電源：UPS的性能分類(lèi)與標準化UPS系統結構

2.1.3 VFD-SY-333，冷備用UPS

性能分類(lèi)代碼VFD-SY-333表示UPS輸出電壓和頻率取決于市電電源電壓和頻率。在正常方式下，市電電源的各種干擾都會(huì )影響到負載。這種UPS技術(shù)就是冷備用UPS。這種UPS在市電故障時(shí)，啟動(dòng)逆變器，負載由機械開(kāi)關(guān)轉換到逆變器供電，轉換時(shí)間大約4～8ms。因此，只能滿(mǎn)足3類(lèi)輸出動(dòng)態(tài)性能(圖3)的要求。

VFI-SS-111，VI-SX-222，VFD-SY-333對應的單機UPS系統及其特點(diǎn)如表1 所示。

表1　IEC 62040規定的UPS分類(lèi)與其對應UPS 系統

下面簡(jiǎn)單介紹這三種標準化單機UPS的系統結構及特點(diǎn)。

2.2　冷備用UPS (passive standby UPS)

冷備用UPS如圖4所示。這種UPS 有正常和儲能兩種工作方式。

在正常工作方式下，負載由市電電源經(jīng)UPS開(kāi)關(guān)直接供電。也可以采用一些附加設備(例如鐵磁諧振變壓器或自動(dòng)改變抽頭的變壓器)對輸入電源進(jìn)行簡(jiǎn)單的調節后為負載供電。整流器給蓄電池充電。

當交流輸入電源指標超出UPS的預定允差時(shí)， UPS轉入儲能工作方式，啟動(dòng)逆變器，負載由蓄電池經(jīng)逆變器直接或通過(guò)UPS開(kāi)關(guān)(電子開(kāi)關(guān)或機械開(kāi)關(guān))供電。從市電供電向蓄電池供電的轉換過(guò)程將引起4～8ms 的中斷時(shí)間。

蓄電池/逆變器組合將一直為負載供電到蓄電池放電終止?；蛘吖╇姷浇涣鬏斎腚娫椿謴?，負載轉換回由輸入交流電源供電。(以先到者為準)

這種UPS是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟的UPS。但是有一些嚴重的缺點(diǎn)，(1)負載沒(méi)有與市電電源的干擾隔離。(2)市電停電時(shí)負載轉換為由逆變器供電的過(guò)程中供電中斷時(shí)間較長(cháng)，對許多重要的應用場(chǎng)合(特別是IT系統)是不適合的。(3)在正常工作方式下輸出電壓和頻率沒(méi)有調節，取決于市電的電壓和頻率。

因此這種UPS僅適用于小容量系統。

圖4　冷備用UPS

2.3　市電交互UPS (line interactive UPS)

2.3.1　典型的市電交互UPS

市電交互UPS如圖5所示，系統由電源接口電路、逆變器、蓄電池、UPS開(kāi)關(guān)等所組成。接口電路包括靜態(tài)開(kāi)關(guān)和電感(扼流圈)。逆變器是雙向變換器，即有市電時(shí)將市電交流電整流為直流電給蓄電池充電;市電停電時(shí)將蓄電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟姙樨撦d供電。

市電交互UPS有三種工作方式：正常方式、儲能方式和旁路方式。

在正常方式下，交流輸入電源(市電)與逆變器并聯(lián)、相互作用向負載供電，逆變器進(jìn)行輸出電壓的調節，交流輸入電源(市電)供給負載電流，并給蓄電池充電。系統輸出頻率等于交流輸入電源的頻率。因為逆變器的輸出頻率必須與市電頻率相同，才能通過(guò)控制逆變器與市電之間的相位角，使兩者相互作用，向負載提供穩定的電源，并實(shí)現對蓄電池的充電。因此，稱(chēng)為市電交互UPS。

當交流輸入電源電壓超出UPS預定的允差時(shí)，UPS工作在儲能方式。

在儲能方式下，負載由蓄電池通過(guò)逆變器繼續為負載供電。此時(shí)電源接口電路中的靜態(tài)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，以防止逆變器電源反饋到市電電源。蓄電池/逆變器組合一直為負載供電到蓄電池放電終止?；蛘吖╇姷浇涣鬏斎腚娫椿謴?，負載轉換回由輸入交流電源供電。

