UPS不間斷電源

概 述
UPS是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply）的英文縮寫，它的功能主要有兩個(gè)：一是在市電正常時(shí)改善對(duì)負(fù)載的供電質(zhì)量，同時(shí)對(duì)后備電池進(jìn)行充電；二是在市電異常時(shí)，通過(guò)后備電池保證向負(fù)載供電的不間斷性。 UPS主要由整流器、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)組成。有四種電路結(jié)構(gòu)：后備式、在線式、在線互動(dòng)式、在線補(bǔ)償式。 
UPS的使用形式
選購(gòu)UPS一定要選自己實(shí)際使用情況的。
首先是容量的選擇，UPS容量應(yīng)該根據(jù)目前的負(fù)載量，再加上近期準(zhǔn)備增加的負(fù)載量來(lái)計(jì)算。
其次要選擇節(jié)能的UPS。目前UPS的發(fā)展趨勢(shì)是高頻化和模塊化，因?yàn)楦哳l化可以提高UPS的輕載效率和半載效率，模塊化可以使用戶邊成長(zhǎng)邊投資，節(jié)約能源同時(shí)方便擴(kuò)容。
UPS電源的技術(shù)性能
UPS電源的技術(shù)性能隨使用要求的不同而不同，主要技術(shù)性能包括以下幾個(gè)方面。 

·在線式 
·數(shù)字功率器件PIGBT技術(shù)
·DSP技術(shù)和SMD電氣集成模塊 
·電池保護(hù)功能 
·靈活可靠的并聯(lián)技術(shù) 
·通信及監(jiān)控功能 
·高可靠性
·散熱系統(tǒng)
·控制和診斷監(jiān)控系統(tǒng)
UPS系統(tǒng)配置方案
很多設(shè)計(jì)工程師都試圖設(shè)計(jì)出無(wú)暇的UPS解決方案為關(guān)鍵負(fù)載提供支持，不過(guò)他們的設(shè)計(jì)方案往往不一定涉及到設(shè)計(jì)方案的可用性范圍。例如，并聯(lián)冗余、串聯(lián)冗余、分布式冗余、熱連接、熱同步、多路并聯(lián)總線、雙系統(tǒng)以及故障預(yù)警系統(tǒng)等，這些都是設(shè)計(jì)工程師或制造商賦予不同配置方案的名稱。這些名稱的問(wèn)題對(duì)于不同的用戶，它們可能具有不同的含義，可以存在很多種解釋方式。雖然目前市場(chǎng)上的UPS配置名目繁多且差別甚大，但zui常用的不外乎5種。這5種方案包括:①容量；②串聯(lián)冗余；③并聯(lián)冗余；④分布式冗余；⑤雙系統(tǒng)。選擇系統(tǒng)配置方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)負(fù)載的關(guān)鍵程度而定。此外，還要考慮停機(jī)所帶來(lái)的影響以及公司的風(fēng)險(xiǎn)承受能力，這樣才能更好地找到合適的系統(tǒng)配置方案。
UPS供配電系統(tǒng) （雙總線冗余UPS供配電系統(tǒng)圖）
UPS供配電系統(tǒng)的供電范圍是計(jì)算機(jī)設(shè)備（主機(jī)和附屬設(shè)備）、通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、監(jiān)控設(shè)備、保安監(jiān)控系統(tǒng)小型機(jī)/服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)主交換機(jī)等重要設(shè)備。UP是輸出配電回路（每個(gè)配電控制開(kāi)關(guān)為一個(gè)回路）需按機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備要求設(shè)置，小型機(jī)/服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)及重要路由器要由獨(dú)立雙回路供電，其他計(jì)算機(jī)設(shè)備可用一個(gè)回路帶3-4個(gè)插座，固定于地板下。UPS供配電系統(tǒng)的可靠性，zui主要體現(xiàn)在采用了雙電源末端互投上，如下圖所示：

UPS節(jié)能措施
目前UPS的節(jié)能必需從方案、UPS、電池、配電等方面進(jìn)行。 
1、按需擴(kuò)容的柔性規(guī)劃
