UPS及EPS的應用技術與發(fā)展趨勢

一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續(xù)充電，電池連續(xù)充電大約要減少一半的使用壽命。目前國外使用一種ABM(Advanced Battery Management)三階段電池管理方案，即充電分成三個階段：第一階段是恒流均衡充電，將電池容量充到90％；第二階段是浮充充電，將電池容量充到100％，然后停止充電；第三階段是自然放電，在這個階段里，電池利用自身的漏電流放電，一直到規(guī)定的電壓下限，再重復上述的三個階段。這種方式改變了以前那種充滿電后，仍使電池處于一天24h的浮充狀態(tài)，因此延長了電池的壽命。

金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優(yōu)點，而且又無鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應用于UPS可以收到小型輕量化的優(yōu)點。但其缺點是售價太高。美國Alupower公司研發(fā)的高功率鉛－空氣備用電源裝置(RPU)，運行≥50h，功率從600W到6000W，電壓有DC24V和48V兩種，其能量密度是鉛酸電池的十多倍，重量只有鉛酸電池的1／10，所占空間只有鉛酸電池的1／7，有望取代鉛酸蓄電池應用于UPS。

3.3 UPS的冗余技術和在線維護（熱插拔）

開關整流器的并聯(lián)和熱插拔已成為通信電源的基本運行方式，這種運行方式即所謂N＋1冗余供電方式，用于取代主備方式，使電源的可靠性大幅度提高。主備方式的備份電源的容量和主電源相同，因此使電源成本提高，而且在轉換時還會造成電能中斷。N＋1冗余供電方式不僅降低了電源成本，并且還保證了供電不中斷。這種冗余供電方式的實質是通過并聯(lián)平行操作的電源模塊提供分布式電源，所有的模塊并聯(lián)運行并平均負擔當前的負載，電源陣列比額定容量多配置一個功率模塊，當一個模塊出現(xiàn)故障時，特設的電路將故障模塊從負載上斷開，其它模塊將立即支持所有負載，使其連續(xù)不間斷地供電。替換模塊后UPS的控制電路和蓄電池均能在線運行。這種靈活的模塊化設計，用戶可以自行堆疊電池模塊，以增加UPS的輸出功率，延長供電時間，大大增強了電源的可靠性。

UPS的并聯(lián)和熱插拔技術要比開關整流器的并聯(lián)復雜得多，這是因為交流電的變量比直流電多，有相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個變量，其任意一個與市電電源不一致，都不能使UPS投入電網(wǎng)。在投入電網(wǎng)后還必須不斷地檢測各臺UPS輸出的有功功率和無功功率，通過調節(jié)電壓和相位實現(xiàn)各UPS輸出有功功率和無功功率的平均分配。

由此可見，UPS的并聯(lián)工作有3個方面。一是正常工作的UPS自動投入電網(wǎng)，二是并聯(lián)運行的UPS之間，有功功率和無功功率的均勻分配，三是UPS退出并聯(lián)，特別是在不干擾電網(wǎng)的情況下快速切除故障UPS。這3個要求的實現(xiàn)，也就解決了UPS的熱插技術。

3.4 智能化UPS的管理系統(tǒng)

所謂智能化UPS，是指將傳統(tǒng)UPS通過與計算機相連的硬件接口，結合特殊設計的軟件，以提供計算機及數(shù)據(jù)資料的雙重保護。當前UPS智能化技術有兩個方面：一是加強UPS新功能，與服務器上的軟件協(xié)同工作，使UPS除了完成最基本的不間斷供電功能外，還能實現(xiàn)網(wǎng)絡上事件記錄、故障告警、參數(shù)自動測試分析和調節(jié)等；另一方面是加強UPS的節(jié)能功能。

智能化的UPS，除了完成一般UPS所能完成的全部工作外，還應具備的功能是：

1）對運行中的UPS進行監(jiān)測，隨時將采樣點的狀態(tài)信息送入計算機進行處理，一方面獲取UPS工作的有關參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路各部的工作狀態(tài)，從中分析電路各部分工作是否正常；

2）故障時，根據(jù)監(jiān)測的結果進行故障診斷，指出故障部位，給出處理辦法；

3）完成部分處理工作，除了實現(xiàn)對UPS工作的控制外，還能在發(fā)生故障時，根據(jù)需要采取必要的應急控制，此外通過對整流部分的控制，按照對不同蓄電池的不同要求，自動完成對蓄電池的分階段充電；