旁路方式是指在UPS故障或過(guò)載時(shí)，負載切換到由旁路電源供電。

市電交互UPS的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，提供了輸出電壓的調節。市電交互UPS的缺點(diǎn)：(1)負載沒(méi)有與市電電源的干擾真正的隔離。(2)不能進(jìn)行輸出頻率的控制，輸出頻率取決于市電頻率。(3)輸出電壓調節性能一般，因為輸出電壓的調節是通過(guò)市電與逆變器并聯(lián)完成的。

圖5　市電交互UPS

2.3.2　 Delta 變換UPS(Delta conversion UPS)

Delta 變換UPS是20世紀90年代研制開(kāi)發(fā)的一種性能優(yōu)良的，在系統結構和電能變換上引入了新的概念，在某些技術(shù)性能指標上獲得了突破性進(jìn)展的UPS。該項技術(shù)至今在國際上仍有爭議，IEC62040 也沒(méi)有明確規定Delta 變換UPS。

根據國際標準IEC62040-3關(guān)于UPS性能分類(lèi)的規定，國際上UPS 行業(yè)多數意見(jiàn)認為Delta 變換UPS屬于市電交互UPS，或者是市電交互UPS的一種變形，因為其輸出頻率取決于市電電源的頻率，性能分類(lèi)代碼為VI。

Delta 變換UPS的系統組成如圖6所示，包括兩個(gè)逆變器、交流輸入開(kāi)關(guān)、Delta 變壓器和旁路開(kāi)關(guān)等。其中一個(gè)逆變器稱(chēng)為Delta 逆變器，另一個(gè)稱(chēng)為主逆變器。Delta 逆變器的額定容量為負載容量的30%，主逆變器的額定容量為負載容量的100%。Delta 變壓器的原邊繞組串聯(lián)接在市電和UPS 輸出之間。Delta 逆變器和主逆變器都是雙向變換器，它們可以將交流電變?yōu)橹绷麟?，同時(shí)有可以將直流電變?yōu)榻涣麟姟?p>主逆變器是恒壓源，它精確控制功率平衡點(diǎn)(PBP)的電壓大小和電壓波形。因此在Delta 變壓器的原邊繞組兩端的電壓等于市電交流輸入電壓和功率平衡點(diǎn)上的固定電壓的差值。Delta 變壓器原邊繞組的電壓控制副邊繞組的電壓。

Delta逆變器是可變電流源。Delta 變壓器 邊繞組的電流取決于Delta逆變器輸出電流。Delta 變壓器 邊電流是由副邊電流調節的。原邊電流的波形還取決于副邊電流的波形。Delta 逆變器的作用是在Delta變壓器副邊繞組中產(chǎn)生適當的電流，以控制市電輸入到原邊繞組的電流。Delta 逆變器還可以控制市電輸入電流波形，使之為正弦波且與電壓同相位，因此可以將輸入功率因數控制到接近1。負載電流中的諧波電流由主逆變器供給。

Delta 變換UPS 的工作方式如下：

(1)在正常情況下(市電電壓的變化在額定電壓的±15%以?xún)?負載由市電經(jīng)Delta 變壓器的原邊繞組供電，主逆變器將PBP平衡點(diǎn)的電壓控制到額定電壓。根據市電電壓變化范圍，有下面三種不同的情況。

A.當市電電壓等于PBP處的電壓時(shí)，Delta 變壓器的原邊和副邊繞組電壓均等于零，無(wú)任何功率變換。

B.市電電壓低于PBP的電壓時(shí)(例如-15%)，Delta 變換UPS從系統輸出端吸取一定的功率經(jīng)主逆變器、Delta 逆變器進(jìn)行整流、逆變兩次變換，以控制Delta 變壓器的副邊繞組的電流，使從市電輸入的電流增大，以滿(mǎn)足負載的功率需求。在這種情況下Delta 變壓器的原副邊都有電壓和電流，因此有功率變換。這個(gè)變換是從副邊至原邊的變換。

