電源：UPS的性能分類與標(biāo)準(zhǔn)化UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.3 VFD-SY-333，冷備用UPS

性能分類代碼VFD-SY-333表示UPS輸出電壓和頻率取決于市電電源電壓和頻率。在正常方式下，市電電源的各種干擾都會影響到負(fù)載。這種UPS技術(shù)就是冷備用UPS。這種UPS在市電故障時，啟動逆變器，負(fù)載由機(jī)械開關(guān)轉(zhuǎn)換到逆變器供電，轉(zhuǎn)換時間大約4～8ms。因此，只能滿足3類輸出動態(tài)性能(圖3)的要求。

VFI-SS-111，VI-SX-222，VFD-SY-333對應(yīng)的單機(jī)UPS系統(tǒng)及其特點(diǎn)如表1 所示。

表1　IEC 62040規(guī)定的UPS分類與其對應(yīng)UPS 系統(tǒng)

下面簡單介紹這三種標(biāo)準(zhǔn)化單機(jī)UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

2.2　冷備用UPS (passive standby UPS)

冷備用UPS如圖4所示。這種UPS 有正常和儲能兩種工作方式。

在正常工作方式下，負(fù)載由市電電源經(jīng)UPS開關(guān)直接供電。也可以采用一些附加設(shè)備(例如鐵磁諧振變壓器或自動改變抽頭的變壓器)對輸入電源進(jìn)行簡單的調(diào)節(jié)后為負(fù)載供電。整流器給蓄電池充電。

當(dāng)交流輸入電源指標(biāo)超出UPS的預(yù)定允差時， UPS轉(zhuǎn)入儲能工作方式，啟動逆變器，負(fù)載由蓄電池經(jīng)逆變器直接或通過UPS開關(guān)(電子開關(guān)或機(jī)械開關(guān))供電。從市電供電向蓄電池供電的轉(zhuǎn)換過程將引起4～8ms 的中斷時間。

蓄電池/逆變器組合將一直為負(fù)載供電到蓄電池放電終止?；蛘吖╇姷浇涣鬏斎腚娫椿謴?fù)，負(fù)載轉(zhuǎn)換回由輸入交流電源供電。(以先到者為準(zhǔn))

這種UPS是最簡單、最經(jīng)濟(jì)的UPS。但是有一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)，(1)負(fù)載沒有與市電電源的干擾隔離。(2)市電停電時負(fù)載轉(zhuǎn)換為由逆變器供電的過程中供電中斷時間較長，對許多重要的應(yīng)用場合(特別是IT系統(tǒng))是不適合的。(3)在正常工作方式下輸出電壓和頻率沒有調(diào)節(jié)，取決于市電的電壓和頻率。

因此這種UPS僅適用于小容量系統(tǒng)。

圖4　冷備用UPS

2.3　市電交互UPS (line interactive UPS)

2.3.1　典型的市電交互UPS

市電交互UPS如圖5所示，系統(tǒng)由電源接口電路、逆變器、蓄電池、UPS開關(guān)等所組成。接口電路包括靜態(tài)開關(guān)和電感(扼流圈)。逆變器是雙向變換器，即有市電時將市電交流電整流為直流電給蓄電池充電;市電停電時將蓄電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟姙樨?fù)載供電。

市電交互UPS有三種工作方式：正常方式、儲能方式和旁路方式。

在正常方式下，交流輸入電源(市電)與逆變器并聯(lián)、相互作用向負(fù)載供電，逆變器進(jìn)行輸出電壓的調(diào)節(jié)，交流輸入電源(市電)供給負(fù)載電流，并給蓄電池充電。系統(tǒng)輸出頻率等于交流輸入電源的頻率。因?yàn)槟孀兤鞯妮敵鲱l率必須與市電頻率相同，才能通過控制逆變器與市電之間的相位角，使兩者相互作用，向負(fù)載提供穩(wěn)定的電源，并實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充電。因此，稱為市電交互UPS。

當(dāng)交流輸入電源電壓超出UPS預(yù)定的允差時，UPS工作在儲能方式。

在儲能方式下，負(fù)載由蓄電池通過逆變器繼續(xù)為負(fù)載供電。此時電源接口電路中的靜態(tài)開關(guān)斷開，以防止逆變器電源反饋到市電電源。蓄電池/逆變器組合一直為負(fù)載供電到蓄電池放電終止?；蛘吖╇姷浇涣鬏斎腚娫椿謴?fù)，負(fù)載轉(zhuǎn)換回由輸入交流電源供電。

