1 交流不間斷電源應(yīng)用概況

在早期的信息通信系統(tǒng)中，通信設(shè)備的不間斷供電主要由高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)，通信設(shè)備采用的是直流供電模式。采用直流供電模式，理論上來(lái)說(shuō)，可以起到提高通信質(zhì)量的作用。早期的通信設(shè)備功率較小，一臺(tái)交換機(jī)機(jī)柜的功率一般只有幾百瓦，一個(gè)交換局即使有100臺(tái)機(jī)柜，總功率也只有幾十kW，采用1套-48 V的直流電源來(lái)供電可以滿足要求。采用直流供電系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，蓄電池組與直流配電的輸出端可以直接并聯(lián)，輸出至通信設(shè)備，這使得直流電源系統(tǒng)的供電可靠性相對(duì)較高。

為了滿足業(yè)務(wù)開(kāi)展的需要，運(yùn)營(yíng)商配套建設(shè)了很多IT系統(tǒng)，如計(jì)費(fèi)賬務(wù)系統(tǒng)，經(jīng)營(yíng)分析系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)以服務(wù)器、計(jì)算機(jī)終端為主，設(shè)備采用交流供電。另一方面，隨著信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)迅猛增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以路由器和IP交換機(jī)為核心，這些設(shè)備也是采用交流供電。

近十幾年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）從無(wú)到有，尤其是近幾年，隨著網(wǎng)絡(luò)視頻、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，IDC業(yè)務(wù)的市場(chǎng)高速發(fā)展，數(shù)據(jù)顯示，2019年，中國(guó)IDC業(yè)務(wù)的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了1 562.5億元人民幣，比上年增長(zhǎng)27.2%，預(yù)計(jì)到2022年，市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)3 200億元[1]。對(duì)通信運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，隨著通信網(wǎng)絡(luò)的IP化，運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)資源部署正從區(qū)域分層組網(wǎng)轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)中心為核心的組網(wǎng)，大量傳統(tǒng)的電話端局機(jī)房也在向數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型重構(gòu)，數(shù)據(jù)中心將是信息通信網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。數(shù)據(jù)中心內(nèi)以大量的服務(wù)器機(jī)柜為主，服務(wù)器采用交流供電。而要實(shí)現(xiàn)交流不間斷供電，就必須采用交流不間斷電源（UPS）。

由上面的分析可知，隨著信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)中的交流用電設(shè)備將不斷增多，交流不間斷的供電模式將應(yīng)用得越來(lái)越多，且越來(lái)越重要。

本文將從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，介紹交流不間斷電源（UPS）的分類(lèi)，探討信息通信系統(tǒng)中UPS的類(lèi)型選擇，針對(duì)UPS的各種運(yùn)行方式，探討最適合信息通信系統(tǒng)使用的運(yùn)行方式，并對(duì)后備蓄電池的容量配置提出建議，最后對(duì)UPS的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 UPS的分類(lèi)與選擇

UPS的分類(lèi)方式有很多種，可以按照安裝方式、輸入輸出相數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、整流方式等進(jìn)行分類(lèi)。

按照UPS的安裝方式，UPS可以分為塔式UPS和機(jī)架式UPS。所謂塔式UPS就是指UPS設(shè)備外形為獨(dú)立的設(shè)備機(jī)柜，安放于機(jī)房地面上；而機(jī)架式UPS是指UPS設(shè)備安裝于19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)軌固定。塔式UPS由于外形幾乎不受限制，容量范圍很寬，一般為1 kVA～600 kVA，甚至有的廠商單機(jī)UPS容量可大于1 000 kVA。而機(jī)架式UPS由于受標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜尺寸和承重的限制，一般不大于30 kVA。

按照UPS的輸入輸出方式，UPS可以分為單進(jìn)單出型UPS、三進(jìn)單出型UPS、三進(jìn)三出型UPS，單進(jìn)單出型UPS是指UPS的輸入和輸出均為單相交流電，主要為小功率UPS，輸出功率范圍一般為1 kVA～10 kVA；三進(jìn)單出型UPS是指UPS的輸入為三相交流電，輸出為單相交流電，輸出功率范圍一般為5 kVA～30 kVA；三進(jìn)三出型UPS是指UPS的輸入和輸出均為三相交流電，輸出功率范圍一般為10 kVA以上。