圖6　Delta 變換UPS

C.市電電壓高于PBP的電壓時(shí)(例如+15%)，為了保持功率平衡，Delta 逆變器應減小輸入電流。但是負載經(jīng)PBP從市電得到的功率不能滿(mǎn)足負載需要。Delta 變換UPS從Delta 變壓器吸取一定的功率經(jīng)Delta 逆變器、主逆變器進(jìn)行整流、逆變兩次變換，最后經(jīng)PBP供給負載。由直接市電供給的功率和經(jīng)變換后供給負載的功率正好滿(mǎn)足負載的需要。在這種情況下Delta 變壓器的原副邊都有電壓和電流，因此有功率變換。這個(gè)變換是從原邊至副原邊的變換。

蓄電池充電的情況：市電電壓在±15%范圍內變化時(shí)，都可以給蓄電池充電?？刂品椒ㄈ缦拢篈.　市電電壓等于或低于PBP點(diǎn)的電壓時(shí)，控制Delta變壓器副邊電流，使從市電吸取的、送到PBP的電流比負載需要的大，多余的電流即通過(guò)主逆變器內部的回掃二極管到達DC母線(xiàn)，給蓄電池充電。

B.　市電電壓高于PBP點(diǎn)的電壓時(shí)，市電輸入電流仍控制為保持市電電壓為額定值時(shí)的電流，此時(shí)的市電輸入功率大于負載需要的功率。負載僅從市電吸取所需要的功率，其剩余功率流過(guò)Delta變壓器原邊耦合到副邊，再經(jīng)Delta 變換器內部的回掃二極管整流到達DC母線(xiàn)，給蓄電池充電。

(2)市電停電時(shí)或電壓變化超出±15%，負載由蓄電池經(jīng)主逆變器供電。此時(shí)主靜態(tài)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

(3)Delta 變換UPS 系統故障時(shí)，負載經(jīng)旁路由市電直接供電。

2.4 　雙變換UPS (Double conversion UPS)

雙變換UPS如圖7所示，由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等所組成。雙變換UPS有正常、儲能和旁路三種工作方式。

在正常工作方式下，整流器將市電交流電整流為直流電，供給逆變器，同時(shí)給蓄電池充電。逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┙o負載。因為將負載功率進(jìn)行了整流和逆變兩次變換，故這種UPS稱(chēng)為雙變換UPS。

當市電電源停電時(shí)或電壓和頻率指標超出允差時(shí)，雙變換UPS將轉入儲能方式，由蓄電池經(jīng)逆變器不間斷地為負載繼續供電。

當UPS 的功能部件故障時(shí)或UPS 過(guò)載時(shí)，靜態(tài)轉換開(kāi)關(guān)將負載直接連接到市電電源(旁路電源)，由市電電源供電，即工作于旁路方式。

雙變換UPS的優(yōu)點(diǎn)：

(1)雙變換UPS的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現了負載與市電電源干擾的完全隔離，在任何情況下都能為負載提供電壓和頻率穩定交流電源;(2)市電電源停電時(shí)UPS 轉換至儲能方式的過(guò)程中無(wú)供電中斷;(3)允許很寬的輸入電壓變動(dòng)范圍;(4)輸出電壓精度很高;

雙變換UPS的缺點(diǎn)是在正常方式下將100%負載的負載功率進(jìn)行了整流、逆變兩次變換，損耗較大，影響了系統效率的提高。

圖7　 雙變換UPS

2.5 　 UPS 的性能分類(lèi)與抑制市電電源干擾的能力

如前所述，UPS性能分類(lèi)代碼表示的是電源質(zhì)量，包括：(1)UPS輸出電壓、輸出頻率與市電輸入電源的電壓、頻率的關(guān)系;(2)UPS輸出電壓波形;(3)UPS輸出的動(dòng)態(tài)特性。此外，符合IEC62040規定的性能分類(lèi)代碼的各種UPS還具有不同程度的抑制市電電源干擾的能力。

最常見(jiàn)的市電電源干擾主要有以下10種：(1)電源停電(2)電壓下降(3)短時(shí)過(guò)壓(4)欠壓(5)雷電(6)過(guò)壓(7)電壓瞬變(8)頻率波動(dòng)(9)電壓波形失真(10)電壓諧波。

