UPS電源技術(shù)ups的供電方式

ups是一種高質(zhì)量、高可靠性的獨(dú)立電源，是一種蓄電池靜止型不間斷供電裝置。它由整流器、逆變器、交流靜態(tài)開關(guān)和蓄電池組組成。平時(shí)，市電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷鲗π铍姵馗〕潆姡瑫r(shí)經(jīng)逆變器輸出高質(zhì)量的交流凈化電源供重要負(fù)載，使其不受市電的電壓、頻率、諧波干擾。當(dāng)市電因故停電時(shí)，系統(tǒng)自動切換到蓄電池組，蓄電池放電，經(jīng)逆變器對重要負(fù)荷供電。 　ups的不間斷特性體其"同步切換"工作程序上，當(dāng)市電與逆變器進(jìn)行切換時(shí)，其控制系統(tǒng)會適時(shí)地檢測市電的同步范圍，在市電不超限時(shí)，逆變器實(shí)現(xiàn)"先通后斷"的供電，從而保證了供電系統(tǒng)的"無間斷切換"。 　市場上的ups產(chǎn)品，其容量規(guī)格大致有0.25、0.4、0.6、1、2、3、4、5、10、15、20、40、60、80、100、120、160、200、300、400、500、600、800、1000kv

在下列情況下應(yīng)設(shè)計(jì)并采用交流不間斷電源系統(tǒng)供電： 　(1)對供電可靠性要求較高，采用備用電源自動投人方式或柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急自啟動方式等仍不能滿足要求時(shí)。 　(2)一般穩(wěn)壓穩(wěn)頻設(shè)備不能滿足要求時(shí)。 　(3)需要保證順序斷電安全停機(jī)時(shí)。 　(4)電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制時(shí)。 　(5)電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)。 　計(jì)算機(jī)設(shè)備對電源要求質(zhì)量較高，不僅要求采用不間斷供電系統(tǒng)，而且要求電源電壓波動在一定范圍以內(nèi)才能正常工作。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備要求電源電壓的波動在±5%以內(nèi)。

1．分布冗余UPS的特點(diǎn)

（1）可維性和故障容限高

分布冗余UPS系統(tǒng)的可維性和故障容限與單機(jī)UPS、隔離UPS、并聯(lián)冗余UPS相比，有了很大的改進(jìn)。用戶可以將所有的負(fù)載都轉(zhuǎn)換到一個(gè)UPS供電的母線上，而另一個(gè)UPS及相關(guān)的開關(guān)、配電設(shè)備都可以脫離系統(tǒng)，進(jìn)行維護(hù)。也就是說，用戶可以進(jìn)行積極的維護(hù)工作，而不需要將重要負(fù)載轉(zhuǎn)換至旁路電源。因此，分布冗余UPS系統(tǒng)具有連續(xù)的可用性。

（2）系統(tǒng)簡單

分布冗余UPS系統(tǒng)比并聯(lián)冗余或隔離冗余UPS簡單、經(jīng)濟(jì)，最普通的方法是從兩個(gè)單機(jī)UPS和一個(gè)LBS開始，構(gòu)成雙母線“2N”UPS系統(tǒng)，不需要系統(tǒng)級的控制柜或開關(guān)設(shè)備。甚至對于每個(gè)分UPS系統(tǒng)也不需要維修旁路柜，因?yàn)槊總€(gè)UPS系統(tǒng)都可以作為另一個(gè)UPS的旁路。分布冗余UPS系統(tǒng)也是可擴(kuò)展的，對于較大容量的應(yīng)用場合，每個(gè)分UPS系統(tǒng)都可以采用常規(guī)的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)（為提高可用性并聯(lián)，或?yàn)樵黾尤萘坎⒙?lián)）。

（3）可靠性高

由于分布冗余UPS系統(tǒng)的簡單性，它比隔離冗余UPS更可靠。冗余是并聯(lián)的，不是串聯(lián)的。由于有兩個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)和下游靜態(tài)開關(guān)，關(guān)鍵負(fù)載設(shè)備（包括雙電源輸入負(fù)載和單電源輸入負(fù)載）具有雙電源設(shè)備的功能。采用分布冗余UPS，對于負(fù)責(zé)定期進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)的人員而言，其承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)減小了。最重要的是，兩個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性保證了一個(gè)母線的故障不會擴(kuò)展到另一個(gè)母線上。正常的負(fù)載仍然可以由正常的UPS和配電系統(tǒng)供電。

