艾默生網(wǎng)絡(luò)能源西安有限責(zé)任公司 羅建震 王生范 沈?qū)毶?/p>

小功率UPS供電可靠性淺析

艾默生網(wǎng)絡(luò)能源西安有限責(zé)任公司 羅建震 王生范 沈?qū)毶?/p>

小功率UPS作為一種重要的電源設(shè)備，需要不斷地提高設(shè)備本身的可靠性，改善輸入電流和輸出電壓波形的質(zhì)量。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)與微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)小功率UPS的供電可靠性提出了更高的要求。本文介紹了小功率UPS常見的各種不同的供電方案與結(jié)構(gòu)。以框圖形式形象地介紹了各種不同供電方案的系統(tǒng)組成。首先闡述了UPS輸入工作的可靠性，其次介紹了UPS單機(jī)輸出不同供電方案的結(jié)構(gòu)和原理，最后分析了UPS并機(jī)輸出時(shí)的供電結(jié)構(gòu)和原理。

UPS；并機(jī)；可靠性

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些重要場(chǎng)合對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量、穩(wěn)定性和連續(xù)性的要求不斷提高，于是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）應(yīng)運(yùn)而生。它是連接電網(wǎng)與用電設(shè)備的橋梁，是減小電網(wǎng)負(fù)荷、降低電網(wǎng)污染、改善供電質(zhì)量且當(dāng)電網(wǎng)供電出現(xiàn)故障時(shí)，能為用電設(shè)備提供不間斷電能的一種電力電子電源設(shè)備[1]。

近年來，隨著用電設(shè)備對(duì)供電電源性能和可靠性的要求不斷提高，UPS得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

如今，計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和電力電子技術(shù)快速發(fā)展，促使UPS廣泛應(yīng)用于金融、政府、工礦企業(yè)、電信、國(guó)防、醫(yī)院、互聯(lián)網(wǎng)以及學(xué)校等眾多領(lǐng)域，遍及信息處理和應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，起著至關(guān)重要的作用。供電電源的質(zhì)量好壞直接影響到用電設(shè)備的可靠性，電源不穩(wěn)定或中斷都可能造成無(wú)法挽回的重大損失，尤其在一些特殊行業(yè)中甚至?xí)绊懮踩?。因此，UPS電源的穩(wěn)定性以及供電質(zhì)量成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。

UPS可以分為后備式UPS、在線互動(dòng)式UPS、雙變換在線式UPS和Delta變換式UPS[1]。

圖1 UPS原理框圖

目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的為雙變換在線式UPS，其原理框圖如圖1所示。主要由整流器、逆變器、充電器、蓄電池、轉(zhuǎn)換開關(guān)等部分組成，工作方式有[1]：

（1）當(dāng)市電正常時(shí)，市電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換為直流電，然后經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成期望幅值和頻率的交流電，提供給負(fù)載。市電經(jīng)充電器給蓄電池組充電。這是UPS的主要的工作模式。

（2）當(dāng)市電異常而蓄電池電量充足時(shí)，由蓄電池給逆變器供電，然后再提供給負(fù)載。

（3）當(dāng)逆變器未開啟或發(fā)生故障時(shí)，市電經(jīng)旁路給負(fù)載供電。

（4）當(dāng)UPS維修時(shí)，市電經(jīng)維修旁路為負(fù)載提供電能[1]。

本文所述小功率UPS，是指功率不超過20kVA的UPS產(chǎn)品。

1 小功率UPS輸入供電可靠性

由圖1可以看出，UPS輸入供電來源有交流輸入電網(wǎng)和蓄電池組。當(dāng)交流輸入電網(wǎng)正常時(shí)，由交流輸入電網(wǎng)經(jīng)過整流器變換為直流母線電壓，作為逆變器的輸入源。當(dāng)交流輸入電網(wǎng)發(fā)生故障或者無(wú)法提供足夠的能量時(shí)，UPS的輸入源由交流輸入電網(wǎng)切換至蓄電池組供電。蓄電池組經(jīng)過放電器轉(zhuǎn)換為直流母線電壓，作為逆變器的輸入源。實(shí)現(xiàn)UPS繼續(xù)為負(fù)載供電的功能，保證負(fù)載的不間斷運(yùn)行。