一般數(shù)據(jù)中心的建設(shè)都不是一步到位,會(huì)考慮今后未來(lái)幾年的擴(kuò)容,在設(shè)計(jì)時(shí)UPS容量一般都考慮容量比較大些,一次就安裝了幾套大功率的UPS并機(jī)，初期負(fù)載量只有規(guī)劃容量的10%～20%，使UPS的利用率很低，造成電能的浪費(fèi)。如何避免這種情況的發(fā)生，從UPS供電系統(tǒng)角度考慮,應(yīng)該包括:
（1）供電方案設(shè)計(jì)
目前UPS供電方案主要有分散供電、集中供電兩種。分散供電是一臺(tái)UPS為一臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備供電。分散供電的好處是分散風(fēng)險(xiǎn),不會(huì)因?yàn)橐慌_(tái)UPS異常造成大部分設(shè)備停電;缺點(diǎn)是UPS分散布置,不便管理,而且布線不容易規(guī)劃。另一種是采用集中供電,由一套大功率的UPS直接對(duì)數(shù)據(jù)中心的所有負(fù)載供電。集中供電的好處是便于規(guī)劃、管理方便、維護(hù)方便;缺點(diǎn)是如果UPS系統(tǒng)異常,容易引起數(shù)據(jù)中心大面積停電事故,此缺點(diǎn)可以通過(guò)采用并聯(lián)構(gòu)架來(lái)避免。因此,以上兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn),目前的數(shù)據(jù)中心一般都采用集中供電方案。由于UPS并機(jī)數(shù)量有限制,而且當(dāng)UPS系統(tǒng)并機(jī)數(shù)量超過(guò)4臺(tái)時(shí),其可靠性并不比單機(jī)供電系統(tǒng)高多少。當(dāng)機(jī)房UPS裝機(jī)總?cè)萘砍^(guò)一定限度時(shí),建議將機(jī)房按幾期規(guī)劃分成幾個(gè)區(qū)域進(jìn)行供電。規(guī)劃時(shí)可以參考:單機(jī)容量不宜超過(guò)400kVA,并機(jī)數(shù)量不宜超過(guò)3臺(tái)。
（2）UPS在線并機(jī)擴(kuò)容功能
數(shù)據(jù)中心的UPS容量的規(guī)劃，可以根據(jù)不同時(shí)期的負(fù)載容量要求,采用逐步擴(kuò)容的方案,使投資方案更經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也能使UPS工作處于較佳的效率點(diǎn)。目前中、大功率段的UPS均已經(jīng)具備冗余并機(jī)功能，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也為機(jī)房擴(kuò)容提供了條件。只要規(guī)劃時(shí)在UPS前后配電箱預(yù)留足量的空氣開(kāi)關(guān)，并在機(jī)房規(guī)劃相應(yīng)空間，即可實(shí)現(xiàn)UPS并機(jī)擴(kuò)容功能。關(guān)鍵是并機(jī)的過(guò)程處理，多種品牌UPS并機(jī)時(shí)需要對(duì)UPS的設(shè)置進(jìn)行修正，此時(shí)要求UPS必須工作在維修旁路狀態(tài)，UPS由市電直接帶載，如果此時(shí)市電波動(dòng)較大甚至停電，將造成系統(tǒng)的大面積癱瘓。所以并機(jī)擴(kuò)容必須具備在線并機(jī)功能，即UPS并機(jī)擴(kuò)容時(shí)，只需將新增UPS軟件修改至與原UPS系統(tǒng)一致后，在不關(guān)閉原有UPS系統(tǒng)的情況下，直接將新增UPS并入原有系統(tǒng)即可，擴(kuò)容前后，UPS均工作于在線模式下，避免切換至旁路供電的高風(fēng)險(xiǎn)操作。
（3）采用模塊化UPS，實(shí)現(xiàn)逐步擴(kuò)容
目前,模塊化UPS已經(jīng)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用,模塊化UPS特點(diǎn)主要包括:可擴(kuò)容、平均故障修復(fù)時(shí)間(MTTR)短、可經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)“N+X”冗余并機(jī)。
2、提高UPS自身能效,優(yōu)化負(fù)載效率曲線