2．分布冗余UPS的負(fù)載母線同步

（1）分布冗余UPS的負(fù)載母線同步的概念

除非所有的負(fù)載設(shè)備都是雙電源負(fù)載，分布冗余UPS必須進(jìn)行負(fù)載母線同步。即構(gòu)成雙母線UPS系統(tǒng)的兩個(gè)獨(dú)立的UPS系統(tǒng)輸出必須同步運(yùn)行。因?yàn)殡p電源負(fù)載的一個(gè)電源故障時(shí)，負(fù)載仍能正常運(yùn)行，故不需要進(jìn)行電源的轉(zhuǎn)換。因此，如果雙母線UPS系統(tǒng)的負(fù)載全部是雙電源負(fù)載，兩個(gè)母線上的UPS可以不同步運(yùn)行。然而，如果配電系統(tǒng)中還存在單電源設(shè)備，則必須進(jìn)行同步。因?yàn)楫?dāng)一個(gè)UPS電源故障時(shí)必須經(jīng)STS進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。為了保證不間斷轉(zhuǎn)換，兩個(gè)UPS系統(tǒng)的輸出必須保持同步運(yùn)行，以避免兩者之間進(jìn)行非同步時(shí)的間斷轉(zhuǎn)換，造成負(fù)載斷電。實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求的技術(shù)是采用“負(fù)載母線同步LBS（LoadBusSync）”控制器。LBS可以使兩個(gè)UPS輸出電壓保持出同步，甚至旁路電源不可用時(shí)或UPS工作于蓄電池時(shí)，使兩個(gè)UPS輸出電壓的頻率和相角相同或相差甚小。

（2）分布冗余UPS負(fù)載母線同步（LBS）的重要性

LBS可以使兩個(gè)獨(dú)立的UPS系統(tǒng)保持同步，甚至于當(dāng)它們的輸入電源不同時(shí)。任何UPS都是同步于其旁路電源，只要兩個(gè)UPS連接到同一個(gè)旁路電源上，在正常情況下，它們就會自動地同步運(yùn)行。然而，如果UPS工作于蓄電池、不同的備用發(fā)動機(jī)組或者是非同步的旁路電源，它們的輸出電壓將不會同步。LBS由一個(gè)在UPS上的接口板和一個(gè)小的墻掛式帶有簡單的選擇開關(guān)的控制板組成。每個(gè)UPS的邏輯和控制器之間無其他任何連接，這就保證了系統(tǒng)的最大的獨(dú)立性和隔離。LBS可以用于同步同一廠家的兩個(gè)UPS，也可用于同步不同廠家的兩個(gè)UPS。有的LBS還可用來同步3個(gè)或多個(gè)UPS。LBS有主動LBS和被動LBS兩種，實(shí)際應(yīng)用中被動LBS應(yīng)用較多。

（3）采用單變換UPS系統(tǒng)的雙母線UPS的負(fù)載母線同步

具有分布冗余UPS功能的UPS系統(tǒng)中的各個(gè)分UPS模塊必須在任何情況下都能相互同步，甚至在各UPS模塊工作于獨(dú)立的蓄電池或非同步的備用發(fā)動機(jī)時(shí)。只有雙變換UPS可以做到這一點(diǎn)（雙變換UPS有變頻的功能）。

單變換UPS（IEC定義為line-interactive）（包括Delta變換UPS）只能同步到為其供電的輸入電源上，不能在由一個(gè)AC電源供電時(shí)，而同步于另一個(gè)AC電源（或同步到另一個(gè)UPS電源，或由晶振產(chǎn)生的同步信號）。單變換UPS無變頻的功能。當(dāng)采用Delta變換UPS構(gòu)成雙母線供電系統(tǒng)時(shí)，如果各Delta變換UPS的交流輸入是兩路獨(dú)立的市電電源，則在正常情況下，一臺UPS不能同步到另一臺UPS的輸出。