旁路方式是指在UPS故障或過載時，負(fù)載切換到由旁路電源供電。

市電交互UPS的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，提供了輸出電壓的調(diào)節(jié)。市電交互UPS的缺點(diǎn)：(1)負(fù)載沒有與市電電源的干擾真正的隔離。(2)不能進(jìn)行輸出頻率的控制，輸出頻率取決于市電頻率。(3)輸出電壓調(diào)節(jié)性能一般，因?yàn)檩敵鲭妷旱恼{(diào)節(jié)是通過市電與逆變器并聯(lián)完成的。

圖5　市電交互UPS

2.3.2　 Delta 變換UPS(Delta conversion UPS)

Delta 變換UPS是20世紀(jì)90年代研制開發(fā)的一種性能優(yōu)良的，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電能變換上引入了新的概念，在某些技術(shù)性能指標(biāo)上獲得了突破性進(jìn)展的UPS。該項(xiàng)技術(shù)至今在國際上仍有爭議，IEC62040 也沒有明確規(guī)定Delta 變換UPS。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62040-3關(guān)于UPS性能分類的規(guī)定，國際上UPS 行業(yè)多數(shù)意見認(rèn)為Delta 變換UPS屬于市電交互UPS，或者是市電交互UPS的一種變形，因?yàn)槠漭敵鲱l率取決于市電電源的頻率，性能分類代碼為VI。

Delta 變換UPS的系統(tǒng)組成如圖6所示，包括兩個逆變器、交流輸入開關(guān)、Delta 變壓器和旁路開關(guān)等。其中一個逆變器稱為Delta 逆變器，另一個稱為主逆變器。Delta 逆變器的額定容量為負(fù)載容量的30%，主逆變器的額定容量為負(fù)載容量的100%。Delta 變壓器的原邊繞組串聯(lián)接在市電和UPS 輸出之間。Delta 逆變器和主逆變器都是雙向變換器，它們可以將交流電變?yōu)橹绷麟姡瑫r有可以將直流電變?yōu)榻涣麟姟?p>主逆變器是恒壓源，它精確控制功率平衡點(diǎn)(PBP)的電壓大小和電壓波形。因此在Delta 變壓器的原邊繞組兩端的電壓等于市電交流輸入電壓和功率平衡點(diǎn)上的固定電壓的差值。Delta 變壓器原邊繞組的電壓控制副邊繞組的電壓。

Delta逆變器是可變電流源。Delta 變壓器 邊繞組的電流取決于Delta逆變器輸出電流。Delta 變壓器 邊電流是由副邊電流調(diào)節(jié)的。原邊電流的波形還取決于副邊電流的波形。Delta 逆變器的作用是在Delta變壓器副邊繞組中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娏?，以控制市電輸入到原邊繞組的電流。Delta 逆變器還可以控制市電輸入電流波形，使之為正弦波且與電壓同相位，因此可以將輸入功率因數(shù)控制到接近1。負(fù)載電流中的諧波電流由主逆變器供給。

Delta 變換UPS 的工作方式如下：

(1)在正常情況下(市電電壓的變化在額定電壓的±15%以內(nèi))負(fù)載由市電經(jīng)Delta 變壓器的原邊繞組供電，主逆變器將PBP平衡點(diǎn)的電壓控制到額定電壓。根據(jù)市電電壓變化范圍，有下面三種不同的情況。

A.當(dāng)市電電壓等于PBP處的電壓時，Delta 變壓器的原邊和副邊繞組電壓均等于零，無任何功率變換。

B.市電電壓低于PBP的電壓時(例如-15%)，Delta 變換UPS從系統(tǒng)輸出端吸取一定的功率經(jīng)主逆變器、Delta 逆變器進(jìn)行整流、逆變兩次變換，以控制Delta 變壓器的副邊繞組的電流，使從市電輸入的電流增大，以滿足負(fù)載的功率需求。在這種情況下Delta 變壓器的原副邊都有電壓和電流，因此有功率變換。這個變換是從副邊至原邊的變換。