當(dāng)交流輸入電網(wǎng)故障清除，則UPS的輸入源由蓄電池組再回切到交流輸入電網(wǎng)。然后，充電器開始為蓄電池組充電。

小功率UPS前級(jí)的交流輸入電網(wǎng)也可能是發(fā)電機(jī)。由于發(fā)電機(jī)容量有限，當(dāng)UPS輸出帶負(fù)載從蓄電池組供電切換至發(fā)電機(jī)供電時(shí)，可能會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成沖擊，嚴(yán)重時(shí)，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)自保護(hù)關(guān)機(jī)。此時(shí)，由于發(fā)電機(jī)無(wú)法給UPS供電，則UPS會(huì)切換到蓄電池組供電。由于蓄電池組供電能力有限，導(dǎo)致UPS系統(tǒng)供電可靠性降低。

為了提高UPS輸入供電可靠性，可以在UPS從蓄電池組模式切換發(fā)電機(jī)模式過程中，加入Power walk-in功能，即，UPS從蓄電池組模式向發(fā)電機(jī)模式切換并非瞬間完成。具有Power walk-in功能后，當(dāng)UPS需要從蓄電池組模式向發(fā)電機(jī)模式切換時(shí)，蓄電池組的輸出電流由承擔(dān)全部負(fù)載的最大值緩慢、線性下降，同時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出電流由0緩慢、線性上升。直到蓄電池組的電流下降到0，則全部負(fù)載由發(fā)電機(jī)承擔(dān)。在Power walk-in過程中，蓄電池組和發(fā)電機(jī)同時(shí)向UPS供電，二者共同負(fù)擔(dān)UPS負(fù)載。

借助于Power walk-in功能，避免了UPS從蓄電池組切換到發(fā)電機(jī)時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)造成的沖擊，從而提高了UPS輸入切換的可靠性，提高了UPS整機(jī)系統(tǒng)的供電可靠性。

針對(duì)Power walk-in功能，在一款UPS產(chǎn)品上進(jìn)行了調(diào)試和驗(yàn)證，UPS從蓄電池組模式切換到交流輸入電網(wǎng)過程波形如下圖2所示。

圖2 UPS執(zhí)行Power walk-in實(shí)驗(yàn)波形

以上圖2中波形說明：下方深色波形為蓄電池組放電電流波形，波形正中淺色喇叭狀放大波形為交流電網(wǎng)輸入電流波形。從以上圖2可以明顯看出，具有Power walk-in功能后，UPS從蓄電池組模式向交流電網(wǎng)輸入切換時(shí)，蓄電池和交流輸入電網(wǎng)同時(shí)為直流母線供電。切換過程中，蓄電池組提供的電能線性下降，而交流電網(wǎng)提供的電能線性上升。直到蓄電池組提供電能下降為0，則直流母線全部由交流電網(wǎng)輸入提供電能。

關(guān)于小功率UPS供電方案中的電池供電環(huán)節(jié)的說明在上文第1節(jié)中介紹和說明。下文重點(diǎn)闡述和介紹UPS輸出供電方案，不再贅述電池供電環(huán)節(jié)。

2 小功率UPS單機(jī)輸出供電可靠性

UPS單機(jī)供電結(jié)構(gòu)為最簡(jiǎn)單的一種供電方案，一般常見于小型網(wǎng)絡(luò)、單獨(dú)服務(wù)器和辦公區(qū)域等場(chǎng)合。該供電方案的配電設(shè)計(jì)和工程施工比較簡(jiǎn)單，但可靠性較低[3]。

2.1 旁路備份逆變器

當(dāng)UPS逆變器正常時(shí)，由逆變器將直流母線電壓變換為高質(zhì)量的期望幅值和頻率的交流電壓輸出，為關(guān)鍵負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)和可靠的電力供應(yīng)。當(dāng)逆變器發(fā)生故障或者過載等工況時(shí)，通過合理操作UPS的輸出開關(guān)，實(shí)現(xiàn)UPS輸出由逆變器及時(shí)切換到旁路模式。由UPS旁路繼續(xù)為負(fù)載提供電能，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷運(yùn)行。