采用Delta變換UPS構(gòu)成分布冗余UPS時(shí)，必須采用同一路市電或同一臺油機(jī)，或者保證所有UPS上游的交流輸入電源同步（油機(jī)和市電），才能保證在市電或油機(jī)供電時(shí)，雙母線上的兩個(gè)UPS輸出同步。另一方面，必須采用系統(tǒng)間同步單元（ISU），才能保證在蓄電池供電時(shí)，雙母線上的兩個(gè)UPS輸出同步。

3．采用靜態(tài)自動母聯(lián)電路（SAT）的雙母線UPS系統(tǒng)

在有單電源負(fù)載和雙電源負(fù)載的雙母線UPS供電系統(tǒng)中，可以采用靜態(tài)自動母聯(lián)電路（staticautotie，SAT），原來為單電源負(fù)載供電的所有靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）和末端轉(zhuǎn)換開關(guān)均可以取消。而單電源負(fù)載保護(hù)電源的可用性將大大提高。

在常規(guī)雙母線UPS系統(tǒng)中STS中的兩個(gè)靜態(tài)開關(guān)SS中的一個(gè)必須在全部時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，而采用SAT的雙母線系統(tǒng)中的一個(gè)SS除了在轉(zhuǎn)換過程中導(dǎo)通外是不導(dǎo)通的，因而提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。如果其中一個(gè)UPS發(fā)生故障，SAT將配電母線轉(zhuǎn)換到另一個(gè)UPS，配電系統(tǒng)的雙母線結(jié)構(gòu)仍然保留。轉(zhuǎn)換后的配電系統(tǒng)是SAT和一個(gè)并聯(lián)冗余UPS的串聯(lián)組合。

4．雙母線UPS系統(tǒng)主輸入和旁路輸入交流電源的選擇

（1）雙母線UPS系統(tǒng)的LBS的作用

雙母線UPS系統(tǒng)的LBS可以保證連接到負(fù)載母線的兩個(gè)UPS電源同步運(yùn)行。如果兩個(gè)UPS的旁路電源是同一路市電電源，兩個(gè)UPS輸出必然同步，此時(shí)LBS不起作用。如果兩個(gè)UPS的旁路電源不是同一路市電電源，而是兩路市電電源或是兩個(gè)獨(dú)立的油機(jī)發(fā)電機(jī)，LBS將使UPS1同步到UPS2（可調(diào)，也可能是UPS2同步到UPS1）。在此情況下，LBS將使UPS1內(nèi)的旁路靜態(tài)開關(guān)關(guān)閉，假如UPS1有故障也不能轉(zhuǎn)向旁路（因?yàn)閁PS1與其本身的旁路電源不同步）。但配電電路中的STS可以轉(zhuǎn)換，負(fù)載不會斷電。同步于其本身旁路的UPS在故障時(shí)可以轉(zhuǎn)旁路。

注：假設(shè)UPS1同步到UPS2的過程中，發(fā)現(xiàn)UPS1已在旁路上，則LBS將自動將UPS2同步到UPS1。

（2）UPS的主輸入電源和旁路輸入電源的選擇原則

綜上所述，假設(shè)采用被動LBS，UPS的主輸入電源和旁路輸入電源選擇的原則是：

1）UPS1、UPS2的旁路輸入電源最好采用同一路市電電源（同一變壓器，或高壓輸入相同且接線組別相同的兩個(gè)變壓器）。因旁路是引自同一個(gè)變壓器，或引入一路高壓輸入電源的局（站）的兩個(gè)接線組別相同的變壓器，故可以保證在正常情況下，LBS不起作用，而兩UPS可以自然同步。

2）UPS1，UPS2的主輸入電源的采用沒有限制（包含兩種情況：與旁路電源相同或不同的電源）。但要考慮如果一路市電電源故障或一個(gè)變壓器故障，另一路市電或另一個(gè)變壓器可以繼續(xù)供電，保證重要負(fù)載不會斷電。