按照UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，UPS可以分為后備式UPS、在線互動(dòng)式UPS和雙變換式UPS[2]。后備式UPS主要由充電器、逆變器和自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)構(gòu)成，后備式UPS的輸出功率一般較小，一般在2 kVA以下；在線互動(dòng)式UPS主要包括一個(gè)雙向變換器和一個(gè)交流電源接口，輸出功率一般也不大，一般在10 kVA以下；雙變換式UPS一般包括整流器、逆變器、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等，容量范圍很寬，大、中容量的UPS均為雙變換式UPS。以上三種UPS，只有雙變換式UPS的可靠性、穩(wěn)定性、供電質(zhì)量、切換時(shí)間等可以滿足信息通信設(shè)備的要求，因此，在信息通信系統(tǒng)中，一般均采用雙變換式UPS。

對(duì)于雙變換式UPS，按照整流方式又可以分為可控硅整流型UPS和IGBT整流型UPS，相對(duì)于可控硅整流型UPS，IGBT整流型UPS體積相對(duì)較小，重量較輕，轉(zhuǎn)換效率更高，因此在信息通信系統(tǒng)中，IGBT整流型UPS已經(jīng)成為了主流應(yīng)用類(lèi)型。

目前在業(yè)界通常將可控硅整流型UPS稱(chēng)為工頻UPS，IGBT整流型UPS稱(chēng)為高頻UPS，需要指出的是，這僅僅是一個(gè)通俗的市場(chǎng)化稱(chēng)呼，而無(wú)論是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，還是在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，均沒(méi)有工頻機(jī)和高頻機(jī)的定義。

可控硅整流型UPS由于是一種降壓整流方式，因此一般來(lái)說(shuō)需要在輸出前配置輸出隔離變壓器進(jìn)行升壓。但是，這也不是絕對(duì)的，筆者曾經(jīng)見(jiàn)過(guò)可控硅整流型UPS不帶輸出隔離變壓器的產(chǎn)品，這種UPS在整流器后面增加了Boost升壓電路，從而在逆變器后端不再需要配置輸出隔離變壓器來(lái)進(jìn)行升壓。

IGBT整流型UPS的整流器由于采用的是IGBT整流器，其輸出直流電壓可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)高低，直流輸出電壓可達(dá)800 V，因此逆變器后端無(wú)需再配置輸出隔離變壓器即可以滿足輸出電壓的要求。但是，市場(chǎng)上也有帶輸出隔離變壓器的IGBT整流型UPS，原因是IGBT整流器的直流輸出電壓不夠高，或者是希望通過(guò)增加隔離變壓器來(lái)隔離后端負(fù)載的沖擊。

近年來(lái)，模塊化UPS得到廣泛的應(yīng)用，模塊化UPS是由若干臺(tái)功率模塊組成，有的還帶有集中的旁路裝置、充電裝置。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的每臺(tái)功率模塊均相當(dāng)于1臺(tái)獨(dú)立的IGBT整流型UPS。模塊化UPS由于功率模塊可以熱插拔，其系統(tǒng)可用性和可維護(hù)性理應(yīng)得到較大的提升，但是，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的功率模塊數(shù)量較多時(shí)，如何控制環(huán)流、如何使各功率模塊協(xié)調(diào)一致地工作，就非?？简?yàn)制造商的生產(chǎn)工藝水平和技術(shù)研發(fā)水平了，根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平，建議一套模塊化UPS系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)的功率模塊數(shù)量不宜大于10個(gè)。另外，單個(gè)功率模塊的容量也不應(yīng)過(guò)大，否則，單個(gè)模塊的體積和重量過(guò)大，將降低其可維護(hù)性，根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)的功率密度技術(shù)發(fā)展水平，單臺(tái)功率模塊的容量應(yīng)不大于50 kVA。

3 UPS的運(yùn)行方式和選擇

在信息通信系統(tǒng)中，由于用電設(shè)備重要性高，因此，它要求供電電源能實(shí)現(xiàn)不間斷供電。而交流不間斷電源雖然內(nèi)部配置了蓄電池，但由于蓄電池并聯(lián)在UPS內(nèi)部的直流總線上，當(dāng)市電故障停電時(shí)，蓄電池必須要通過(guò)逆變器才能輸出給負(fù)載使用，這就使得逆變器成為了一個(gè)單點(diǎn)故障點(diǎn)。

通過(guò)UPS的冗余備份，可以提升供電可靠性。冗余備份的方式有很多種，早期的串聯(lián)熱備份，雖然提升了可靠性，但并不能消除單點(diǎn)故障點(diǎn)，因此實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)很少采用。在并聯(lián)冗余方式中，有并聯(lián)熱備份冗余和并聯(lián)功率均分冗余。并聯(lián)熱備份冗余方式在故障切換時(shí)電流沖擊較大，備份單機(jī)需要快速地轉(zhuǎn)入帶載運(yùn)行，各單機(jī)的老化程度也很難同步，因此，并聯(lián)熱備份已經(jīng)應(yīng)用很少，而并聯(lián)功率均分冗余很好地避免了這些缺點(diǎn)，N+1并聯(lián)冗余的UPS供電系統(tǒng)圖如圖1所示，其中，N是指基本需求，1為備份。圖中的虛線是指組成并機(jī)系統(tǒng)的N+1臺(tái)單機(jī)需要并機(jī)同步輸出。