圖6　Delta 變換UPS

C.市電電壓高于PBP的電壓時(例如+15%)，為了保持功率平衡，Delta 逆變器應(yīng)減小輸入電流。但是負(fù)載經(jīng)PBP從市電得到的功率不能滿足負(fù)載需要。Delta 變換UPS從Delta 變壓器吸取一定的功率經(jīng)Delta 逆變器、主逆變器進(jìn)行整流、逆變兩次變換，最后經(jīng)PBP供給負(fù)載。由直接市電供給的功率和經(jīng)變換后供給負(fù)載的功率正好滿足負(fù)載的需要。在這種情況下Delta 變壓器的原副邊都有電壓和電流，因此有功率變換。這個變換是從原邊至副原邊的變換。

蓄電池充電的情況：市電電壓在±15%范圍內(nèi)變化時，都可以給蓄電池充電。控制方法如下：A.　市電電壓等于或低于PBP點(diǎn)的電壓時，控制Delta變壓器副邊電流，使從市電吸取的、送到PBP的電流比負(fù)載需要的大，多余的電流即通過主逆變器內(nèi)部的回掃二極管到達(dá)DC母線，給蓄電池充電。

B.　市電電壓高于PBP點(diǎn)的電壓時，市電輸入電流仍控制為保持市電電壓為額定值時的電流，此時的市電輸入功率大于負(fù)載需要的功率。負(fù)載僅從市電吸取所需要的功率，其剩余功率流過Delta變壓器原邊耦合到副邊，再經(jīng)Delta 變換器內(nèi)部的回掃二極管整流到達(dá)DC母線，給蓄電池充電。

(2)市電停電時或電壓變化超出±15%，負(fù)載由蓄電池經(jīng)主逆變器供電。此時主靜態(tài)開關(guān)斷開。

(3)Delta 變換UPS 系統(tǒng)故障時，負(fù)載經(jīng)旁路由市電直接供電。

2.4 　雙變換UPS (Double conversion UPS)

雙變換UPS如圖7所示，由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開關(guān)等所組成。雙變換UPS有正常、儲能和旁路三種工作方式。

在正常工作方式下，整流器將市電交流電整流為直流電，供給逆變器，同時給蓄電池充電。逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┙o負(fù)載。因?yàn)閷⒇?fù)載功率進(jìn)行了整流和逆變兩次變換，故這種UPS稱為雙變換UPS。

當(dāng)市電電源停電時或電壓和頻率指標(biāo)超出允差時，雙變換UPS將轉(zhuǎn)入儲能方式，由蓄電池經(jīng)逆變器不間斷地為負(fù)載繼續(xù)供電。

當(dāng)UPS 的功能部件故障時或UPS 過載時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)將負(fù)載直接連接到市電電源(旁路電源)，由市電電源供電，即工作于旁路方式。

雙變換UPS的優(yōu)點(diǎn)：

(1)雙變換UPS的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了負(fù)載與市電電源干擾的完全隔離，在任何情況下都能為負(fù)載提供電壓和頻率穩(wěn)定交流電源;(2)市電電源停電時UPS 轉(zhuǎn)換至儲能方式的過程中無供電中斷;(3)允許很寬的輸入電壓變動范圍;(4)輸出電壓精度很高;

雙變換UPS的缺點(diǎn)是在正常方式下將100%負(fù)載的負(fù)載功率進(jìn)行了整流、逆變兩次變換，損耗較大，影響了系統(tǒng)效率的提高。

圖7　 雙變換UPS

2.5 　 UPS 的性能分類與抑制市電電源干擾的能力

如前所述，UPS性能分類代碼表示的是電源質(zhì)量，包括：(1)UPS輸出電壓、輸出頻率與市電輸入電源的電壓、頻率的關(guān)系;(2)UPS輸出電壓波形;(3)UPS輸出的動態(tài)特性。此外，符合IEC62040規(guī)定的性能分類代碼的各種UPS還具有不同程度的抑制市電電源干擾的能力。

最常見的市電電源干擾主要有以下10種：(1)電源停電(2)電壓下降(3)短時過壓(4)欠壓(5)雷電(6)過壓(7)電壓瞬變(8)頻率波動(9)電壓波形失真(10)電壓諧波。

