UPS拓撲結構對供電系統高可用性的影響分析

USP供電系統的“高可用性”要求其系統必須具備可靠性、功能性、可維護性和容錯性四個(gè)要素，而UPS內部拓撲結構對系統的可靠性和功能性起著(zhù)決定作用。可用性的關(guān)鍵要素，尤其是可維護行和容錯性，很大程度上取決于UPS冗余和配電系統選擇，本文對UPS內部不同的拓撲結構進(jìn)行分析和評估，說(shuō)明個(gè)結構如何對“高可用性”電源系統的四個(gè)要素產(chǎn)生影響的。

　　一、UPS拓撲結構：離線(xiàn)式UPS或后備式電源(SPS)

　　離線(xiàn)式拓撲結構是最簡(jiǎn)單的一種UPS結構，如圖1所示。正常運行情況下，交流市電直接流經(jīng)UPS直至重要負載。充電器或“4象限變流器”將交流 電轉換為直流電向電池充電。逆變器用于將電池提供的直流電轉換成交流電，當市電故障時(shí)為負載供電。逆變器通常運行于待機模式，保持對電池充電。如果市電超 過(guò)規定范圍，逆變器通過(guò)電池向負載供電。該拓撲結構被稱(chēng)為“單變換”，因為在任何時(shí)候，電源只能轉換一次(交流轉換為直流或直流轉換為交流)。正常運行情 況下，少量交流電轉換為直流電，保持對電池供電。輸入市電電超出規定范圍時(shí)，UPS檢測到電源故障，切換繼電器動(dòng)作，輸出逆變器啟動(dòng)逆變器將電池提供的直 流電轉換成交流電，向負載供電。

　　離線(xiàn)式UPS價(jià)格非常低廉，僅適合于家用或為向只需要實(shí)施斷電保護應用的單臺計算機工作站供電的情形。有時(shí)離線(xiàn)式產(chǎn)品內置浪涌抑制和/或“降壓和升壓”電路，補償較高或較低的輸入電壓，但不嘗試提供任何有效的輸入電源調節。

　　離線(xiàn)式UPS在設計簡(jiǎn)單性方面得分較高，而在其它測量方面則稍有欠缺。離線(xiàn)式UPS一般應用于單相非重要負載。尤其是不兼容發(fā)電機等不足，使其不適用于三相應用。

　　二、UPS拓撲結構：互動(dòng)式UPS

　　互動(dòng)式UPS拓撲結構，如圖2所示。該結構與離線(xiàn)式UPS產(chǎn)品類(lèi)似，不同之處是在市電電源和負載之間按照串聯(lián)的結構加入變壓器了或電感器。該電 感器使UPS逆變器可以與輸入電源“交互”，并對連接至負載的輸出電源進(jìn)行調節。也就是說(shuō)在輸入電壓較高和較低狀況下，“降壓和升壓”電路能夠進(jìn)行相應的 調節。

　　四象限變換器一般為恒壓設備。負載或輸入電壓變化時(shí)，四象限變換器通過(guò)調整輸出相位角，作出相應的改變。負載頻繁的發(fā)生變化，將導致電池放電，電池的頻繁放電將大大縮短其使用壽命。

　　互動(dòng)式UPS產(chǎn)品的另一個(gè)不足之處在于，如果不采用電池供電，將無(wú)法完全使重要負載與輸入電源間實(shí)現隔離。頻率出現微擾和電源質(zhì)量較差，將直接影響到重要負載。若不實(shí)施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負載的正常工作。

　　互動(dòng)式UPS產(chǎn)品的另一個(gè)不足之處在于，如果不采用電池供電，將無(wú)法完全使重要負載與輸入電源間實(shí)現隔離。頻率出現微擾和電源質(zhì)量較差，將直接影響到重要負載。若不實(shí)施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負載的正常工作。

　　與離線(xiàn)式UPS相同，互動(dòng)式UPS產(chǎn)品價(jià)格可能較低，而效率高，原因是，它僅在輸入電源異常時(shí)向重要負載供電，且僅在電池工作期間運作。與離線(xiàn) 式UPS相比，互動(dòng)式UPS設備由于其串聯(lián)電感器以及電源調節功能，在效率方面有所損耗。另外，當UPS轉換為電池供電時(shí)，通常至少會(huì )出現一點(diǎn)(但可測) 電壓跌落。

　　發(fā)電機兼容性

　　離線(xiàn)式UPS和互動(dòng)式UPS產(chǎn)品需要輸入電源的頻率和相位非常穩定。電源頻率必須穩定，是因為逆變器必須跟蹤電源頻率，以校準電壓和電流，這樣系統輸出頻率才能與輸入頻率相同，除非UPS通過(guò)電池運行。