圖8示出性能分類(lèi)代碼為VFI、VI和VFD的UPS可以抑制的電源干擾。

最簡(jiǎn)單的UPS是VFD級UPS，即冷備用UPS。它能抑制前三種電源干擾，但在電源轉換過(guò)程中有供電中斷。因此只能用于允許短時(shí)供電中斷的負載。

對電壓穩定度要求較高的負載需要能抑制前五種電源干擾的VI級的UPS，這就是市電交互UPS。

對電源質(zhì)量和電壓穩定度要求最高的負載需要能抑制所有的市電電源干擾的VFI級UPS，這就是雙變換UPS。

圖8　市電電源干擾和UPS性能分類(lèi)代碼

3　冗余UPS 的系統結構

3.1 概述

IEC62040規定的各種單機UPS系統，從可靠性和功能性上來(lái)看，可以分別滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)合的需要。在小功率的應用場(chǎng)合，各種單機UPS系統都可以采用。在中、大功率的應用場(chǎng)合，可以采用雙變換UPS 系統。應該指出，僅僅滿(mǎn)足可靠性和功能性的要求還是不夠的，對于要求高可用度的應用場(chǎng)合，還應滿(mǎn)足可維性和故障容限的要求，以提高系統的可用度。

VFI級的雙變換UPS是性能最好、可靠性最高的UPS。但是，當UPS、蓄電池需要進(jìn)行預防性維護時(shí)，負載將被轉換到未經(jīng)調節的市電電源上，此時(shí)負載沒(méi)有與市電電源的各種各樣干擾隔離。一般來(lái)說(shuō)，雙變換UPS單機系統的預防性維護需要的時(shí)間是每年約2～4小時(shí)。因此，對于不能承受市電的各種干擾的負載而言，UPS的可用度僅為99.95% 。

此外，雙變換UPS單機系統沒(méi)有容量的冗余，不能保護內部模塊本身的故障。也不能保護設備的故障。因此，UPS 內部模塊、系統和配電均不能同時(shí)維護; 內部模塊和配電均無(wú)故障容限。

所以，雙變換UPS單機系統僅適用于允許UPS停機2～4小時(shí)進(jìn)行維護，在此期間可以由帶有各種干擾的市電電源直接供電的負載。對于要求更高的可用度的應用場(chǎng)合，雙變換UPS單機系統就不適用了。

為了提高UPS的可維護性和故障容限，應采用冗余UPS系統。冗余UPS系統有并聯(lián)冗余、備用冗余和隔離冗余UPS系統和分布冗余等。

值得說(shuō)明的是，UPS性能分類(lèi)代碼不反映UPS系統可用度的情況，因此，UPS 性能分類(lèi)代碼只與UPS單機系統有對應關(guān)系。如果要求較高的可用度，應采用由單機UPS組成的冗余UPS系統。冗余UPS性能分類(lèi)代碼與組成此冗余UPS 的單機UPS的性能分類(lèi)代碼相同。

下面僅介紹廣泛應用的并聯(lián)冗余UPS和正在不斷發(fā)展的分布冗余UPS。

3.2　并聯(lián)冗余UPS

并聯(lián)冗余UPS系統由兩個(gè)或多個(gè)單機UPS系統組成，各單機UPS系統的輸出并聯(lián)連接到一個(gè)公共的配電系統。系統一般按N+1個(gè)單機UPS系統配置，其中N個(gè)單機UPS系統就足以供給系統全部負載，再增加一個(gè)作為備用。因此，如果只有一個(gè)單機系統故障，N+1并聯(lián)冗余系統仍能正常工作。并聯(lián)冗余UPS 系統的可用度比單機UPS 系統的高得多。假設單機系統的可用度為三個(gè)9(0.999)，則1+1 并聯(lián)冗余系統的可用度可達到六個(gè)9(0.999999)。廠(chǎng)家一般承諾可以6臺UPS 并聯(lián)。但是，當并聯(lián)的單機UPS 系統的數目增大時(shí)，并聯(lián)冗余系統的可用度的提高的幅度會(huì )減小。N很大時(shí)，并聯(lián)冗余系統可用度的提高并不明顯。而且，在實(shí)際應用中，N　較大的N+1并聯(lián)冗余系統的故障率較高。所以，在投資允許的情況下應盡量采用1+1并聯(lián)冗余UPS系統。如果系統容量很大，必須采用N+1并聯(lián)冗余UPS系統時(shí)，應注意并聯(lián)的單機臺數不宜太多，建議N≤3。