圖8示出性能分類代碼為VFI、VI和VFD的UPS可以抑制的電源干擾。

最簡單的UPS是VFD級UPS，即冷備用UPS。它能抑制前三種電源干擾，但在電源轉(zhuǎn)換過程中有供電中斷。因此只能用于允許短時供電中斷的負(fù)載。

對電壓穩(wěn)定度要求較高的負(fù)載需要能抑制前五種電源干擾的VI級的UPS，這就是市電交互UPS。

對電源質(zhì)量和電壓穩(wěn)定度要求最高的負(fù)載需要能抑制所有的市電電源干擾的VFI級UPS，這就是雙變換UPS。

圖8　市電電源干擾和UPS性能分類代碼

3　冗余UPS 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 概述

IEC62040規(guī)定的各種單機(jī)UPS系統(tǒng)，從可靠性和功能性上來看，可以分別滿足不同應(yīng)用場合的需要。在小功率的應(yīng)用場合，各種單機(jī)UPS系統(tǒng)都可以采用。在中、大功率的應(yīng)用場合，可以采用雙變換UPS 系統(tǒng)。應(yīng)該指出，僅僅滿足可靠性和功能性的要求還是不夠的，對于要求高可用度的應(yīng)用場合，還應(yīng)滿足可維性和故障容限的要求，以提高系統(tǒng)的可用度。

VFI級的雙變換UPS是性能最好、可靠性最高的UPS。但是，當(dāng)UPS、蓄電池需要進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)時，負(fù)載將被轉(zhuǎn)換到未經(jīng)調(diào)節(jié)的市電電源上，此時負(fù)載沒有與市電電源的各種各樣干擾隔離。一般來說，雙變換UPS單機(jī)系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)需要的時間是每年約2～4小時。因此，對于不能承受市電的各種干擾的負(fù)載而言，UPS的可用度僅為99.95% 。

此外，雙變換UPS單機(jī)系統(tǒng)沒有容量的冗余，不能保護(hù)內(nèi)部模塊本身的故障。也不能保護(hù)設(shè)備的故障。因此，UPS 內(nèi)部模塊、系統(tǒng)和配電均不能同時維護(hù); 內(nèi)部模塊和配電均無故障容限。

所以，雙變換UPS單機(jī)系統(tǒng)僅適用于允許UPS停機(jī)2～4小時進(jìn)行維護(hù)，在此期間可以由帶有各種干擾的市電電源直接供電的負(fù)載。對于要求更高的可用度的應(yīng)用場合，雙變換UPS單機(jī)系統(tǒng)就不適用了。

為了提高UPS的可維護(hù)性和故障容限，應(yīng)采用冗余UPS系統(tǒng)。冗余UPS系統(tǒng)有并聯(lián)冗余、備用冗余和隔離冗余UPS系統(tǒng)和分布冗余等。

值得說明的是，UPS性能分類代碼不反映UPS系統(tǒng)可用度的情況，因此，UPS 性能分類代碼只與UPS單機(jī)系統(tǒng)有對應(yīng)關(guān)系。如果要求較高的可用度，應(yīng)采用由單機(jī)UPS組成的冗余UPS系統(tǒng)。冗余UPS性能分類代碼與組成此冗余UPS 的單機(jī)UPS的性能分類代碼相同。

下面僅介紹廣泛應(yīng)用的并聯(lián)冗余UPS和正在不斷發(fā)展的分布冗余UPS。

3.2　并聯(lián)冗余UPS

并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)由兩個或多個單機(jī)UPS系統(tǒng)組成，各單機(jī)UPS系統(tǒng)的輸出并聯(lián)連接到一個公共的配電系統(tǒng)。系統(tǒng)一般按N+1個單機(jī)UPS系統(tǒng)配置，其中N個單機(jī)UPS系統(tǒng)就足以供給系統(tǒng)全部負(fù)載，再增加一個作為備用。因此，如果只有一個單機(jī)系統(tǒng)故障，N+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)仍能正常工作。并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)的可用度比單機(jī)UPS 系統(tǒng)的高得多。假設(shè)單機(jī)系統(tǒng)的可用度為三個9(0.999)，則1+1 并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可用度可達(dá)到六個9(0.999999)。廠家一般承諾可以6臺UPS 并聯(lián)。但是，當(dāng)并聯(lián)的單機(jī)UPS 系統(tǒng)的數(shù)目增大時，并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可用度的提高的幅度會減小。N很大時，并聯(lián)冗余系統(tǒng)可用度的提高并不明顯。而且，在實(shí)際應(yīng)用中，N　較大的N+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的故障率較高。所以，在投資允許的情況下應(yīng)盡量采用1+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)。如果系統(tǒng)容量很大，必須采用N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)時，應(yīng)注意并聯(lián)的單機(jī)臺數(shù)不宜太多，建議N≤3。