目前UPS均為在線式雙變換構(gòu)架，在其工作時(shí)整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個(gè)容量為400kVA的UPS為例，每度電按0.95元計(jì)算，UPS效率每提高1%，一年節(jié)省的電費(fèi)為400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元?？梢?jiàn)提高UPS的工作效率，可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費(fèi)，可見(jiàn)提高UPS效率是降低整個(gè)機(jī)房能耗的zui直接方法。因此采購(gòu)UPS，盡量采購(gòu)效率更高的UPS。
當(dāng)然UPS效率高不僅僅是滿載時(shí)效率高,同時(shí)也必須具備一個(gè)較高的效率曲線,特別是在“1+1”并機(jī)系統(tǒng)時(shí),根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃,每臺(tái)UPS容量不得大于50%,如果此次效率僅為90%以下,就算滿載效率達(dá)到95%以上,也是沒(méi)有意義的,所以要求UPS必須采取措施優(yōu)化效率曲線,使UPS效率在較低負(fù)載時(shí)也能達(dá)到較高的效率。

UPS效率與輸出功率關(guān)系曲線圖

除了提高UPS自身的效率之外，UPS上面的一些功能也可加以利用。比如像ECO經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。其原理是在較好 的市電環(huán)境時(shí)，激活此功能，使UPS由靜態(tài)旁路直接供電，此時(shí)逆變器處于待機(jī)狀態(tài)，正常工作，但不輸出能 ，一旦市電異常，UPS立即切換到逆變器供電狀態(tài)，切換時(shí)間一般在1ms以內(nèi)，具體見(jiàn)圖2所示，藍(lán)色為輸入電 波形，黃色為輸出電壓波形。由于此時(shí)的逆變器處于待機(jī)狀態(tài)，所以自身?yè)p耗很小，此時(shí)UPS的整機(jī)效率可以達(dá) 到97%以上，比正常模式節(jié)省3%以上的功率。ECO模式轉(zhuǎn)正常供電模式波形圖
使用ECO模式必須具備以下條件:
(1)靜態(tài)旁路必須采用兩組高可靠晶閘管，不得采用接觸器加晶閘管的組合，因?yàn)榻佑|器吸合時(shí)，接觸點(diǎn)會(huì)打火，一般工作數(shù)百次之后就不能正常工作了。而晶閘管則不存在此問(wèn)題，同時(shí)可以縮短切換時(shí)間。
(2)建議使用在較好的電力環(huán)境下，比如一級(jí)供電單位等。
3、降低輸入電流諧波，提高功率因數(shù)
諧波產(chǎn)生的根本原因是由于電力線路呈現(xiàn)一定阻抗，等效為電阻、電感和電容構(gòu)成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，由于非線性負(fù)載產(chǎn)生的非正弦電流，造成電路中電流和電壓畸變，稱為諧波。諧波的危害包括:引起電氣組件附加損耗和發(fā)熱(如電容、變壓器、電機(jī)等);電氣組件溫升高、效率低、加速絕緣老化、降低使用壽命;干擾設(shè)備正常工作;無(wú)功功率增加，電力設(shè)備有功容量降低(如變壓器、電纜、配電設(shè)備);供電效率低;出現(xiàn)諧振，特別是柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)更嚴(yán)重;空開(kāi)跳閘、熔絲熔斷、設(shè)備無(wú)故損壞。UPS對(duì)于電網(wǎng)而言是一個(gè)非線性負(fù)載，在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。以配置6脈沖整流器的UPS為例，其輸入功率因數(shù)一般為0.75左右，諧波大于30%。降低UPS工作諧波的主要方法有:
(1)采用12脈沖整流器。其原理是在原有6脈沖整流器基礎(chǔ)上，在輸入側(cè)增加一個(gè)移相變壓器和6脈沖整流器。采用該技術(shù)方案后，可以將諧波降低至10%左右。優(yōu)點(diǎn)是較為簡(jiǎn)單，諧波改善明顯;缺點(diǎn)是對(duì)功率因數(shù)改善有限，價(jià)格略高。
(2)采用無(wú)源濾波器。依據(jù)LC濾波電路原理，對(duì)UPS產(chǎn)生的諧波進(jìn)行濾除，并對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低;缺點(diǎn)是只能補(bǔ)償特點(diǎn)階次的諧波，同時(shí)受負(fù)載阻抗影響較大，無(wú)法適用于全功率段。