4）自動顯示所檢測的參數(shù)，在異?；虬l(fā)生故障時，可以自動記錄有關異常或故障的信息；

5）按照技術說明書給出的指標，自動定期地進行自檢，并形成自檢記錄文件；

6）能夠用程序控制UPS的啟動或停機，實現(xiàn)無人值守的自動操作；

7）具有交換信息功能，可以隨時向計算機輸入信息或從計算機獲取信息；

8）通過通信接口與計算機互聯(lián)，實現(xiàn)網(wǎng)絡化監(jiān)控管理。

推動UPS技術發(fā)展的主要動力在于全球計算機網(wǎng)絡的迅速發(fā)展。為了使UPS能夠更好地適應網(wǎng)絡環(huán)境的要求，UPS正在向網(wǎng)絡化管理和控制方向發(fā)展。新型的網(wǎng)絡UPS采用一個集成的SNMP適配器，掉電期間，即使UPS不能通過網(wǎng)絡傳遞信息，用戶也可以依靠UPS通過串行端口適時關閉服務器，適配器接到UPS通信端口上，以實現(xiàn)網(wǎng)絡可維持局部停機控制。網(wǎng)絡管理人員通過網(wǎng)絡中的網(wǎng)管平臺，將UPS作為一個網(wǎng)絡設備來管理，實時處理電源故障及UPS狀態(tài)報警。SNMP適配器和管理軟件相配合可以同時向任何管理站發(fā)出電源故障及UPS狀態(tài)報警。在無人值守的情況下，當市電中斷時，軟件會發(fā)出告警信息，并開始倒計時，當?shù)褂嫊r計數(shù)到零時或電池耗盡前，軟件即關閉應用程序，并將現(xiàn)場資料存盤后關閉系統(tǒng)，向UPS發(fā)出關機命令，切斷UPS，當市電恢復后可自動啟動UPS。

智能化的網(wǎng)絡UPS最基本功能是在長時間斷電的情況下，能安全、自動地關閉網(wǎng)絡，確保網(wǎng)絡系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性。此外，通過遠程控制裝置，用戶也可以在遠方通過電話遙控UPS，有些UPS還可將UPS狀態(tài)或報警信息通過電子郵件、傳真機或手機等通知外出網(wǎng)絡管理人員。

3.5 提高UPS的可用性

從20世紀90年代中期開始，隨著信息技術的高速發(fā)展和網(wǎng)絡時代的到來，對UPS可用性的要求越來越高。所謂UPS的可用性，其物理概念是，在規(guī)定的使用期間內，UPS的正常運行時間與整個時間的比例。根據(jù)這個定義要提高UPS的可用性有兩個辦法：一是提高UPS的平均無故障時間MTBF，二是降低UPS的平均修復時間MTTR。提高UPS本身MTBF的傳統(tǒng)做法是，提高功率開關器件的規(guī)格和檔次；改進控制技術，提高邏輯控制組件的規(guī)格和檔次；使用更先進的主電路結構；提高智能管理和通信功能；嚴格生產(chǎn)工藝，加強質量管理(ISO9000)等。但當MTBF提高到一定程度后其效果就不明顯了。用降低MTTR的辦法，效果是非常明顯的。降低UPS的MTTR的做法有如下幾種。

1）一般的做法是加強對UPS，特別是其中的關鍵部件的維護；充足的備件并保證其完好性；加強對維護人員操作技能的培訓，特別是用戶在采購UPS時就要求廠家對售后服務(包括備件提供、反應時間和修復速度)條件做出嚴格承諾。

2）UPS的模塊化＋冗余配置，把整個UPS按電路功能分成幾部分，并在結構上設計成可以插拔的模塊，例如功率模塊(包括整流器和逆變器)、電池模塊、智能管理和通信功能模塊。

3）UPS的冗余并機配置，在UPS中，可以把控制電路集中起來作為一個獨立的可插拔模塊，也可以把功率變換部分集中在一個結構中，作為一個可以熱插拔的模塊。為了適應多臺UPS并聯(lián)供電，也可以把每臺UPS看作一個模塊，在冗余熱備份配置的情況下，同樣可以做到故障后熱插拔修復，或者使每臺UPS都具備直接并機的功能。

4）用集成設計提高UPS的可用性，以適應由多種設備組成供電系統(tǒng)的需要。集成化UPS供電系統(tǒng)的基本思想和原則是，供電設備制造和供應的統(tǒng)一化和標準化；系統(tǒng)中供電設備和包括負載機架結構的一體化和連接的規(guī)范化；系統(tǒng)中各供電設備和環(huán)節(jié)（包括負載機架中的PDU）電源狀態(tài)管理的集中化；系統(tǒng)中各供電設備和環(huán)節(jié)結構的模塊化和連接的熱插拔功能。

一個完整的供電系統(tǒng)的組成，除UPS設備外，還有輸入配電柜、ATS轉換開關、變壓器、瞬態(tài)電壓浪涌抑制器、負載配電開關柜、柴油發(fā)電機、交流穩(wěn)壓器、電池系統(tǒng)、各種開關、斷路器、熔斷器、轉插板，上百乃至幾百個連接點和相應的傳輸線。對于一個復雜的供電系統(tǒng)如何提高其可用性呢?僅僅解決UPS設備的可靠性顯然是不夠的，根據(jù)系統(tǒng)實際運行的故障數(shù)據(jù)表明，直接由于UPS故障引起系統(tǒng)宕機的比例畢竟是較少的，由于系統(tǒng)中其他設備和環(huán)節(jié)以及人為事故造成的故障，或者由此引發(fā)的UPS故障占大多數(shù)。但是模塊化、冗余配置、熱插拔修復等設計原則還是適用的。當然，系統(tǒng)中各種設備和管理的標準化、統(tǒng)一化和集中化，減少單路徑故障點和大面積掉電的隱患，加快建設速度和安裝的規(guī)范化、對環(huán)境和負載變化的適應性和系統(tǒng)的可擴展性、降低維護管理的難度和減少人為事故的幾率等問題，也是要研究和解決的重點。

