可提高UPS電源供電可靠性的三種技術(shù)方案

改革開(kāi)放以來(lái)，我國電力系統的建設存在無(wú)法滿(mǎn)足各行業(yè)快速發(fā)展的要求，尤其是近年來(lái)出現的全國性電力供應不足，導致大面積的拉閘限電，嚴重限制了數字化建設的步伐和質(zhì)量。例如，很多工廠(chǎng)由于限電無(wú)法全速運轉，戶(hù)外的無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)由于停電無(wú)法正常運行，金融信息網(wǎng)絡(luò )系統由于電網(wǎng)質(zhì)量導致數據傳輸變慢、異?；虿糠滞I(yè)，政府的信息化建設工作由于停電不得不延期等等，這一切說(shuō)明電力系統的供電質(zhì)量和可靠性對于數字化建設起到至關(guān)重要的作用。

因此，系統工程師在做數字化系統設計時(shí)必須充分考慮電源系統的可靠性。目前比較可靠的方法就是采用高質(zhì)量的不間斷電源UPS。 UPS在電網(wǎng)正常時(shí)能夠給各類(lèi)信息化設備提供高質(zhì)量的交流電源，在電網(wǎng)異常時(shí)能夠將后備電池組的直流能量轉化為穩定的交流電源供給負載設備使用，并且在電網(wǎng)掉電過(guò)程中可以保證輸出沒(méi)有“間斷”，確保信息設備的安全運行。大量的現場(chǎng)運行數據和理論分析也表明，引進(jìn)UPS電源除了可以解決上述的交流供電中斷的影響外，還可以消除正常交流電網(wǎng)供電中的各種高頻雜波、電壓浪涌、陷落、瞬間斷電等電力干擾對信息設備的危害，保證信息網(wǎng)絡(luò )時(shí)刻安全運行?？梢?jiàn)，為了保證數字化建設的順利進(jìn)行，采用高可靠的UPS供電方案是最為有效的、高可靠的電源解決方案。

本文將先介紹一下UPS的相關(guān)基本知識，然后再分析三種提高UPS供電可靠性的系統技術(shù)方案，謹供系統工程師做電源方案設計時(shí)參考。

一、不間斷電源UPS的基本知識

1.UPS的基本概念

UPS是由整流器、逆變器、電池和控制電路等組成，能在有限時(shí)間里提供純凈、穩定波形的電源設備。

UPS具有以下功能：

①電網(wǎng)電壓正常時(shí)，除了輸出純凈、穩定且連續不間斷的交流電源外，還可以對電池進(jìn)行充電，儲存后備能量。

②在電網(wǎng)異常時(shí)(欠壓、過(guò)壓、掉電、干擾等)利用電池組的能量對用電設備提供不間斷的交流輸出，“不間斷”一般指輸出電壓波形為零的時(shí)間不大于10ms。

因而，UPS可以保證計算機等信息設備即使是在惡劣的電網(wǎng)條件下也能安全正常運行。

2.UPS的分類(lèi)及主要特點(diǎn)

從UPS技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看，UPS的分類(lèi)一般以輸出逆變器工作方式來(lái)區分，通?？煞譃楹髠涫?、在線(xiàn)式兩大類(lèi)型。近年來(lái)也有將后備式電源中的一個(gè)特例獨立出來(lái)，稱(chēng)之為在線(xiàn)互動(dòng)式，但嚴格來(lái)說(shuō)，仍然是后備式一類(lèi)。

從近年來(lái)UPS的廣泛使用情況看，UPS也從原先的戶(hù)內使用逐步向全天候應用環(huán)境的方向發(fā)展，出現了室內UPS和室外UPS的差別。戶(hù)外UPS 主要在對環(huán)境溫度的適應性、防潮濕、防水、防盜等方面做了一個(gè)全面的質(zhì)量提升，保證了UPS在各種戶(hù)外嚴酷的環(huán)境條件下正常工作。