圖1 N+1并聯(lián)冗余UPS供電系統(tǒng)

并聯(lián)功率均分冗余的難點(diǎn)在于組成并機(jī)系統(tǒng)的各臺(tái)單機(jī)UPS間的環(huán)流抑制問(wèn)題和負(fù)載均分問(wèn)題，在實(shí)踐中，這很難得到完美的解決。另一方面，當(dāng)發(fā)生過(guò)載切換時(shí)，各臺(tái)UPS的靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)的動(dòng)作一致性也將決定系統(tǒng)能否順利切換。因此，N+1并機(jī)冗余UPS系統(tǒng)宕機(jī)事故也時(shí)有發(fā)生。

從上面的分析可以知道，由于組成并機(jī)UPS系統(tǒng)的各臺(tái)單機(jī)UPS系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致并機(jī)UPS系統(tǒng)也無(wú)法保證高可靠性，那能否采用完全獨(dú)立的兩套UPS系統(tǒng)來(lái)給負(fù)載供電呢？答案是肯定的，這就是雙總線供電方式。

UPS的雙總線供電方式有兩種，分別為2N雙總線和2（N+1）雙總線。

2N雙總線UPS供電系統(tǒng)圖如圖2所示，圖中包括上下兩條UPS總線，每條總線是指一套并機(jī)UPS系統(tǒng)，內(nèi)含N臺(tái)UPS單機(jī)。兩條總線相互獨(dú)立，互為備份，當(dāng)其中1套UPS系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響負(fù)載的正常運(yùn)行。因此，UPS系統(tǒng)的冗余量為系統(tǒng)總?cè)萘康亩种弧?/p>

圖2 2N雙總線UPS供電系統(tǒng)圖

2(N+1)雙總線UPS供電系統(tǒng)圖與2N雙總線類(lèi)似，區(qū)別在于單條總線上有N+1臺(tái)UPS單機(jī)并聯(lián)冗余運(yùn)行。

從用電設(shè)備的角度來(lái)考慮，只要其兩路電源來(lái)自于不同的UPS供電系統(tǒng)，其供電可靠性就有保障。從這個(gè)角度出發(fā)，除了雙總線方式外，實(shí)踐中還有分布式冗余（DR）供電方式和后備式冗余（RR）供電方式。

分布式冗余（DR）UPS供電系統(tǒng)圖如圖3所示，它是由3套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)組成，互為備份。當(dāng)其中1套UPS系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響負(fù)載的正常運(yùn)行。因此，UPS系統(tǒng)的冗余量為系統(tǒng)總?cè)萘康娜种弧?/p>

后備式冗余（RR）UPS供電系統(tǒng)圖如圖4所示，它采用了一套UPS系統(tǒng)為其它若干套UPS系統(tǒng)提供公共備份。任何一套UPS系統(tǒng)發(fā)生故障，不會(huì)影響負(fù)載的正常運(yùn)行。

圖3 分布式冗余（DR）UPS供電系統(tǒng)

圖4 后備式冗余（RR）UPS供電系統(tǒng)圖

以上幾種常見(jiàn)的UPS系統(tǒng)冗余方式的對(duì)比，如表1所示。

由于2(N+1)雙總線冗余方式投資很高，很少采用。而DR和RR雙總線冗余方式由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)人員的操作和維護(hù)，也不建議采用。

因此，對(duì)于重要的信息通信機(jī)房，UPS供電系統(tǒng)建議采用2N雙總線冗余方式。

還要指出的是，2N雙總線包括兩種，一種帶同步控制器，另一種不帶同步控制器、完全獨(dú)立[3]。通常建議采用不帶同步控制器，完全獨(dú)立的2N雙總線冗余方式。

4 后備蓄電池組的配置

在信息通信系統(tǒng)中，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，A類(lèi)數(shù)據(jù)中心的交流不間斷電源應(yīng)配置備用時(shí)間15分鐘的蓄電池組[4]。在工程實(shí)踐中，該配置一般以單套UPS的滿載容量來(lái)配置。A類(lèi)數(shù)據(jù)中心一般采用2N雙總線供電方式,根據(jù)表1可知，正常工作情況下，最大負(fù)荷率為40%，因此，后備蓄電池的實(shí)際放電時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于15分鐘。下面舉例說(shuō)明：