并聯(lián)冗余UPS系統有四種工作方式：

(1) 正常方式

在正常工作時(shí)，所有N+1個(gè)單機UPS系統都同步運行并均分負載。如果一個(gè)單機UPS 系統故障自動(dòng)與并聯(lián)冗余系統上斷開(kāi)或或人為使其脫離系統進(jìn)行維護時(shí)，其余單機UPS系統可以不間斷地給負載供電。

(2) 儲能方式

市電停電時(shí)，各個(gè)UPS都由蓄電池放電供給逆變器，各個(gè)逆變器繼續并聯(lián)運行，不間斷地為負載供電。

(3)旁路方式

當UPS過(guò)載時(shí)，負載通過(guò)集中的靜態(tài)開(kāi)關(guān)或分散的靜態(tài)開(kāi)關(guān)被轉換到由旁路電源供電。

(4)維修旁路

如果UPS需要停機進(jìn)行維護，通過(guò)維修旁路開(kāi)關(guān)將負載轉換到由旁路電源供電。

并聯(lián)冗余UPS系統主要有兩種不同的系統結構形式，即直接并聯(lián)(分散的旁路)和通過(guò)并機柜并聯(lián)(集中的旁路)，如圖9A和圖9B 所示。此外，集中旁路還有幾種不同的形式，例如冗余旁路、雙旁路和多旁路等，本文不詳述。

圖9A　并聯(lián)冗余UPS系統(分散的旁路)

圖9B　并聯(lián)冗余UPS系統(集中的旁路)

3.3 分布冗余UPS

3.3.1　分布冗余UPS 的基本組成

上面介紹的各種冗余UPS系統與單機UPS系統相比已經(jīng)相當可靠了，但是電源系統的冗余只是集中在UPS 設備，對于每個(gè)負載設備，其輸入電源仍然沒(méi)有冗余。在實(shí)際運行中，UPS輸出端至負載之間的配電電路(包括開(kāi)關(guān)和線(xiàn)路)的故障往往多于UPS本身的故障。因此，最重要的不是保證UPS輸出端的電源可靠，而是保證負載輸入端的電源可靠?；谶@種考慮，提出了分布冗余UPS。

分布冗余UPS的目的是將電源系統的冗余擴展到每一個(gè)負載設備，而且應使電源系統的冗余盡可能接近負載設備的輸入端。

如圖10所示，分布冗余UPS系統中有兩個(gè)獨立的UPS系統，每個(gè)獨立的UPS系統都能為全部重要負載供電，構成雙母線(xiàn)供電系統。通過(guò)適當的配電電路，可以為單電源輸入和雙電源輸入的各種負載設備供電。

假設負載需要400kva的UPS系統，構成冗余供電系統的常規方法是：將兩個(gè)400kva的UPS連接成并聯(lián)冗余或隔離冗余系統或備用冗余UPS系統。如采用分布冗余，可將同樣的兩個(gè)400kva的UPS用做兩個(gè)獨立的UPS。正常時(shí)，400kva負載的一半接在其中一臺UPS輸出上(負載母線(xiàn) 1)，另一半負載接在另一個(gè)UPS輸出上(負載母線(xiàn) 2)。

如后文所述，采用適當的配電電路，就可以在所有的負載設備輸入端上(不是在UPS輸出端上)得到了冗余電源系統。即電源系統的冗余已分散到各個(gè)負載設備，因此稱(chēng)為“分布冗余”。正常時(shí)，兩個(gè)獨立的UPS系統(兩個(gè)負載母線(xiàn))分別承擔一半負載的供電。當其中一臺UPS故障時(shí)，另一臺UPS就會(huì )自動(dòng)地承擔起全部負載的供電。因此，故障UPS可以脫離負載進(jìn)行維修。