圖7是集成化UPS供電系統(tǒng)示意圖，虛線框內是集成化所包含的內容。

圖7 集成化UPS供電系統(tǒng)示意圖

集成化UPS系統(tǒng)的特點如下：

（1）由單機模塊化＋冗余的UPS系統(tǒng)組成雙總線系統(tǒng)，是可用性等級最高的UPS供電系統(tǒng)；

（2）UPS供電系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心一體化機架式結構，整個系統(tǒng)只有電網(wǎng)進線與外接線；

（3）PDU作為基本組合的一個子系統(tǒng)，直接配置在標準的負載機架中；

（4）該系統(tǒng)結構的基本組合機柜上的服務器提供了整套基礎設施，這種基礎設施包括IT機柜中的冷卻設施、布線設施和配電設施；基礎組件包含在4個子系統(tǒng)中，即IT機柜、機架安裝PDU、環(huán)境監(jiān)控以及電源和數(shù)據(jù)電纜布線。

3.6 綠色化

各種用電設備及電源裝置產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流，對市電電源是一種污染，隨著各種政策法規(guī)的出臺，對無污染的綠色UPS的呼聲越來越高。要求UPS做到使用戶負載既不受已污染的市電電源的影響，同時用戶負載產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流也不要污染市電。對于串并聯(lián)補償式UPS，它已經(jīng)具備了這種功能，對于傳統(tǒng)雙變換UPS，除在輸入端加裝高效輸入濾波器外，還應在輸入整流器部分采用數(shù)控有源功率因數(shù)校正技術(PFC)，這樣就可以提高輸入功率因數(shù)，減少對市電電源的污染。

3.7 EPS的發(fā)展趨勢

由于EPS所帶負載類型的復雜性和環(huán)境的相對固定性，針對不同場合、不同負載，可對EPS功能做得更貼近現(xiàn)實應用。其中包括以下幾方面。

1）結構組成普通EPS為了更好地結合實際應用，往往采用“多合一”的結構設計，但由于負載及環(huán)境的復雜性，也由此帶來設備標準化和設計院所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設計，將主機與輸入或輸出配電分離開來。主機模塊完成主要的能量轉換及通訊控制功能；配電模塊實現(xiàn)豐富的配電管理功能。主機模塊通過標準控制接口實現(xiàn)對配電模塊的管理，如雙電源自動切換功能，多回路輸出功能，消防聯(lián)動功能均應在配電模塊中實現(xiàn)。

2）配電模塊應增加功能EPS用于緊急負載的供電，其負載往往為非單一的負載，而這些負載在緊急情況下的關鍵程度不盡相同，因此，對于EPS來說，某些配電管理功能至關重要。

（1）順序啟動功能諸如，EPS的負載很大一部分是感性沖擊負載，具有較大的啟動電流，在選型時必須加大EPS容量，從而造成設備資源的浪費以及用戶成本的增加。實際上，由于EPS負載供電的可間斷性，EPS可增加一個8路或16路的可編程配電管理接口，通過對負載啟動的順序、時間進行控制，可在很大程度上解決啟動沖擊電流和加大選型容量的問題。

（2）部分卸載功能由EPS負載性質決定，當過載發(fā)生時，需要EPS盡可能繼續(xù)工作，而不能象UPS那樣進行保護性關機，因此，同樣可通過配電管理接口卸除次要負載。

3）電池管理由于EPS的使用環(huán)境一般較UPS惡劣，為盡可能延長蓄電池的使用壽命，充電器應同時具備以下功能：

（1）可設定充電限流；

（2）可設定電池放電終止電壓；

（3）具有自動浮充功能，充電機制應符合DIN41773標準；

（4）具有浮充電壓溫度補償功能；

（5）智能電池檢測功能；

（6）深放電保護(可強制應急)。

4）變頻起動功能目前變頻起動型EPS的設計，如圖8所示，主要著眼于解決較大電動機，如電梯、水泵、風機等負載的起動沖擊問題，但更為合理的設計，應該是在線式UPS與變頻器技術的完美結合。在線式UPS具有成熟的整流、電池管理技術；變頻器具有成熟的變頻控制技術，兩者的有機結合才是這一應用領域的最終發(fā)展方向。

圖8 變頻起動

4 鳴謝

本文摘引近兩年《UPS應用》雜志曾發(fā)表過的文章，謹向原文作者表示感謝。