范圍從不足百瓦至數兆瓦的各種型式的靜態(tài)UPS。

靜態(tài)UPS主要有三種典型的電路結構，長(cháng)期以來(lái)被稱(chēng)為：在線(xiàn)UPS (on line UPS)、離線(xiàn)UPS(off line UPS)和在線(xiàn)互動(dòng)UPS(line interactive UPS)。但是，這些UPS名稱(chēng)對其工作原理的表述是不準確的，很容易引起混淆。為了避免混淆，國際標準IEC62040-3 重新規定了UPS新的名稱(chēng)：雙變換UPS (double conversion UPS)、冷備用UPS(passive standby UPS)、市電交互UPS(line interactive UPS)。

“離線(xiàn)UPS(off line UPS)”，其本來(lái)的含義是：逆變器在正常情況下，不向負載供電，而是由市電電源向負載供電。只有當市電交流輸入電壓超出允差時(shí)，逆變器才向負載供電。然而，術(shù)語(yǔ)“離線(xiàn)(off-line)”也有“不在市電電源上(not-on-the-mains)”之意，即正常情況下市電不向負載供電。而實(shí)際上，在正常情況下，負載是由市電電源供電的。為了防止這種定義的混淆，IEC62040-3明確提出，不使用“離線(xiàn)UPS(off line UPS)”這一術(shù)語(yǔ)，而使用“冷備用UPS(passive standby UPS)”術(shù)語(yǔ)。

“在線(xiàn)UPS(on line UPS)”，意思是不論市電交流輸入電源情況如何，負載始終由逆變器供電。但是，術(shù)語(yǔ)“在線(xiàn)(on-line)”也可以理解為在市電電源上(on-the-mains)，即負載由市電供電(這與實(shí)際情況相反)。為了防止定義的混淆，IEC62040-3明確提出，應避免使用 “在線(xiàn)UPS”這一術(shù)語(yǔ)，而只使用“雙變換UPS”術(shù)語(yǔ)。

在線(xiàn)互動(dòng)UPS(line interactive UPS)的漢語(yǔ)名稱(chēng)與英語(yǔ)名稱(chēng)不符，因為line 不是on line ，所以不是“在線(xiàn)”。實(shí)際上line 是指市電(the mains)。因此，“line interactive UPS” 應譯為“與市電交互UPS”，或“與市電互動(dòng)UPS” 。

此外，由于雙變換UPS (double conversion UPS)(即老名稱(chēng)“在線(xiàn)UPS”)被公認為實(shí)際性能最好的UPS 系統。在市場(chǎng)競爭中，出現了一些奇怪UPS的名稱(chēng)，例如，“準在線(xiàn)UPS(quasi online ups)”、“半在線(xiàn)UPS(semi　online ups)”、“真在線(xiàn)UPS(true online ups)”、“在線(xiàn)均分技術(shù)(online-sharing technology)”等等。相關(guān)UPS廠(chǎng)家提出這些UPS名稱(chēng)的目的是試圖讓用戶(hù)相信其UPS產(chǎn)品是雙變換UPS。實(shí)際上，這些產(chǎn)品并不是雙變換UPS，不能提供用戶(hù)所希望的性能和可靠性。

針對這種情況，IEC62040-3 除了廢除不科學(xué)、不適當的老的UPS名稱(chēng)、規定了新的UPS名稱(chēng)外，還提出了UPS 按性能分類(lèi)的方法。這個(gè)分類(lèi)方法基于UPS輸出電壓和輸出頻率與UPS 輸入電源的參數的關(guān)系，提出了UPS 性能分類(lèi)代碼。按性能分類(lèi)的目的是提供一個(gè)共同的基礎，使用戶(hù)可以在相同條件下，對額定功率相近的不同廠(chǎng)家的UPS產(chǎn)品進(jìn)行比較。

符合IEC62040-3國際標準的UPS將由廠(chǎng)家按規定進(jìn)行性能分類(lèi)代碼的標識。用戶(hù)一般應避免采用未標識性能分類(lèi)代碼的UPS產(chǎn)品。

我國國標GB7260 已等效采用IEC62040-3國際標準，今后國產(chǎn)UPS 產(chǎn)品也應標識UPS 性能分類(lèi)代碼。在進(jìn)行UPS 選型時(shí)應注意選用已標識UPS 性能分類(lèi)代碼的UPS。

本文闡述IEC62040-3(和GB7260)規定的UPS 的性能分類(lèi)方法和標準化的UPS 系統結構。并介紹高可用度的并聯(lián)冗余UPS 和分布冗余UPS。

1 UPS 性能分類(lèi)代碼

UPS 性能分類(lèi)代碼由三部分組成。(例如 VFI-SS-123 ，這是分類(lèi)代碼的一個(gè)例子)

最前面的三個(gè)字符規定在正常工作方式下的電源質(zhì)量。表示UPS輸出電壓和頻率與交流輸入電源(市電)電壓和頻率的關(guān)系。

中間的兩個(gè)字符規定在正常工作方式(包括暫時(shí)的靜態(tài)旁路工作)和儲能方式下的輸出電壓波形。表示是正弦波或非正弦波。

最后三個(gè)字符規定在不同條件下UPS瞬態(tài)輸出電壓性能。表示是否符合標準規定的瞬態(tài)電壓性能。

1.1　電源質(zhì)量的分類(lèi)選項(三個(gè)字符或兩個(gè)字符)