并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)有四種工作方式：

(1) 正常方式

在正常工作時，所有N+1個單機(jī)UPS系統(tǒng)都同步運(yùn)行并均分負(fù)載。如果一個單機(jī)UPS 系統(tǒng)故障自動與并聯(lián)冗余系統(tǒng)上斷開或或人為使其脫離系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)時，其余單機(jī)UPS系統(tǒng)可以不間斷地給負(fù)載供電。

(2) 儲能方式

市電停電時，各個UPS都由蓄電池放電供給逆變器，各個逆變器繼續(xù)并聯(lián)運(yùn)行，不間斷地為負(fù)載供電。

(3)旁路方式

當(dāng)UPS過載時，負(fù)載通過集中的靜態(tài)開關(guān)或分散的靜態(tài)開關(guān)被轉(zhuǎn)換到由旁路電源供電。

(4)維修旁路

如果UPS需要停機(jī)進(jìn)行維護(hù)，通過維修旁路開關(guān)將負(fù)載轉(zhuǎn)換到由旁路電源供電。

并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)主要有兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，即直接并聯(lián)(分散的旁路)和通過并機(jī)柜并聯(lián)(集中的旁路)，如圖9A和圖9B 所示。此外，集中旁路還有幾種不同的形式，例如冗余旁路、雙旁路和多旁路等，本文不詳述。

圖9A　并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)(分散的旁路)

圖9B　并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)(集中的旁路)

3.3 分布冗余UPS

3.3.1　分布冗余UPS 的基本組成

上面介紹的各種冗余UPS系統(tǒng)與單機(jī)UPS系統(tǒng)相比已經(jīng)相當(dāng)可靠了，但是電源系統(tǒng)的冗余只是集中在UPS 設(shè)備，對于每個負(fù)載設(shè)備，其輸入電源仍然沒有冗余。在實(shí)際運(yùn)行中，UPS輸出端至負(fù)載之間的配電電路(包括開關(guān)和線路)的故障往往多于UPS本身的故障。因此，最重要的不是保證UPS輸出端的電源可靠，而是保證負(fù)載輸入端的電源可靠。基于這種考慮，提出了分布冗余UPS。

分布冗余UPS的目的是將電源系統(tǒng)的冗余擴(kuò)展到每一個負(fù)載設(shè)備，而且應(yīng)使電源系統(tǒng)的冗余盡可能接近負(fù)載設(shè)備的輸入端。

如圖10所示，分布冗余UPS系統(tǒng)中有兩個獨(dú)立的UPS系統(tǒng)，每個獨(dú)立的UPS系統(tǒng)都能為全部重要負(fù)載供電，構(gòu)成雙母線供電系統(tǒng)。通過適當(dāng)?shù)呐潆婋娐?，可以為單電源輸入和雙電源輸入的各種負(fù)載設(shè)備供電。

假設(shè)負(fù)載需要400kva的UPS系統(tǒng)，構(gòu)成冗余供電系統(tǒng)的常規(guī)方法是：將兩個400kva的UPS連接成并聯(lián)冗余或隔離冗余系統(tǒng)或備用冗余UPS系統(tǒng)。如采用分布冗余，可將同樣的兩個400kva的UPS用做兩個獨(dú)立的UPS。正常時，400kva負(fù)載的一半接在其中一臺UPS輸出上(負(fù)載母線 1)，另一半負(fù)載接在另一個UPS輸出上(負(fù)載母線 2)。