（3）工程設(shè)計(jì)中UPS輸入電源設(shè)計(jì)方案

按以上原則，UPS輸入電源可以采用如下方案：

1）UPS1和UPS2的主輸入、旁路輸入采用同一路市電（同一個(gè)變壓器）。此方案也可保證平時(shí)LBS不起作用，而兩個(gè)UPS可以自然同步。但此變壓器故障時(shí)將會影響兩個(gè)UPS。

2）UPS1的主輸入和旁路輸入采用一路電源（同一個(gè)變壓器）；UPS2的主輸入和旁路采用同一路電源（另一變壓器）。兩個(gè)變壓器的高壓側(cè)為同一電源且變壓器的組別相同時(shí)，可保證平時(shí)LBS不起作用而兩個(gè)UPS可以自然同步。而且，一臺變壓器檢修時(shí)，仍有一臺UPS的主輸入和旁路輸入電源正常，故總有一臺UPS可以正常使用。

5．雙母線UPS系統(tǒng)的AC配電電路

（1）配電電路的重要性

高可用性電源系統(tǒng)要求可靠性、功能性、可維性和故障容限。UPS和負(fù)載設(shè)備之間的AC配電將最終決定可維性和故障容限指標(biāo)。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明，與電源有關(guān)的80%的停機(jī)故障是由UPS和關(guān)鍵負(fù)載之間的電路中斷引起的。人為操作錯誤、設(shè)備故障、負(fù)載故障、短路和各種特殊事件都會引起電源系統(tǒng)故障。設(shè)備總會出現(xiàn)故障，人為操作錯誤總會發(fā)生。因此，正確選擇UPS向關(guān)鍵負(fù)載設(shè)備配電的方法，妥善設(shè)計(jì)配電電路是非常重要的。

（2）雙電源負(fù)載的配電電路

具有雙電源線的負(fù)載，只要有任何一個(gè)電源線供電，該負(fù)載就可以正常運(yùn)行。雙電源負(fù)載的每個(gè)機(jī)柜或機(jī)架都由來自兩個(gè)獨(dú)立的UPS電源供電，可以直接從UPS通過PDU到負(fù)載設(shè)備（服務(wù)器）。也可在PDU和服務(wù)器之間增加RDC（遠(yuǎn)端配電箱），以簡化分支電路的布線。雙電源負(fù)載的供電不需要轉(zhuǎn)換開關(guān)，故不需要LBS。但是，考慮到后期可能增加單電源負(fù)載，故建議采用（LBS）。這種配電電路結(jié)構(gòu)可以獲得連續(xù)的可用性。冗余可以擴(kuò)展到每個(gè)負(fù)載設(shè)備的輸入端。任何一個(gè)UPS系統(tǒng)（及其所連接的PDU和RDC）都可以完全斷電進(jìn)行維護(hù)，不會影響關(guān)鍵負(fù)載。配電單元（PDU）由輸入隔離變壓器、一個(gè)或多個(gè)配電板組件和電源監(jiān)控設(shè)備的組成。

遠(yuǎn)端配電柜（RDC）包括體積很小的配電板組件和電源監(jiān)控設(shè)備。典型的RDC設(shè)計(jì)為適合標(biāo)準(zhǔn)的活動地板蓋板。RDC不包括輸入隔離變壓器，它接受PDU中的斷路器的電源。RDC可以配置為單輸入（所有的配電板由同一個(gè)電源供電）、雙輸入（由獨(dú)立的電源供電）或4輸入。

當(dāng)使用PDU變壓器為STS供電時(shí)，兩個(gè)變壓器的中性線是有意的在一點(diǎn)連接在一起的，并進(jìn)行中線對地的連接。這保證了STS進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)不會產(chǎn)生地電位的偏移或引起中線電流在接地電路中流動（這有可能引起接地故障保護(hù)系統(tǒng)動作）。

大多數(shù)局站都有多個(gè)配電單元，每個(gè)都有一個(gè)或兩個(gè)PDU變壓器。每個(gè)PDU將有一個(gè)中線對地的連接，PDU的地將固定接在大樓的接地系統(tǒng)。這保證了每個(gè)PDU都為其所連接的設(shè)備提供了一個(gè)干凈的中線和地線的基準(zhǔn)點(diǎn)。

（3）采用靜態(tài)開關(guān)的單電源負(fù)載配電系統(tǒng)