分布冗余UPS 系統的兩個(gè)獨立的UPS系統可以采用并聯(lián)冗余UPS 系統，也可以采用單機UPS 系統。采用1+1并聯(lián)冗余UPS組成的分布冗余UPS 的可靠性和可用度非常高，但成本為普通的1+1并聯(lián)冗余UPS　的兩倍。采用單機UPS 的分布冗余UPS 系統與1+1并聯(lián)冗余UPS 系統的成本基本相同，但其可用度和可靠性比1+1并聯(lián)冗余UPS 系統的要高。因此，這種所謂單機分布冗余UPS(或稱(chēng)為單機雙母線(xiàn)UPS)更為經(jīng)濟適用，更容易為用戶(hù)接受。

分布冗余UPS也可以擴容，對于較大應用系統，每個(gè)獨立的UPS系統可以采用較大容量N+1并聯(lián)冗余UPS系統，也可以采用并聯(lián)無(wú)冗余UPS系統(僅為擴大容量而并聯(lián))。

圖10　分布冗余UPS (雙母線(xiàn)供電系統)

3.3.2 分布冗余UPS的同步問(wèn)題

對于雙電源負載設備，只要任何一個(gè)輸入電源正常，負載設備就可以正常工作。當兩個(gè)UPS給雙電源負載設備供電時(shí)，只需將兩個(gè)UPS電源直接接到雙電源負載設備的輸入端，當其中一個(gè)UPS 出現故障時(shí)也不必進(jìn)行電源轉換。因此兩個(gè)UPS是完全獨立的，其輸出不必同步。這種配電電路最簡(jiǎn)單。

對于單電源負載設備，其輸入電源是不允許停電的。當兩個(gè)UPS給單電源輸入的負載設備供電時(shí)，應采用靜態(tài)轉換開(kāi)關(guān)，正常時(shí)由其中一個(gè)UPS為負載供電，當供電的UPS 故障時(shí)或需要維護時(shí)，靜態(tài)轉換開(kāi)關(guān)將負載不間斷地轉換到由另一UPS供電。

目前，雙電源輸入的負載設備正在不斷增加，還有三電源負載設備。但是大部分負載設備還是單電源輸入的。因此，分布冗余UPS的配電系統必須考慮兩個(gè)UPS 的同步和相互之間轉換的問(wèn)題。

在分布冗余UPS中，兩個(gè)UPS的同步是非常重要的問(wèn)題，兩個(gè)UPS 必須在全部時(shí)間內保持同步。同步不僅可以縮短兩個(gè)UPS之間的轉換時(shí)間，減少單電源輸入的負載設備供電中斷時(shí)間，而且可以有效地保護電源設備和負載設備，避免事故發(fā)生。因為如果兩個(gè)UPS不同步，進(jìn)行了不同相位的轉換，兩個(gè)電源之間就會(huì )出現環(huán)流，損壞電源設備。而且還會(huì )損壞負載設備。例如，對于交流磁性負載(比如變壓器、繼電器線(xiàn)圈和電動(dòng)機等)，交流電源相位的突變會(huì )產(chǎn)生非常大的再磁化電流，致使電源設備過(guò)載或使過(guò)流保護裝置動(dòng)作、開(kāi)關(guān)跳閘。當兩個(gè)不同步的電源進(jìn)行相互轉換時(shí)，一定要進(jìn)行中斷的轉換。

兩個(gè)UPS在正常情況下一般是同步的，因為兩者都同步于同一個(gè)旁路電源(市電)。但是在市電故障時(shí)(同步源消失)，如果兩個(gè)UPS都同步于各自的內部時(shí)鐘，兩者就不會(huì )同步。為此，應配置了 “負載母線(xiàn)同步電路(LBS)”，以保證在市電停電時(shí)，兩個(gè)UPS都工作于儲能方式，或者兩個(gè)UPS工作于兩個(gè)獨立的發(fā)電機組時(shí)，也能可靠地同步。