以下仍然從UPS的電路拓撲結構的角度來(lái)闡述一下UPS的分類(lèi)和技術(shù)特點(diǎn)。

(1)在線(xiàn)式UPS：

A、輸出電壓穩定性好 ±3%

B、波形失真度小THD3%

C、零中斷

D、輸入、輸出能量形式全隔離

圖5、在線(xiàn)式UPS原理

(2)后備式UPS：

A、電網(wǎng)正常時(shí)的整機效率高>95%

B、電網(wǎng)正常時(shí)無(wú)噪音

C、切換時(shí)間10ms

D、價(jià)格較低

(3)互動(dòng)式 UPS：具備與后備式電源相同的特點(diǎn)，并且將充電器和逆變器有效合并成為一體雙

向逆變器，雖然減少了系統的成本，但增加了一定的控制難度。

二、三種提高UPS電源供電可靠性的解決方案

從上面的原理框圖可以得知，UPS本身已經(jīng)具備了雙路的電源供電備份，具備較高的系統可靠性，可以滿(mǎn)足一般信息設備對電源可靠性的要求。但是隨著(zhù)近年來(lái)信息數據幾何倍數的快速增長(cháng)和高度重要性，在某些特別重要的場(chǎng)合，例如省級以上的銀行數據中心、通信數據中心、證券交易等用電環(huán)境，單一的UPS供電已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)對電源可靠性的要求了，必須有更好的電源供電方案來(lái)確保這些重要數據及網(wǎng)絡(luò )的安全。

以下介紹三種在工程應用中可以十分有效提高可靠性的方法：串聯(lián)備份供電方式、輸出主從備份方式、冗余并聯(lián)備份供電方式。上述三種供電方案的改進(jìn)將以數量級的效果提高電源系統的可靠度，成倍地提高系統的MTBF值，在工程應用中基本上可以達到真正意義上的零電源故障。因此，用戶(hù)在進(jìn)行高可靠供電系統設計時(shí)，可以根據負載的供電要求選擇合適的高可靠供電方案。

1. 串聯(lián)備份供電方式(旁路主從備份方式)：

如上圖所示，對于在線(xiàn)式工作模式的兩臺UPS，備機(UPS2)的輸出作為主機(UPS1)的旁路備份輸入，這樣當主機的主逆變器輸出故障轉到旁路時(shí)，負載仍然處于備機UPS雙備份供電模式的可靠保護下。

2、輸出主從備份方式

如上圖所示，以在線(xiàn)式UPS為例，兩臺UPS或逆變器的輸出同時(shí)送到冗余轉換器，經(jīng)冗余轉換器再給負載供電;正常時(shí)冗余轉換器讓主輸入的電源 (例如UPS1)對負載供電，當主輸入電源故障時(shí)冗余轉換器快速將負載轉移到備份輸入的電源上，完成負載的冗余供電;在主輸入電源維修完成再輸入到冗余轉換器后，冗余轉換器又將負載重新轉移回到由主輸入電源供電的模式。任何的轉換過(guò)程都是不間斷的，可以保證負載設備的穩定安全運行。

3、冗余并聯(lián)供電方式

如上圖所示，兩臺UPS的輸出同時(shí)送到并聯(lián)配電柜上進(jìn)行直接的并聯(lián)，共同均分負載電流，不存在主從關(guān)系。當某臺UPS出現故障時(shí)，該機將自動(dòng)退出并聯(lián)系統，負載電流100%由剩余的一臺UPS供電，輸出不間斷;在故障機維修完成后，可以將修復的UPS單元在線(xiàn)并入，繼續對負載進(jìn)行冗余供電，完成并聯(lián)系統的在線(xiàn)熱維護。

三、三種提高可靠性方案的比較

比較項目串聯(lián)備份供電方式輸出主從備份方式冗余并聯(lián)供電

可靠性一般高高

主從邏輯關(guān)系有，且不易調換，需要廠(chǎng)家才可完成有，容易調換，用戶(hù)即可完成取決于并聯(lián)控制方式;可能有，不能調換。

負載切換時(shí)間10ms5ms0ms

相互通信不需不需有線(xiàn)并機時(shí)需要;無(wú)線(xiàn)并機調試時(shí)需要，工作后可以取消

增容性沒(méi)有增容沒(méi)有增容可依比例增容

系統過(guò)載能力不變不變短時(shí)過(guò)載能力比例增加;尤其是對于沖擊負載的啟動(dòng)能力加強。

產(chǎn)品老化程度存在主從機老化不一致的情況存在主從機老化不一致的情況不存在

負載均分性100%不均分100%不均分均分，一般電流不均衡度小于5%

電池壽命一般需要定期對換電池一般需要定期對換電池或主機，確保電池的壽命不需對換。

可維護性差，一般要停機維護好，可以在線(xiàn)熱維護好，可以在線(xiàn)熱維護。

備份模式一般是1+1形式，再增加時(shí)沒(méi)有實(shí)際的意義一般是1+1或1+2形式可以N+m形式，比較靈活

系統成本低一般高

適用場(chǎng)合負載3-10KVA 負載0.5-3KVA 負載10KVA以上

不間斷電源UPS是數字化建設的可靠電源解決方案，通過(guò)不同的UPS供電方案的設計可以將交流供電系統的可靠性提高到一個(gè)新的層次，滿(mǎn)足數字化建設對交流電源質(zhì)量的任何要求。