某數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器機(jī)柜采用2N雙總線供電方式，每條總線為3臺(tái)500 kVA的高頻UPS并聯(lián)運(yùn)行；每臺(tái)UPS單獨(dú)配置蓄電池，蓄電池按單機(jī)滿載后備時(shí)間15分鐘配置。假設(shè)UPS的蓄電池標(biāo)稱(chēng)電壓為480 V，輸出功率因數(shù)為0.9，逆變器效率為0.95，2 V蓄電池放電終止電壓為1.67 V，某廠商蓄電池的恒功率放電數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 常見(jiàn)UPS系統(tǒng)冗余方式對(duì)比表

表2 某廠商2V蓄電池恒功率放電表（放電至1.67 V)（W）

經(jīng)過(guò)配置計(jì)算可知，每臺(tái)500 kVA的單機(jī)UPS需要配置1組GFM 800蓄電池，含240只2V蓄電池，6臺(tái)UPS一共配置了1 440只蓄電池。在實(shí)際運(yùn)行中，UPS運(yùn)行的負(fù)荷率不超過(guò)80%，即最大的總負(fù)荷為1 200 kVA，且為6臺(tái)UPS共同分擔(dān)，此時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，并經(jīng)插值法可確定，整套系統(tǒng)的蓄電池實(shí)際后備時(shí)間約為76分鐘。

由此可見(jiàn)，當(dāng)按照單機(jī)滿載后備時(shí)間15分鐘來(lái)配置蓄電池時(shí)，其實(shí)際工作時(shí)的后備時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)15分鐘，原因主要有如下兩個(gè)：

（1）設(shè)計(jì)配置時(shí)考慮了單條總線故障，此時(shí)只有一半的蓄電池可以正常放電。

（2）單條總線故障時(shí)，UPS運(yùn)行的最大負(fù)荷率不超過(guò)額定容量的80%。

單條總線發(fā)生故障，同時(shí)市電發(fā)生故障，兩者同時(shí)發(fā)生的概率較小，建議在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)正常工作情況下的最大負(fù)荷對(duì)蓄電池組進(jìn)行容量配置，這樣可以節(jié)約工程投資，降低機(jī)房面積和承重的要求。

5 UPS的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

在信息通信系統(tǒng)中，供電電源起著非常重要的作用。高可靠性、高效率、高功率密度、高可維護(hù)性是供電電源的永恒追求，UPS也不例外。用戶的這些需求推動(dòng)著UPS技術(shù)的發(fā)展，而要滿足這些需求，UPS技術(shù)已經(jīng)在朝著下面趨勢(shì)進(jìn)行發(fā)展：

（1）高頻化。隨著功率器件開(kāi)關(guān)頻率的提高，設(shè)備體積可以顯著減小，功率密度也得到大幅提升，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善，目前，開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)上升到MHz以上。

（2）小型化。小型化可以節(jié)約機(jī)房空間。幾年前，400 kVA的主流UPS主機(jī)尺寸約為2 400 mm*1 100 mm*2 000 mm左右（長(zhǎng)*寬*高），現(xiàn)在體積已經(jīng)降低了一半以上，部分廠商的體積降為了原來(lái)的35%左右。

（3）模塊化。模塊化UPS內(nèi)的功率模塊可熱插拔，這使得可維護(hù)性大大提高，模塊化還可以降低初始投資，系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷率也能提高，而較高的負(fù)荷率可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效率。

（4）智能化。UPS系統(tǒng)的運(yùn)行更加智能，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)監(jiān)控更加全面，設(shè)備的人工界面也更加友好，這些都使UPS的可靠性和可維護(hù)性得到提升。

6 結(jié)論

從上文的分析可知，我們可以得出如下結(jié)論：

（1）信息通信網(wǎng)絡(luò)中的交流用電設(shè)備將越來(lái)越多，交流不間斷電源的應(yīng)用日趨普遍和重要。

（2）信息通信網(wǎng)絡(luò)中，交流不間斷電源應(yīng)主要選擇IGBT整流型UPS（含模塊化UPS）。

（3）模塊化UPS內(nèi)的功率模塊數(shù)宜不大于10個(gè)，單個(gè)功率模塊的容量應(yīng)不大于50 kVA。

（4）重要的信息通信系統(tǒng)，UPS的運(yùn)行方式宜選擇2N獨(dú)立雙總線冗余方式。

（5）后備蓄電池組容量宜按照正常運(yùn)行情況下的最大實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行配置。

（6）UPS的永恒發(fā)展目標(biāo)是高可靠性、高效率、高功率密度、高可維護(hù)性，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是高頻化、小型化、模塊化、智能化。