LBS 連續檢測兩個(gè)UPS 的輸出之間的相位關(guān)系，如果失步超過(guò)預定的時(shí)間(0.5～5s)，LBS 就使指定為“從系統(DSS)”的UPS 同步于指定為“主系統(DMS)”的UPS。在此期間LBS 連續監視兩個(gè)系統的旁路輸入電壓的質(zhì)量和同步情況。一旦恢復正常，LBS就將兩個(gè)系統恢復為同步到各自的旁路輸入電源。

值得順便一提的是，分布冗余UPS 系統中的兩個(gè)獨立的UPS 必須在任何時(shí)間保持同步，雙變換UPS通過(guò)LBS就能做得到。市電交互UPS 和 Delta 變換UPS 正常運行時(shí)只能同步于為其供電的市電交流輸入電源，不能進(jìn)行輸出頻率的控制。這種UPS構成分布冗余UPS時(shí)，要求所有獨立的UPS的輸入電源(獨立的備用發(fā)電機組)同步運行。每個(gè)獨立的UPS模塊還需要有一個(gè)內部系統同步單元用于蓄電池供電時(shí)各獨立UPS模塊的同步。

3.3.3分布冗余UPS的配電電路

1)分布冗余UPS常用配電電路

圖11示出雙母線(xiàn)分布冗余UPS供電系統的常用的配電電路。UPS1和UPS2經(jīng)各自的輸出配電屏為雙電源負載和單電源負載供電。

(1)雙電源負載設備，只要任何一個(gè)輸入電源正常，負載設備就可以正常工作。因此。只需將兩個(gè)UPS輸出經(jīng)UPS輸出配電屏、分配電屏()直接接到雙電源負載設備的輸入端，就可以在負載輸入端得到冗余的電源。當其中一個(gè)UPS 出現故障時(shí)負載設備仍能正常工作，不需要靜態(tài)轉換開(kāi)關(guān)進(jìn)行電源轉換?？紤]到分布冗余UPS系統還有單電源負載設備，仍配置了LBS， 以保證兩個(gè)UPS的同步。這種配電電路完全實(shí)現了將電源系統的冗余擴展到負載設備的電源輸入端。

(2)單電源負載需經(jīng)UPS輸出配電屏、靜態(tài)轉換開(kāi)關(guān)(STS)轉換后再經(jīng)分配電屏(列頭柜)供電。靜態(tài)開(kāi)關(guān)采用快速先斷后合(break before make)的轉換技術(shù)，可確保兩個(gè)UPS電源的獨立性，既保證電源切換時(shí)不影響負載正常工作，又防止了一個(gè)UPS的故障影響另一個(gè)UPS。

(3)如果不配置LBS，只能構成非同步的雙母線(xiàn)分布冗余UPS供電系統，此時(shí)雙電源負載的配電電路與前述相同。而單電源負載就只能接在一個(gè)母線(xiàn)上，不再是雙母線(xiàn)供電了。當全部負載都是雙電源負載，或者雙電源負載多，單電源負載很少時(shí)，這種不同步的雙母線(xiàn)供電系統方案也是可行的。

圖11　雙母線(xiàn)分布冗余UPS的常用配電電路

2)超高可用度的分布冗余UPS配電電路

圖12 示出一種可用度非常高的雙母線(xiàn)分布冗余UPS配電電路。在此電路中，UPS1和UPS2構成雙母線(xiàn)分布冗余UPS系統。靜態(tài)轉換開(kāi)關(guān)STS1和STS2的兩個(gè)輸入電源均引自UPS1的輸出配電屏1和UPS2的輸出配電屏2。STS1整定為UPS1為主用，其輸出接到分配電屏1(列頭柜1)，STS2整定為UPS2為主用，其輸出接到分配電屏2(列頭柜2)。各個(gè)雙電源負載的兩路輸入電源均引自分配電屏1和分配電屏2。單電源負載再經(jīng)“使用點(diǎn)轉換開(kāi)關(guān)”供電，“使用點(diǎn)轉換開(kāi)關(guān)”的兩個(gè)輸入電源也引自分配電屏1和分配電屏2。

