可提高UPS電源供電可靠性的三種技術(shù)方案

改革開放以來，我國電力系統(tǒng)的建設(shè)存在無法滿足各行業(yè)快速發(fā)展的要求，尤其是近年來出現(xiàn)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(shù)字化建設(shè)的步伐和質(zhì)量。例如，很多工廠由于限電無法全速運轉(zhuǎn)，戶外的無線通信業(yè)務(wù)由于停電無法正常運行，金融信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于電網(wǎng)質(zhì)量導致數(shù)據(jù)傳輸變慢、異常或部分停業(yè)，政府的信息化建設(shè)工作由于停電不得不延期等等，這一切說明電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和可靠性對于數(shù)字化建設(shè)起到至關(guān)重要的作用。

因此，系統(tǒng)工程師在做數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計時必須充分考慮電源系統(tǒng)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)正常時能夠給各類信息化設(shè)備提供高質(zhì)量的交流電源，在電網(wǎng)異常時能夠?qū)⒑髠潆姵亟M的直流能量轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的交流電源供給負載設(shè)備使用，并且在電網(wǎng)掉電過程中可以保證輸出沒有“間斷”，確保信息設(shè)備的安全運行。大量的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)和理論分析也表明，引進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(shè)備的危害，保證信息網(wǎng)絡(luò)時刻安全運行?？梢姡瑸榱吮ＷC數(shù)字化建設(shè)的順利進行，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(tǒng)技術(shù)方案，謹供系統(tǒng)工程師做電源方案設(shè)計時參考。

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，能在有限時間里提供純凈、穩(wěn)定波形的電源設(shè)備。

UPS具有以下功能：

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

②在電網(wǎng)異常時(欠壓、過壓、掉電、干擾等)利用電池組的能量對用電設(shè)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間不大于10ms。

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

2.UPS的分類及主要特點

從UPS技術(shù)特點來看，UPS的分類一般以輸出逆變器工作方式來區(qū)分，通常可分為后備式、在線式兩大類型。近年來也有將后備式電源中的一個特例獨立出來，稱之為在線互動式，但嚴格來說，仍然是后備式一類。

從近年來UPS的廣泛使用情況看，UPS也從原先的戶內(nèi)使用逐步向全天候應用環(huán)境的方向發(fā)展，出現(xiàn)了室內(nèi)UPS和室外UPS的差別。戶外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全面的質(zhì)量提升，保證了UPS在各種戶外嚴酷的環(huán)境條件下正常工作。

以下仍然從UPS的電路拓撲結(jié)構(gòu)的角度來闡述一下UPS的分類和技術(shù)特點。

(1)在線式UPS：

A、輸出電壓穩(wěn)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、在線式UPS原理

(2)后備式UPS：

A、電網(wǎng)正常時的整機效率高>95%

B、電網(wǎng)正常時無噪音

C、切換時間10ms

D、價格較低

(3)互動式 UPS：具備與后備式電源相同的特點，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(tǒng)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(tǒng)可靠性，可以滿足一般信息設(shè)備對電源可靠性的要求。但是隨著近年來信息數(shù)據(jù)幾何倍數(shù)的快速增長和高度重要性，在某些特別重要的場合，例如省級以上的銀行數(shù)據(jù)中心、通信數(shù)據(jù)中心、證券交易等用電環(huán)境，單一的UPS供電已經(jīng)無法滿足客戶對電源可靠性的要求了，必須有更好的電源供電方案來確保這些重要數(shù)據(jù)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將以數(shù)量級的效果提高電源系統(tǒng)的可靠度，成倍地提高系統(tǒng)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，用戶在進行高可靠供電系統(tǒng)設(shè)計時，可以根據(jù)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(zhuǎn)到旁路時，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，以在線式UPS為例，兩臺UPS或逆變器的輸出同時送到冗余轉(zhuǎn)換器，經(jīng)冗余轉(zhuǎn)換器再給負載供電;正常時冗余轉(zhuǎn)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冗余轉(zhuǎn)換器快速將負載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器后，冗余轉(zhuǎn)換器又將負載重新轉(zhuǎn)移回到由主輸入電源供電的模式。任何的轉(zhuǎn)換過程都是不間斷的，可以保證負載設(shè)備的穩(wěn)定安全運行。

3、冗余并聯(lián)供電方式

如上圖所示，兩臺UPS的輸出同時送到并聯(lián)配電柜上進行直接的并聯(lián)，共同均分負載電流，不存在主從關(guān)系。當某臺UPS出現(xiàn)故障時，該機將自動退出并聯(lián)系統(tǒng)，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單元在線并入，繼續(xù)對負載進行冗余供電，完成并聯(lián)系統(tǒng)的在線熱維護。

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(diào)換，需要廠家才可完成有，容易調(diào)換，用戶即可完成取決于并聯(lián)控制方式;可能有，不能調(diào)換。

負載切換時間10ms5ms0ms

相互通信不需不需有線并機時需要;無線并機調(diào)試時需要，工作后可以取消

增容性沒有增容沒有增容可依比例增容

系統(tǒng)過載能力不變不變短時過載能力比例增加;尤其是對于沖擊負載的啟動能力加強。

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，可以在線熱維護好，可以在線熱維護。

備份模式一般是1+1形式，再增加時沒有實際的意義一般是1+1或1+2形式可以N+m形式，比較靈活

系統(tǒng)成本低一般高

適用場合負載3-10KVA 負載0.5-3KVA 負載10KVA以上

不間斷電源UPS是數(shù)字化建設(shè)的可靠電源解決方案，通過不同的UPS供電方案的設(shè)計可以將交流供電系統(tǒng)的可靠性提高到一個新的層次，滿足數(shù)字化建設(shè)對交流電源質(zhì)量的任何要求。