　　比較典型的運行問(wèn)題是當啟動(dòng)發(fā)電機上的其它負載時(shí)，發(fā)電機的輸出頻率將發(fā)生很大變化，從而導致離線(xiàn)式UPS或互動(dòng)式UPS通過(guò)電池放電。該問(wèn)題 在天然氣發(fā)電機組上尤為明顯。電池反復充放電，很可能導致電池的過(guò)放電，將大大縮短電池壽命。另一個(gè)潛在問(wèn)題是UPS負載加載時(shí)，發(fā)電機輸出會(huì )不穩定，也 就是說(shuō)UPS負載的突加，會(huì )導致發(fā)電機電壓和頻率跌落，從而導致UPS進(jìn)入電池放電的運行狀態(tài)。當發(fā)電機輸出穩定后，UPS恢復到正常狀態(tài)，如果發(fā)電機輸 出電壓再次下降時(shí)，UPS將再次進(jìn)入電池放電狀態(tài)。

　　對于雙變換UPS則不會(huì )出現上述問(wèn)題。雙變換UPS調整輸入電源，而且可以容許電源頻率出現較大變化，同時(shí)繼續提供穩定的輸出頻率，而無(wú)需使用 電池供電。而且，雙變換UPS主要制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出減少輸出電流畸變的技術(shù)，極大地提高UPS與發(fā)電機的兼容性，使負載規格選擇更為準確。雙變換UPS容 量與發(fā)電機的容量配比可以達到1.25~1.5：1，不會(huì )發(fā)生運行問(wèn)題。

　　三、UPS拓撲結構：具有功率因數校正功能的在線(xiàn)性互動(dòng)式結構(包括“Delta變換式”產(chǎn)品)

　　近年來(lái)，有幾家公司推出了具有功率因數校正功能的在線(xiàn)互動(dòng)式三相UPS產(chǎn)品。與離線(xiàn)式產(chǎn)品和一般的互動(dòng)式產(chǎn)品相比，這些產(chǎn)品改善了電源的調控性 能，提高了輸出的電源質(zhì)量。但同時(shí)也產(chǎn)生了一些不利因素，如有源功率調節會(huì )使效率降低。實(shí)際上，在帶非線(xiàn)性負載(一般為計算機負載)時(shí)，其效率一般都低于 雙變換UPS產(chǎn)品。并且這種產(chǎn)品結構的復雜性相對于雙變換UPS而言往往是有過(guò)之而無(wú)不及。及為容易誤導用戶(hù)的是，該種類(lèi)型的在線(xiàn)互動(dòng)式產(chǎn)品甚至被標榜為 “在線(xiàn)式”產(chǎn)品，因為其逆變器始終“運行”，提供電壓調節或輸入功率因數校正。

　　傳統意義上，這些產(chǎn)品應被稱(chēng)為互式動(dòng)UPS，即串聯(lián)變壓器和輸出逆變器與輸入市電進(jìn)行互動(dòng)，從而調整輸出電壓。有些產(chǎn)品具有小型的輸入逆變器/ 充電器(有時(shí)又稱(chēng)為“delta”逆變器)，用以調整輸入電壓。小型逆變器一般與直流總線(xiàn)連接，直流總線(xiàn)為輸出(主)逆變器提供電能轉換的通道，輸出逆變 器會(huì )對輸入功率因數進(jìn)行校正，斷電時(shí)將電池的能量逆變輸出提供負載供電保護。

　　正常模式下(標準輸入電源波形，UPS負載為線(xiàn)性負載)，輸入隔離開(kāi)關(guān)、市電輸入靜態(tài)開(kāi)關(guān)和輸出隔離開(kāi)關(guān)為閉合，市電直接向負載輸出供電。輸入 逆變器用作充電器，對電池系統進(jìn)行浮充充電。在上述理想(非現實(shí))狀態(tài)下，主逆變器是不工作的。當UPS輸入電壓出現過(guò)異常情況時(shí)，delta變換器產(chǎn)生 相應的電壓，通過(guò)降壓/升壓變壓器與輸

　　入電壓相疊加(相加或相減)，從而調整輸出電壓，保證其輸出的穩定。這種調控原理與當前市面上的某些電子電壓調節器類(lèi)似。當輸入電壓超出可調控 范圍時(shí)，主逆變器開(kāi)始工作，將電池提供的直流電逆變輸出，提供滿(mǎn)幅輸出電源，這時(shí)須將市電輸入靜態(tài)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，防止電源向輸入側反灌，其作用與離線(xiàn)式UPS 類(lèi)似。

　　若在線(xiàn)互動(dòng)式UPS使用整流式市電輸入靜態(tài)開(kāi)關(guān)，當輸入電源出現故障時(shí)，就極容易受到故障的影響，因為它們無(wú)法快速關(guān)閉，導致逆變器向出現故障的輸入電源端反向供電，然后關(guān)閉。

　　在線(xiàn)互動(dòng)式UPS(或Delta變換式)還可提供負載諧波電流和輸入功率因數校正。主逆變器產(chǎn)生所需的補償電流—包括諧波電流和基波電流兩種。 逆變器只要一運行，無(wú)論是用于電壓校正逆變器/充電器(Delta變換器)，還是對諧波電流和功率因數進(jìn)行校正的主逆變器，都會(huì )發(fā)生額外損耗，大大降低設 備效率，因此其實(shí)際效率是遠低于其標榜的效率的。