如后文所述，采用適當(dāng)?shù)呐潆婋娐罚涂梢栽谒械呢?fù)載設(shè)備輸入端上(不是在UPS輸出端上)得到了冗余電源系統(tǒng)。即電源系統(tǒng)的冗余已分散到各個負(fù)載設(shè)備，因此稱為“分布冗余”。正常時，兩個獨(dú)立的UPS系統(tǒng)(兩個負(fù)載母線)分別承擔(dān)一半負(fù)載的供電。當(dāng)其中一臺UPS故障時，另一臺UPS就會自動地承擔(dān)起全部負(fù)載的供電。因此，故障UPS可以脫離負(fù)載進(jìn)行維修。

分布冗余UPS 系統(tǒng)的兩個獨(dú)立的UPS系統(tǒng)可以采用并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)，也可以采用單機(jī)UPS 系統(tǒng)。采用1+1并聯(lián)冗余UPS組成的分布冗余UPS 的可靠性和可用度非常高，但成本為普通的1+1并聯(lián)冗余UPS　的兩倍。采用單機(jī)UPS 的分布冗余UPS 系統(tǒng)與1+1并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)的成本基本相同，但其可用度和可靠性比1+1并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)的要高。因此，這種所謂單機(jī)分布冗余UPS(或稱為單機(jī)雙母線UPS)更為經(jīng)濟(jì)適用，更容易為用戶接受。

分布冗余UPS也可以擴(kuò)容，對于較大應(yīng)用系統(tǒng)，每個獨(dú)立的UPS系統(tǒng)可以采用較大容量N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)，也可以采用并聯(lián)無冗余UPS系統(tǒng)(僅為擴(kuò)大容量而并聯(lián))。

圖10　分布冗余UPS (雙母線供電系統(tǒng))

3.3.2 分布冗余UPS的同步問題

對于雙電源負(fù)載設(shè)備，只要任何一個輸入電源正常，負(fù)載設(shè)備就可以正常工作。當(dāng)兩個UPS給雙電源負(fù)載設(shè)備供電時，只需將兩個UPS電源直接接到雙電源負(fù)載設(shè)備的輸入端，當(dāng)其中一個UPS 出現(xiàn)故障時也不必進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。因此兩個UPS是完全獨(dú)立的，其輸出不必同步。這種配電電路最簡單。

對于單電源負(fù)載設(shè)備，其輸入電源是不允許停電的。當(dāng)兩個UPS給單電源輸入的負(fù)載設(shè)備供電時，應(yīng)采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，正常時由其中一個UPS為負(fù)載供電，當(dāng)供電的UPS 故障時或需要維護(hù)時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)將負(fù)載不間斷地轉(zhuǎn)換到由另一UPS供電。

目前，雙電源輸入的負(fù)載設(shè)備正在不斷增加，還有三電源負(fù)載設(shè)備。但是大部分負(fù)載設(shè)備還是單電源輸入的。因此，分布冗余UPS的配電系統(tǒng)必須考慮兩個UPS 的同步和相互之間轉(zhuǎn)換的問題。

在分布冗余UPS中，兩個UPS的同步是非常重要的問題，兩個UPS 必須在全部時間內(nèi)保持同步。同步不僅可以縮短兩個UPS之間的轉(zhuǎn)換時間，減少單電源輸入的負(fù)載設(shè)備供電中斷時間，而且可以有效地保護(hù)電源設(shè)備和負(fù)載設(shè)備，避免事故發(fā)生。因?yàn)槿绻麅蓚€UPS不同步，進(jìn)行了不同相位的轉(zhuǎn)換，兩個電源之間就會出現(xiàn)環(huán)流，損壞電源設(shè)備。而且還會損壞負(fù)載設(shè)備。例如，對于交流磁性負(fù)載(比如變壓器、繼電器線圈和電動機(jī)等)，交流電源相位的突變會產(chǎn)生非常大的再磁化電流，致使電源設(shè)備過載或使過流保護(hù)裝置動作、開關(guān)跳閘。當(dāng)兩個不同步的電源進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換時，一定要進(jìn)行中斷的轉(zhuǎn)換。

兩個UPS在正常情況下一般是同步的，因?yàn)閮烧叨纪接谕粋€旁路電源(市電)。但是在市電故障時(同步源消失)，如果兩個UPS都同步于各自的內(nèi)部時鐘，兩者就不會同步。為此，應(yīng)配置了 “負(fù)載母線同步電路(LBS)”，以保證在市電停電時，兩個UPS都工作于儲能方式，或者兩個UPS工作于兩個獨(dú)立的發(fā)電機(jī)組時，也能可靠地同步。