(3)采用有源濾波器。原理是利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。優(yōu)點(diǎn)是可以補(bǔ)償多個(gè)階次的諧波，且不受負(fù)載阻抗大小的影響;缺點(diǎn)是購(gòu)置成本較高。
(4)采用高頻IGBT整流及PFC功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)整流器。原理是采用高頻率PWM控制IGBT導(dǎo)通，對(duì)輸入電壓波形進(jìn)行分割，使輸入電流波形盡量接近正弦波，并對(duì)輸入電壓和電流相位差進(jìn)行補(bǔ)償。優(yōu)點(diǎn)是體積輕，價(jià)格便宜，效果好;缺點(diǎn)是技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護(hù)，受功率器件影響，目前容量大小受到限制。
4、電池管理及配電管理技術(shù)
UPS都配備了電池組，用戶在電池組上的投資往往占整個(gè)UPS供電系統(tǒng)投資的很大一部分，甚至超過(guò)UPS本身的投資，而電池的使用年限明顯低于UPS設(shè)備。由于電池主要材料是重金屬鉛、硫酸和不易分解的塑料，都會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。因此減少電池使用數(shù)量，延長(zhǎng)電池循環(huán)使用壽命，不僅節(jié)省直接和間接的電池投資，而且還減少整個(gè)對(duì)環(huán)境的污染。所以UPS可以通過(guò)以下幾個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電池的節(jié)能。
(1)并機(jī)共用電池組功能。共用電池組原理是通過(guò)特殊的整流器控制及故障隔離技術(shù)，使并機(jī)系統(tǒng)中的兩臺(tái)或多臺(tái)UPS的整流同步、母線均流，使系統(tǒng)中的各臺(tái)UPS母線直接并聯(lián)，然后將滿足系統(tǒng)后備時(shí)間要求的電池并聯(lián)后接入并聯(lián)母線系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電池的共享，減少電池投資。以“1+1”為例，傳統(tǒng)的UPS方案，系統(tǒng)后備一小時(shí)，考慮其中一臺(tái)UPS故障時(shí)，UPS2的電池不能為UPS1使用，所以UPS1和UPS2必須各配置一套一小時(shí)的電池組，才能保障系統(tǒng)在斷電后還能備用一小時(shí)。采用共用電池組方案后，因?yàn)閁PS1故障后，系統(tǒng)中的電池仍能為UPS2提供能量，所以整個(gè)系統(tǒng)僅需配置1套1小時(shí)電池即可。不僅節(jié)省了電池直接投資，同時(shí)也節(jié)約機(jī)房在空間、承重及空調(diào)等方面的投資，也降低了對(duì)環(huán)境的污染?；蚺渲蒙僭S電池，增配發(fā)電機(jī)組。
(2)智能電池管理技術(shù)。影響電池壽命的因素有很多，主要包括溫度、充電、放電、循環(huán)次數(shù)等。如果能夠?qū)ι鲜鰩讉€(gè)因素進(jìn)行綜合處理，可以大大延長(zhǎng)電池的使用壽命，延長(zhǎng)電池更換周期，節(jié)約電池投資。UPS的智能電池管理技術(shù)主要包括:電池均浮充管理(均浮充控制)、充電溫度補(bǔ)償、智能放電終止電壓控制，除此之外還應(yīng)具備電池定期自動(dòng)檢測(cè)和電池漏液檢測(cè)功能。另外還可以選擇輸入電壓范圍較寬的UPS，減少電池放電次數(shù)。通過(guò)上述幾種技術(shù)，可大幅度延長(zhǎng)電池壽命2～3年。
(3)智能UPS配電管理技術(shù)。原理是通過(guò)偵測(cè)UPS電池電壓或者管理設(shè)備供電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房中不同等級(jí)負(fù)載的多次下電保護(hù)功能，減少電池投資、提高電池使用率。智能UPS配電管理技術(shù)主要有兩種方案:包括軟件實(shí)現(xiàn)方式及硬件實(shí)現(xiàn)方式。
5、采用新型的節(jié)能的UPS電源：使用燃料電池的UPS。可參考《燃料電池在UPS供電系統(tǒng)中的應(yīng)用》。