當(dāng)逆變器的故障消除，則UPS輸出由旁路供電模式回切至逆變供電，從而繼續(xù)為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)的電能供應(yīng)。

為了提高UPS輸出切換的可靠性，當(dāng)UPS的旁路電壓正常時(shí)，則逆變器輸出電壓的相位跟蹤旁路電壓相位。當(dāng)逆變電壓相位與旁路電壓相位相同時(shí)，則UPS的輸出可以實(shí)現(xiàn)在旁路和逆變器之間自然無(wú)縫切換。因?yàn)榕月冯妷汉湍孀冸妷旱南辔灰恢?，則同一時(shí)刻，旁路電壓和逆變電壓的壓差較小。此舉提高了UPS輸出切換過程的安全性和可靠性。

如果UPS的旁路電壓異常，則UPS的逆變電壓相位與旁路電壓相位不一致。此時(shí)，可以設(shè)計(jì)UPS的輸出電壓切換時(shí)刻發(fā)生在電壓過零點(diǎn)附近。因?yàn)榻涣麟妷涸谶^零點(diǎn)附件時(shí)的電壓幅值較小，那么，UPS輸出電壓在過零點(diǎn)附近切換時(shí)，沖擊電流較小，則UPS的輸出切換動(dòng)作也比較安全。

2.2 維修旁路

如圖1所示，在小功率UPS的旁路之外，配備有維修旁路。維修旁路是為了方便技術(shù)支持人員在線維修UPS而設(shè)計(jì)。當(dāng)UPS內(nèi)部發(fā)生較為嚴(yán)重的故障，需要在線接觸UPS內(nèi)部的帶電器件，同時(shí)，需要保證負(fù)載繼續(xù)運(yùn)行。此時(shí)，可以下發(fā)UPS切維修旁路命令，則負(fù)載全部由UPS的維修旁路進(jìn)行供電。此時(shí)，交流電網(wǎng)輸入經(jīng)過UPS的維修旁路，給負(fù)載供電。在此供電模式下，UPS內(nèi)部所有部件全部被旁路，即UPS內(nèi)部完全不帶電。此時(shí)，技術(shù)支持人員可以在線安全地拆除、更換和測(cè)量UPS內(nèi)部的器件。

2.3 熱備份串聯(lián)供電

為了提高小功率UPS供電可靠性，在單臺(tái)UPS供電方案的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了“熱備份串聯(lián)供電”方案，該供電方案原理圖如圖3所示。

圖3 小功率UPS熱備份串聯(lián)供電方案原理

該供電方案在單臺(tái)UPS供電框架基礎(chǔ)上，再增加一臺(tái)UPS，分別稱為主機(jī)和從機(jī)，如圖3所示。主機(jī)和從機(jī)均為完整的UPS單機(jī)，主機(jī)和從機(jī)的輸入均為交流電網(wǎng)輸入。從機(jī)的旁路輸入也接交流電網(wǎng)輸入，但是，主機(jī)的旁路接從機(jī)的逆變器輸出。

當(dāng)主機(jī)正常時(shí)，全部負(fù)載由主機(jī)的逆變器輸出提供電能。從機(jī)的逆變器開啟，但其輸出未接負(fù)載，其輸出接主機(jī)的旁路。一旦，主機(jī)逆變器發(fā)生故障，則主機(jī)輸出將切換到旁路供電。而主機(jī)的旁路為從機(jī)的逆變器輸出，實(shí)現(xiàn)了為負(fù)載的不間斷供電。由于主機(jī)切旁路供電時(shí)，旁路電壓為從機(jī)的逆變器輸出電壓，故此時(shí)不僅為負(fù)載提供了不間斷的電能，而且提供了優(yōu)質(zhì)的電能。

當(dāng)從機(jī)的逆變器也發(fā)生故障時(shí)，則從機(jī)輸出由逆變器切換至旁路供電。此時(shí)，負(fù)載由旁路電壓供電，繼續(xù)保證負(fù)載的不間斷運(yùn)行。