LBS 連續(xù)檢測兩個UPS 的輸出之間的相位關(guān)系，如果失步超過預(yù)定的時間(0.5～5s)，LBS 就使指定為“從系統(tǒng)(DSS)”的UPS 同步于指定為“主系統(tǒng)(DMS)”的UPS。在此期間LBS 連續(xù)監(jiān)視兩個系統(tǒng)的旁路輸入電壓的質(zhì)量和同步情況。一旦恢復(fù)正常，LBS就將兩個系統(tǒng)恢復(fù)為同步到各自的旁路輸入電源。

值得順便一提的是，分布冗余UPS 系統(tǒng)中的兩個獨(dú)立的UPS 必須在任何時間保持同步，雙變換UPS通過LBS就能做得到。市電交互UPS 和 Delta 變換UPS 正常運(yùn)行時只能同步于為其供電的市電交流輸入電源，不能進(jìn)行輸出頻率的控制。這種UPS構(gòu)成分布冗余UPS時，要求所有獨(dú)立的UPS的輸入電源(獨(dú)立的備用發(fā)電機(jī)組)同步運(yùn)行。每個獨(dú)立的UPS模塊還需要有一個內(nèi)部系統(tǒng)同步單元用于蓄電池供電時各獨(dú)立UPS模塊的同步。

3.3.3分布冗余UPS的配電電路

1)分布冗余UPS常用配電電路

圖11示出雙母線分布冗余UPS供電系統(tǒng)的常用的配電電路。UPS1和UPS2經(jīng)各自的輸出配電屏為雙電源負(fù)載和單電源負(fù)載供電。

(1)雙電源負(fù)載設(shè)備，只要任何一個輸入電源正常，負(fù)載設(shè)備就可以正常工作。因此。只需將兩個UPS輸出經(jīng)UPS輸出配電屏、分配電屏()直接接到雙電源負(fù)載設(shè)備的輸入端，就可以在負(fù)載輸入端得到冗余的電源。當(dāng)其中一個UPS 出現(xiàn)故障時負(fù)載設(shè)備仍能正常工作，不需要靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。考慮到分布冗余UPS系統(tǒng)還有單電源負(fù)載設(shè)備，仍配置了LBS， 以保證兩個UPS的同步。這種配電電路完全實(shí)現(xiàn)了將電源系統(tǒng)的冗余擴(kuò)展到負(fù)載設(shè)備的電源輸入端。

(2)單電源負(fù)載需經(jīng)UPS輸出配電屏、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)轉(zhuǎn)換后再經(jīng)分配電屏(列頭柜)供電。靜態(tài)開關(guān)采用快速先斷后合(break before make)的轉(zhuǎn)換技術(shù)，可確保兩個UPS電源的獨(dú)立性，既保證電源切換時不影響負(fù)載正常工作，又防止了一個UPS的故障影響另一個UPS。

(3)如果不配置LBS，只能構(gòu)成非同步的雙母線分布冗余UPS供電系統(tǒng)，此時雙電源負(fù)載的配電電路與前述相同。而單電源負(fù)載就只能接在一個母線上，不再是雙母線供電了。當(dāng)全部負(fù)載都是雙電源負(fù)載，或者雙電源負(fù)載多，單電源負(fù)載很少時，這種不同步的雙母線供電系統(tǒng)方案也是可行的。

圖11　雙母線分布冗余UPS的常用配電電路

2)超高可用度的分布冗余UPS配電電路

圖12 示出一種可用度非常高的雙母線分布冗余UPS配電電路。在此電路中，UPS1和UPS2構(gòu)成雙母線分布冗余UPS系統(tǒng)。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS1和STS2的兩個輸入電源均引自UPS1的輸出配電屏1和UPS2的輸出配電屏2。STS1整定為UPS1為主用，其輸出接到分配電屏1(列頭柜1)，STS2整定為UPS2為主用，其輸出接到分配電屏2(列頭柜2)。各個雙電源負(fù)載的兩路輸入電源均引自分配電屏1和分配電屏2。單電源負(fù)載再經(jīng)“使用點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)”供電，“使用點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)”的兩個輸入電源也引自分配電屏1和分配電屏2。