以下各選項均表示在正常工作方式下的電源質(zhì)量?？梢詾閂FI，VFD，VI。

• VFI：　表示這種UPS的輸出與市電電源的電壓和頻率無(wú)關(guān)。

• VFD： 表示這種UPS的輸出取決于與市電電源的電壓和頻率變化。

• VI：　 表示這種UPS的輸出(頻率)取決于市電電源的頻率變化。輸出電壓與市電電壓無(wú)關(guān)

1.2　輸出電壓波形的分類(lèi)選項(兩個(gè)字符)

第一個(gè)字符表示在正常和旁路方式下的輸出電壓波形?？梢詾镾，X，Y。

第二個(gè)字符表示在儲能方式下的輸出電壓波形?？梢詾镾，X，Y。

• S： 表示在所有線(xiàn)性和基準非線(xiàn)性負載條件下，輸出波形均為正弦波，其總諧波失真因數 D小于0.08 。

• X： 表示在線(xiàn)性負載條件下，輸出波形均為正弦波(與S相同)，在非線(xiàn)性負載條件下(如果超過(guò)規定的極限)，其總諧波失真因數 D大于0.08 。

• Y： 輸出波形是非正弦波。

1.3　瞬態(tài)電壓性能的分類(lèi)選項(三個(gè)字符)

第一個(gè)字符表示改變工作方式時(shí)的輸出電壓瞬態(tài)性能?？梢詾?，2，3。

第二個(gè)字符表示在正常/儲能方式下，帶線(xiàn)性階躍負載時(shí)的輸出電壓瞬態(tài)性能(最不利的情況) ?？梢詾?，2，3。

第三個(gè)字符表示正常/儲能方式下，帶基準非線(xiàn)性階躍負載時(shí)的輸出電壓瞬態(tài)性能(最不利的情況) ?？梢詾?，2，3。

• 1： 表示瞬態(tài)電壓≤ 圖 1 的1類(lèi)輸出動(dòng)態(tài)性能數據(無(wú)中斷或無(wú)零電壓出現)。

• 2： 表示瞬態(tài)電壓≤ 圖2 的2類(lèi)輸出動(dòng)態(tài)性能數據(輸出電壓為零持續1ms)。

• 3： 表示瞬態(tài)電壓≤ 圖3 的3類(lèi)輸出動(dòng)態(tài)性能數據(輸出電壓為零持續10ms)。

圖1　1類(lèi)輸出動(dòng)態(tài)性能

圖2　2類(lèi)輸出動(dòng)態(tài)性能

圖3　3類(lèi)輸出動(dòng)態(tài)性能

1.4　完整的UPS分類(lèi)代碼

下面是典型的UPS完整的分類(lèi)代碼：

電源質(zhì)量　　　 輸出波形　　　 輸出動(dòng)態(tài)性能

VFI　　 —　　　　SS　　 —　　　111

VI　　　—　　　　SX　　 —　　　222

VFD　　—　　　　SY　　 —　　　333

實(shí)際的UPS產(chǎn)品的性能分類(lèi)代碼舉例：

Powerware 9370 ：VFI-SS-111

Powerware PB4000(BORRI 4000)：VFI-SS-111

Socomec DELPHYS MP：VFI-SS-111

AEG/SAFT SVS Power System：VFI-SS-111

2 UPS 系統結構

2.1　UPS性能分類(lèi)代碼與UPS內部結構

綜上所述，UPS 按性能分類(lèi)，可分為三類(lèi)，用代碼表示為：

VFI 　 (UPS的輸出與市電電源的電壓和頻率無(wú)關(guān))

VFD 　(UPS的輸出電壓和頻率取決于與市電電源的電壓和頻率)。

VI　 (UPS的輸出(頻率)取決于市電電源的頻率變化。輸出電壓與市電電壓無(wú)關(guān))

然而，實(shí)際上，UPS按性能分類(lèi)的VFI、VI、VFD與按UPS內部電路結構分類(lèi)的雙變換、市電交互、冷備用單機UPS系統是密切相關(guān)的。

UPS性能分類(lèi)代碼表示的是UPS輸出電壓和頻率與市電電源的關(guān)系、輸出波形和動(dòng)態(tài)性能，這些性能和功能指標都是與UPS單機系統結構有關(guān)的。

在前面給出的完整UPS性能分類(lèi)代碼的例子中 ，VFI-SS-111，VI-SX-222，VFD-SY-333和單機UPS系統的對應關(guān)系如下：

2.1.1 VFI-SS-111，雙變換UPS

性能分類(lèi)代碼VFI-SS-111表示UPS輸出電壓和頻率與市電電壓、頻率無(wú)關(guān)。要達到這個(gè)要求，必須在正常方式下，通過(guò)直流中間環(huán)節再生一個(gè)交流電源。這種UPS技術(shù)就是雙變換UPS，它也能滿(mǎn)足對正弦波輸出波形和1類(lèi)輸出動(dòng)態(tài)性能(圖1)的要求。

2.1.2 VI-SX-222，市電交互UPS

性能分類(lèi)代碼VI-SX-122表示UPS輸出電壓與市電電源電壓無(wú)關(guān)，但輸出頻率與市電頻率有關(guān)。

這種UPS技術(shù)就是市電交互UPS。其輸出電壓可以調節到某個(gè)極限內，可以認為UPS 輸出與市電電壓無(wú)關(guān)，但輸出頻率取決于市電頻率。這種UPS在正常方式下不需要直流中間環(huán)節。這種UPS在工作方式轉換時(shí)不能滿(mǎn)足1類(lèi)輸出動(dòng)態(tài)性能的要求，只能滿(mǎn)足輸出2類(lèi)動(dòng)態(tài)性能(圖2)的要求。