UPS拓撲結構對供電系統(tǒng)高可用性的影響

　USP供電系統(tǒng)的“高可用性”要求其系統(tǒng)必須具備可靠性、功能性、可維護性和容錯性四個要素，而UPS內(nèi)部拓撲結構對系統(tǒng)的可靠性和功能性起著決定作用?？捎眯缘年P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(tǒng)選擇，本文對UPS內(nèi)部不同的拓撲結構進行分析和*估，說明個結構如何對“高可用性”電源系統(tǒng)的四個要素產(chǎn)生影響的。
　　一、UPS拓撲結構：離線式UPS或后備式電源(SPS)
　　離線式拓撲結構是最簡單的一種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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成交流電，當市電故障時為負載供電。逆變器通常運行于待機模式，保持對電池充電。如果市電超 過規(guī)定范圍，逆變器通過電池向負載供電。該拓撲結構被稱為“單變換”，因為在任何時候，電源只能轉(zhuǎn)換一次(交流轉(zhuǎn)換為直流或直流轉(zhuǎn)換為交流)。正常運行情 況下，少量交流電轉(zhuǎn)換為直流電，保持對電池供電。輸入市電電超出規(guī)定范圍時，UPS檢測到電源故障，切換繼電器動作，輸出逆變器啟動逆變器將電池提供的直 流電轉(zhuǎn)換成交流電，向負載供電。
　　離線式UPS價格非常低廉，僅適合于家用或為向只需要實施斷電保護應用的單臺計算機工作站供電的情形。有時離線式產(chǎn)品內(nèi)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(diào)節(jié)。
　　離線式UPS在設計簡單性方面得分較高，而在其它測量方面則稍有欠缺。離線式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：互動式UPS
　　互動式UPS拓撲結構，如圖2所示。該結構與離線式UPS產(chǎn)品類似，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行調(diào)節(jié)。也就是說在輸入電壓較高和較低狀況下，“降壓和升壓”電路能夠進行相應的 調(diào)節(jié)。
　　四象限變換器一般為恒壓設備。負載或輸入電壓變化時，四象限變換器通過調(diào)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。
　　互動式UPS產(chǎn)品的另一個不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負載與輸入電源間實現(xiàn)隔離。頻率出現(xiàn)微擾和電源質(zhì)量較差，將直接影響到重要負載。若不實施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負載的正常工作。
　　互動式UPS產(chǎn)品的另一個不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負載與輸入電源間實現(xiàn)隔離。頻率出現(xiàn)微擾和電源質(zhì)量較差，將直接影響到重要負載。若不實施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負載的正常工作。
　　與離線式UPS相同，互動式UPS產(chǎn)品價格可能較低，而效率高，原因是，它僅在輸入電源異常時向重要負載供電，且僅在電池工作期間運作。與離線 式UPS相比，互動式UPS設備由于其串聯(lián)電感器以及電源調(diào)節(jié)功能，在效率方面有所損耗。另外，當UPS轉(zhuǎn)換為電池供電時，通常至少會出現(xiàn)一點(但可測) 電壓跌落。
　　發(fā)電機兼容性
　　離線式UPS和互動式UPS產(chǎn)品需要輸入電源的頻率和相位非常穩(wěn)定。電源頻率必須穩(wěn)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(tǒng)輸出頻率才能與輸入頻率相同，除非UPS通過電池運行。
　　比較典型的運行問題是當啟動發(fā)電機上的其它負載時，發(fā)電機的輸出頻率將發(fā)生很大變化，從而導致離線式UPS或互動式UPS通過電池放電。該問題 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放電，將大大縮短電池壽命。另一個潛在問題是UPS負載加載時，發(fā)電機輸出會不穩(wěn)定，也 就是說UPS負載的突加，會導致發(fā)電機電壓和頻率跌落，從而導致UPS進入電池放電的運行狀態(tài)。當發(fā)電機輸出穩(wěn)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，UPS將再次進入電池放電狀態(tài)。
　　對于雙變換UPS則不會出現(xiàn)上述問題。雙變換UPS調(diào)整輸入電源，而且可以容許電源頻率出現(xiàn)較大變化，同時繼續(xù)提供穩(wěn)定的輸出頻率，而無需使用 電池供電。而且，雙變換UPS主要制造商已經(jīng)開發(fā)出減少輸出電流畸變的技術，極大地提高UPS與發(fā)電機的兼容性，使負載規(guī)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，不會發(fā)生運行問題。
　　三、UPS拓撲結構：具有功率因數(shù)校正功能的在線性互動式結構(包括“Delta變換式”產(chǎn)品)
　　近年來，有幾家公司推出了具有功率因數(shù)校正功能的在線互動式三相UPS產(chǎn)品。與離線式產(chǎn)品和一般的互動式產(chǎn)品相比，這些產(chǎn)品改善了電源的調(diào)控性 能，提高了輸出的電源質(zhì)量。但同時也產(chǎn)生了一些不利因素，如有源功率調(diào)節(jié)會使效率降低。實際上，在帶非線性負載(一般為計算機負載)時，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而言往往是有過之而無不及。及為容易誤導用戶的是，該種類型的在線互動式產(chǎn)品甚至被標榜為 “在線式”產(chǎn)品，因為其逆變器始終“運行”，提供電壓調(diào)節(jié)或輸入功率因數(shù)校正。