在正常情況下，UPS1和UPS2 各帶一部分負載，因此避免了其中一個(gè)UPS 故障時(shí)需要進(jìn)行100%的負荷轉換。這種配電電路的成本很高，因為雙電源負載也增加了STS ，單電源負載增加了“使用點(diǎn)轉換開(kāi)關(guān)”(采用機械開(kāi)關(guān))。但是，整個(gè)供電系統，從UPS設備直到雙電源負載的電源輸入端和單電源負載的使用點(diǎn)轉換開(kāi)關(guān)之前的電路，都可以脫離系統進(jìn)行維護。

分布冗余UPS還可以組成三母線(xiàn)、四母線(xiàn)等供電系統，本文不贅述。

圖12　超高可用度的雙母線(xiàn)分布冗余UPS配電電路

分布冗余UPS系統與單機、并聯(lián)冗余或隔離冗余相比，可維護性和故障容限得到了很大的提高。采用雙母線(xiàn)配電，可以將負載全部轉換到一個(gè)母線(xiàn)上(不必象并聯(lián)冗余UPS那樣轉換到旁路)，由一個(gè)UPS 供電。而另一個(gè)UPS 及其斷路器、配電設備都可以脫離系統進(jìn)行維護。因此可以得到連續的可用度。

分布冗余UPS系統比并聯(lián)冗余或隔離冗余系統簡(jiǎn)單、便宜。最普通的方法是用兩臺單機UPS和LBS構成雙母線(xiàn)分布冗余UPS系統。不需要增加系統級控制設備。由于采用了雙母線(xiàn)和靜態(tài)轉換開(kāi)關(guān)，使單電源負載也具有類(lèi)似于雙電源負載的功能性。因此，分布冗余UPS系統在進(jìn)行預防性定期維護時(shí)的風(fēng)險較小。

4　結束語(yǔ)

由于國際上UPS 的名稱(chēng)尚未統一，有些UPS 的名稱(chēng)容易引起混淆;而且，其性能與其名稱(chēng)不符。 IEC62040 規定了新的標準化UPS 名稱(chēng)和系統結構，以及UPS性能分類(lèi)方法。UPS 性能分類(lèi)代碼表示的是UPS 電源的質(zhì)量，包括UPS 輸出電壓和頻率與其交流輸入電源(市電)的關(guān)系，輸出電壓波形和動(dòng)態(tài)特性。UPS 性能分類(lèi)代碼是評價(jià)UPS 性能的最簡(jiǎn)單、最直觀(guān)的方法。不同的性能分類(lèi)代碼對應于不同的標準化UPS 系統。但性能分類(lèi)代碼不反映UPS 系統的可用度。冗余UPS 的性能分類(lèi)代碼與組成冗余系統的單機系統的性能分類(lèi)代碼是相同的。

UPS 產(chǎn)品應由廠(chǎng)家按照標準規定進(jìn)行性能分類(lèi)代碼的標識。用戶(hù)應采用已標識性能分類(lèi)代碼的UPS產(chǎn)品。對于尚未標識性能分類(lèi)代碼的UPS 產(chǎn)品，用戶(hù)應要求廠(chǎng)家做出解釋。

本文闡述了IEC62040 規定的UPS 性能分類(lèi)方法和標準化UPS 系統結構，并介紹了高可用度的冗余UPS系統，其中包括目前廣泛應用的并聯(lián)冗余UPS 系統和正在不斷發(fā)展的分布冗余UPS 系統(雙母線(xiàn)UPS供電系統)。并聯(lián)冗余UPS系統具有UPS模塊的冗余，在一定程度上提高可維護性和故障容限;改善了系統可用度，適用于電信系統各種負載。分布冗余UPS系統具有UPS模塊、UPS系統和UPS配電的冗余;因此具有UPS模塊、UPS系統和UPS配電同時(shí)維護和故障容限的性能，可達到連續的(100%)可用度。這種分布冗余UPS系統技術(shù)正在發(fā)展，應用范圍不斷擴大;預計不久將會(huì )成為用于電信等重要負載的主流UPS 系統。

參考文獻

1 IEC62040-3 Uninterruptible power systems(UPS)-　Part 3: Method of specifying the performance and test requirements

2 A New International UPS Classification by IEC 62040-3　(INTELEC2002)