2.4 雙母線供電系統(tǒng)

雙母線供電方案結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。供電系統(tǒng)由兩臺(tái)相同型號(hào)和容量的UPS組成。兩臺(tái)UPS的輸入可以接同一交流電網(wǎng)，也支持接不同的交流電網(wǎng)。兩臺(tái)UPS的輸出均連接到靜態(tài)切換開關(guān)（Static Transfer Switch，STS）或者自動(dòng)切換開關(guān)（Automatic Transfer Switch，ATS），切換開關(guān)輸出接負(fù)載。

兩臺(tái)UPS之間連接有LBS（Load Bus Synchronization）通信線纜，該線纜中包含兩臺(tái)UPS的輸出電壓同步信號(hào)，用來實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)UPS的輸出電壓同步。

圖4 雙母線供電方案結(jié)構(gòu)

在雙母線系統(tǒng)供電之前，需要設(shè)置其中一臺(tái)UPS為主機(jī)，另外一臺(tái)UPS為從機(jī)[2]。主機(jī)優(yōu)先給負(fù)載供電，從機(jī)處于備份等待狀態(tài)。一旦主機(jī)輸出側(cè)發(fā)生故障，導(dǎo)致無(wú)法正常為負(fù)載提供電能時(shí)。由于LBS線纜保證了主機(jī)和從機(jī)輸出電壓的同步，則STS或ATS可以將負(fù)載由主機(jī)不間斷地切換到從機(jī)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷運(yùn)行，提高了供電的可靠性。

雙母線供電方案中，雖然存在兩臺(tái)UPS，但每臺(tái)UPS均運(yùn)行在單機(jī)供電狀態(tài)。同一時(shí)刻，只有一臺(tái)UPS承擔(dān)全部負(fù)載，另外一臺(tái)機(jī)器處于空載運(yùn)行狀態(tài)[4]。

3 小功率UPS并機(jī)輸出供電可靠性

目前，大容量、高可靠性是UPS系統(tǒng)的發(fā)展方向，而UPS并聯(lián)技術(shù)是滿足該發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)。這是由于UPS并聯(lián)系統(tǒng)不僅使系統(tǒng)的擴(kuò)容成為可能，而且其冗余工作模式提高了整個(gè)系統(tǒng)供電的可靠性。

小功率UPS的并機(jī)方案有塔式并機(jī)、機(jī)架式并機(jī)和模塊化并機(jī)等。塔式并機(jī)方案出現(xiàn)較早，隨著UPS并機(jī)供電方案的不斷發(fā)展和完善，逐漸演變?yōu)闄C(jī)架式并機(jī)。塔式并機(jī)方案和機(jī)架式并機(jī)方案從供電結(jié)構(gòu)和維護(hù)角度來看，二者基本類似。故本文將塔式并機(jī)方案和機(jī)架式并機(jī)方案均稱為直接并機(jī)供電方案。

3.1 直接并機(jī)供電

直接并機(jī)供電方案結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，該供電結(jié)構(gòu)圖表面上與圖4類似，但UPS具體的運(yùn)行行為與狀態(tài)則完全不同。

圖5 兩臺(tái)UPS直接并機(jī)供電方案結(jié)構(gòu)

該供電方案由兩臺(tái)及以上相同型號(hào)和容量的UPS組成，圖5以兩臺(tái)UPS并機(jī)為例，繪制出UPS直接并機(jī)供電方案結(jié)構(gòu)圖。

在UPS直接并機(jī)供電方案中，各臺(tái)UPS主路和旁路輸入均接交流電網(wǎng)輸入，各臺(tái)UPS的輸出通過功率輸出分配模塊（Power Output Distribution，POD）或者功率分配單元（Power Distribution Unit，PDU）并聯(lián)在一起，共同為負(fù)載提供電能。并聯(lián)系統(tǒng)中各臺(tái)UPS均分負(fù)載能量。

如圖5所示，該供電方案中，各臺(tái)UPS輸出端除了功率電纜，還需要連接并機(jī)線纜。通過并機(jī)線纜實(shí)現(xiàn)各臺(tái)UPS的穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行，以及實(shí)現(xiàn)各臺(tái)UPS均分負(fù)載[5]。