在正常情況下，UPS1和UPS2 各帶一部分負(fù)載，因此避免了其中一個UPS 故障時需要進(jìn)行100%的負(fù)荷轉(zhuǎn)換。這種配電電路的成本很高，因?yàn)殡p電源負(fù)載也增加了STS ，單電源負(fù)載增加了“使用點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)”(采用機(jī)械開關(guān))。但是，整個供電系統(tǒng)，從UPS設(shè)備直到雙電源負(fù)載的電源輸入端和單電源負(fù)載的使用點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)之前的電路，都可以脫離系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

分布冗余UPS還可以組成三母線、四母線等供電系統(tǒng)，本文不贅述。

圖12　超高可用度的雙母線分布冗余UPS配電電路

分布冗余UPS系統(tǒng)與單機(jī)、并聯(lián)冗余或隔離冗余相比，可維護(hù)性和故障容限得到了很大的提高。采用雙母線配電，可以將負(fù)載全部轉(zhuǎn)換到一個母線上(不必象并聯(lián)冗余UPS那樣轉(zhuǎn)換到旁路)，由一個UPS 供電。而另一個UPS 及其斷路器、配電設(shè)備都可以脫離系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。因此可以得到連續(xù)的可用度。

分布冗余UPS系統(tǒng)比并聯(lián)冗余或隔離冗余系統(tǒng)簡單、便宜。最普通的方法是用兩臺單機(jī)UPS和LBS構(gòu)成雙母線分布冗余UPS系統(tǒng)。不需要增加系統(tǒng)級控制設(shè)備。由于采用了雙母線和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，使單電源負(fù)載也具有類似于雙電源負(fù)載的功能性。因此，分布冗余UPS系統(tǒng)在進(jìn)行預(yù)防性定期維護(hù)時的風(fēng)險較小。

4　結(jié)束語

由于國際上UPS 的名稱尚未統(tǒng)一，有些UPS 的名稱容易引起混淆;而且，其性能與其名稱不符。 IEC62040 規(guī)定了新的標(biāo)準(zhǔn)化UPS 名稱和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及UPS性能分類方法。UPS 性能分類代碼表示的是UPS 電源的質(zhì)量，包括UPS 輸出電壓和頻率與其交流輸入電源(市電)的關(guān)系，輸出電壓波形和動態(tài)特性。UPS 性能分類代碼是評價UPS 性能的最簡單、最直觀的方法。不同的性能分類代碼對應(yīng)于不同的標(biāo)準(zhǔn)化UPS 系統(tǒng)。但性能分類代碼不反映UPS 系統(tǒng)的可用度。冗余UPS 的性能分類代碼與組成冗余系統(tǒng)的單機(jī)系統(tǒng)的性能分類代碼是相同的。

UPS 產(chǎn)品應(yīng)由廠家按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行性能分類代碼的標(biāo)識。用戶應(yīng)采用已標(biāo)識性能分類代碼的UPS產(chǎn)品。對于尚未標(biāo)識性能分類代碼的UPS 產(chǎn)品，用戶應(yīng)要求廠家做出解釋。

本文闡述了IEC62040 規(guī)定的UPS 性能分類方法和標(biāo)準(zhǔn)化UPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并介紹了高可用度的冗余UPS系統(tǒng)，其中包括目前廣泛應(yīng)用的并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)和正在不斷發(fā)展的分布冗余UPS 系統(tǒng)(雙母線UPS供電系統(tǒng))。并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)具有UPS模塊的冗余，在一定程度上提高可維護(hù)性和故障容限;改善了系統(tǒng)可用度，適用于電信系統(tǒng)各種負(fù)載。分布冗余UPS系統(tǒng)具有UPS模塊、UPS系統(tǒng)和UPS配電的冗余;因此具有UPS模塊、UPS系統(tǒng)和UPS配電同時維護(hù)和故障容限的性能，可達(dá)到連續(xù)的(100%)可用度。這種分布冗余UPS系統(tǒng)技術(shù)正在發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大;預(yù)計不久將會成為用于電信等重要負(fù)載的主流UPS 系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

1 IEC62040-3 Uninterruptible power systems(UPS)-　Part 3: Method of specifying the performance and test requirements

2 A New International UPS Classification by IEC 62040-3　(INTELEC2002)