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(yīng)不足，導(dǎo)致大面積的拉閘限電，嚴(yán)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(yùn)轉(zhuǎn)，戶外的無線通信業(yè)務(wù)由于停電無法正常運(yùn)行，金融信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于電網(wǎng)質(zhì)量導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸變慢、異?；虿糠滞I(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(fù)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(yùn)行。大量的現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)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(shè)備的危害，保證信息網(wǎng)絡(luò)時刻安全運(yùn)行?？梢姡瑸榱吮ＷC數(shù)字化建設(shè)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(tǒng)技術(shù)方案，謹(jǐn)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(jìn)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(jī)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(yùn)行。

2.UPS的分類及主要特點(diǎn)

從UPS技術(shù)特點(diǎn)來看，UPS的分類一般以輸出逆變器工作方式來區(qū)分，通?？煞譃楹髠涫?、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(dú)立出來，稱之為在線互動式，但嚴(yán)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(yīng)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(yīng)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(yán)酷的環(huán)境條件下正常工作。

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

(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(jī)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(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(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(yīng)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(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(yīng)用中基本上可以達(dá)到真正意義上的零電源故障。因此，用戶在進(jìn)行高可靠供電系統(tǒng)設(shè)計時，可以根據(jù)負(fù)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(jī)(UPS2)的輸出作為主機(jī)(UPS1)的旁路備份輸入，這樣當(dāng)主機(jī)的主逆變器輸出故障轉(zhuǎn)到旁路時，負(fù)載仍然處于備機(jī)UPS雙備份供電模式的可靠保護(hù)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(fù)載供電;正常時冗余轉(zhuǎn)換器讓主輸入的電源 (例如UPS1)對負(fù)載供電，當(dāng)主輸入電源故障時冗余轉(zhuǎn)換器快速將負(fù)載轉(zhuǎn)移到備份輸入的電源上，完成負(fù)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(fù)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(fù)載設(shè)備的穩(wěn)定安全運(yùn)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(jìn)行直接的并聯(lián)，共同均分負(fù)載電流，不存在主從關(guān)系。當(dāng)某臺UPS出現(xiàn)故障時，該機(jī)將自動退出并聯(lián)系統(tǒng)，負(fù)載電流100%由剩余的一臺UPS供電，輸出不間斷;在故障機(jī)維修完成后，可以將修復(fù)的UPS單元在線并入，繼續(xù)對負(fù)載進(jìn)行冗余供電，完成并聯(lián)系統(tǒng)的在線熱維護(hù)。

三、三種提高可靠性方案的比較

比較項(xiàng)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(fù)載切換時間10ms5ms0ms

相互通信不需不需有線并機(jī)時需要;無線并機(jī)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(fù)載的啟動能力加強(qiáng)。

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

負(fù)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(jī)，確保電池的壽命不需對換。

可維護(hù)性差，一般要停機(jī)維護(hù)好，可以在線熱維護(hù)好，可以在線熱維護(hù)。

備份模式一般是1+1形式，再增加時沒有實(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(tǒng)成本低一般高

適用場合負(fù)載3-10KVA 負(fù)載0.5-3KVA 負(fù)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。