當(dāng)供電系統(tǒng)中的某一臺(tái)或幾臺(tái)UPS故障時(shí)，故障的機(jī)器可以自動(dòng)退出并機(jī)系統(tǒng)，由剩余的UPS繼續(xù)均分負(fù)載，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的繼續(xù)、可靠運(yùn)行。

該供電方案使得供電系統(tǒng)擴(kuò)容成為可能。隨著用電負(fù)荷的增大，如果先前的供電系統(tǒng)難以承受當(dāng)前的負(fù)載。此時(shí)，可以通過增加一臺(tái)或多臺(tái)UPS，新增的UPS以并聯(lián)的形式加入到先前的供電系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的擴(kuò)容運(yùn)行。

3.2 模塊化并聯(lián)供電

隨著小功率UPS并機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及小功率UPS應(yīng)用場(chǎng)合的不斷拓展，UPS的并聯(lián)方式出現(xiàn)了模塊化并聯(lián)的形式。模塊化并聯(lián)的優(yōu)勢(shì)在于：實(shí)現(xiàn)UPS模塊在線熱插拔，使得UPS模塊在線加入和退出并聯(lián)供電系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。

模塊化并聯(lián)供電方案的出現(xiàn)，極大方便了UPS模塊的維修、更換和擴(kuò)容。使得UPS的維修、更換和擴(kuò)容無(wú)需更改UPS的供電狀態(tài)。在提高UPS維護(hù)效率的同時(shí)，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。

模塊化并聯(lián)供電方案極大提高了UPS供電系統(tǒng)的可靠性，模塊化并聯(lián)供電結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 模塊化并聯(lián)UPS供電方案結(jié)構(gòu)圖

模塊化并聯(lián)UPS供電系統(tǒng)由若干個(gè)功率模塊、若干個(gè)電池模塊、若干個(gè)充電器模塊、集中旁路和輸出切換開關(guān)組成。各模塊之間的能量流向如圖6所示。

模塊化并聯(lián)UPS供電方案不僅實(shí)現(xiàn)了功率模塊的在線熱插拔更換，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電池模塊和充電器模塊的在線熱插拔更換。該供電方案極大提升了功率擴(kuò)容、電池?cái)U(kuò)容和充電器擴(kuò)容操作的可靠性和效率。

4 結(jié)論

文章闡述了小功率UPS的輸入供電結(jié)構(gòu)，分析了該供電結(jié)構(gòu)對(duì)小功率UPS輸入供電可靠性的提升原理。詳細(xì)介紹了小功率UPS單機(jī)輸出方式下，各種不同的供電方案，以及不同供電結(jié)構(gòu)的供電可靠性。最后分析了UPS不同并聯(lián)方式的工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?；诒疚模槍?duì)不同的小功率UPS應(yīng)用場(chǎng)合與工況，可以有針對(duì)性地選擇最優(yōu)的供電方案與結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)為負(fù)載提供更為可靠和優(yōu)質(zhì)的電能供應(yīng)。

[1]楊茜．UPS逆變器控制系統(tǒng)及并機(jī)CAN總線通信研究[D]．合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2015．

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Reliability Analysis of Small Power UPS Power Supply

Luo Jianzhen Wang shengfan Shenbaoshan
（Emerson Network Power（Xi’an）Co.，Ltd，Xi’an，Shaanxi 710075）

Small power UPS as an important power supply equipment，need to continue to improve the reliability of the device itself，improve the input current and output voltage waveform quality.With the rapid development of power electronics technology，control technology and microprocessor technology，people put the higher power UPS power supply reliability put forward higher requirements.This article describes the different power supply schemes and structures common to small power UPS.The system components of various power supply schemes are presented in a block diagram form.Firstly，the reliability of UPS input operation is described.Secondly，the structure and principle of UPS power supply scheme are introduced. Finally，the power supply structure and principle of UPS parallel output are analyzed.

UPS；parallel；reliability

羅建震（1982—），男，陜西延安人，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q器控制技術(shù)研究。