1）配電系統(tǒng)的組成

有些服務(wù)器是單電源輸入的，因此電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須采取適當(dāng)?shù)姆椒ūＷC可維護(hù)性和故障容限。STS由兩個(gè)PDU變壓器供電。STS的輸出供給各個(gè)遠(yuǎn)端配電柜（箱）（RDC），RDC為各個(gè)單個(gè)的機(jī)架或機(jī)柜供電。LBS使兩個(gè)UPS系統(tǒng)的輸出保持同步，因此負(fù)載可以在它們之間不間斷的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)需要維護(hù)UPS1及其PDU時(shí)，STS可以手動轉(zhuǎn)換到UPS2及其PDU。于是UPS1及其PDU可以完全斷電進(jìn)行維護(hù)。UPS2及其PDU可以同樣進(jìn)行維護(hù)。此外，如果一個(gè)UPS有故障，STS可以自動在它們之間轉(zhuǎn)換。這個(gè)配電電路的缺點(diǎn)是：冗余在STS的輸入端終止，STS下游的所有故障都是單點(diǎn)故障。

2）STS的安裝位置

在圖1中，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)放在一對PDU變壓器輸出的后面。也可以將STS用在單個(gè)PDU變壓器的輸入的前面，這樣成本會低一些，但存在變壓器磁化浪涌電流的問題。PDU變壓器在啟動時(shí)有磁化電流浪涌，這種浪涌電流可能達(dá)到穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流的8倍，如果輸入到變壓器的電壓短時(shí)下降（足以使STS轉(zhuǎn)換到其他的UPS），在STS完成轉(zhuǎn)換時(shí)，變壓器就需要重新磁化。對于大容量UPS，這可能不是問題。但是，如果多個(gè)STS同時(shí)進(jìn)行從一個(gè)UPS向另一個(gè)UPS轉(zhuǎn)換，則變壓器激磁浪涌電流就可能成為一個(gè)問題。

因此，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)還是放在一對PDU變壓器輸出的后面好。

（4）采用“末端轉(zhuǎn)換開關(guān)”的單電源負(fù)載配電系統(tǒng)

將冗余擴(kuò)展到更接近負(fù)載設(shè)備的一個(gè)方法是采用“末端轉(zhuǎn)換開關(guān)”的配電系統(tǒng)?！澳┒宿D(zhuǎn)換開關(guān)”是專門用于單個(gè)配電箱的智能開關(guān)（smartswitch），這些智能開關(guān)可以安裝在活動地板下面或在負(fù)載設(shè)備的機(jī)架內(nèi)。

采用智能開關(guān)可以使單電源負(fù)載設(shè)備和雙線負(fù)載設(shè)備同時(shí)安裝在同一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。兩種類型的設(shè)備截止至其輸入端子都具有冗余，因此具有最大的可維護(hù)性和故障容限。智能開關(guān)與STS不同，STS采用可控硅作為轉(zhuǎn)換裝置，而智能開關(guān)采用繼電器。這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有較大的靈活性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以按全部是雙電源負(fù)載規(guī)劃和布線，并將雙電源線布放到每一個(gè)配電箱，因此雙電源負(fù)載可以接入。單個(gè)的配電箱和智能開關(guān)也可以按照雙電源負(fù)載的要求配置。這種配電系統(tǒng)需要LBS，以使每個(gè)UPS系統(tǒng)輸出保持同步。

（5）高可用性的雙母線UPS配電系統(tǒng)

在雙母線UPS供電系統(tǒng)中，RDC的每個(gè)輸入采用不同的STS供電。這些STS應(yīng)使用不同的UPS系統(tǒng)作為它們的首選電源。這將避免100%的負(fù)載在一個(gè)電源上，而0%的負(fù)載在另一個(gè)電源上，因而抵消了冗余的優(yōu)點(diǎn)的情況。

這種結(jié)構(gòu)的硬件成本比其他的結(jié)構(gòu)高些，因?yàn)樾枰~外的PDU變壓器和附加的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)。但整個(gè)電源系統(tǒng)完全可以維護(hù)，一直到負(fù)載設(shè)備和智能開關(guān)的輸入端。