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UPS系統(tǒng)及其特點如表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UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點。

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。或者供電到交流輸入電源恢復(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)濟的UPS。但是有一些嚴(yán)重的缺點，(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。因為逆變器的輸出頻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：(1)負(fù)載沒有與市電電源的干擾真正的隔離。(2)不能進行輸出頻率的控制，輸出頻率取決于市電頻率。(3)輸出電壓調(diào)節(jié)性能一般，因為輸出電壓的調(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)上獲得了突破性進展的UPS。該項技術(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，因為其輸出頻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?，同時有可以將直流電變?yōu)榻涣麟姟?p>主逆變器是恒壓源，它精確控制功率平衡點(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?？刂品椒ㄈ缦拢篈.　市電電壓等于或低于PBP點的電壓時，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DC母線，給蓄電池充電。

B.　市電電壓高于PBP點的電壓時，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。因為將負(fù)載功率進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：

(1)雙變換UPS的優(yōu)點是實現(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的缺點是在正常方式下將100%負(fù)載的負(fù)載功率進行了整流、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、蓄電池需要進行預(yù)防性維護時，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單機系統(tǒng)的預(yù)防性維護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單機系統(tǒng)沒有容量的冗余，不能保護內(nèi)部模塊本身的故障。也不能保護設(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; 內(nèi)部模塊和配電均無故障容限。

所以，雙變換UPS單機系統(tǒng)僅適用于允許UPS停機2～4小時進行維護，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單機系統(tǒng)就不適用了。

為了提高UPS的可維護性和故障容限，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UPS系統(tǒng)組成，各單機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UPS系統(tǒng)配置，其中N個單機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UPS 系統(tǒng)的高得多。假設(shè)單機系統(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UPS系統(tǒng)都同步運行并均分負(fù)載。如果一個單機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)進行維護時，其余單機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需要停機進行維護，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。在實際運行中，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?；谶@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)中有兩個獨立的UPS系統(tǒng)，每個獨立的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)載進行維修。

分布冗余UPS 系統(tǒng)的兩個獨立的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，這種所謂單機分布冗余UPS(或稱為單機雙母線UPS)更為經(jīng)濟適用，更容易為用戶接受。

分布冗余UPS也可以擴容，對于較大應(yīng)用系統(tǒng)，每個獨立的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)故障時也不必進行電源轉(zhuǎn)換。因此兩個UPS是完全獨立的，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電源設(shè)備和負(fù)載設(shè)備，避免事故發(fā)生。因為如果兩個UPS不同步，進行了不同相位的轉(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裝置動作、開關(guān)跳閘。當(dāng)兩個不同步的電源進行相互轉(zhuǎn)換時，一定要進行中斷的轉(zhuǎn)換。

兩個UPS在正常情況下一般是同步的，因為兩者都同步于同一個旁路電源(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工作于兩個獨立的發(fā)電機組時，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 正常運行時只能同步于為其供電的市電交流輸入電源，不能進行輸出頻率的控制。這種UPS構(gòu)成分布冗余UPS時，要求所有獨立的UPS的輸入電源(獨立的備用發(fā)電機組)同步運行。每個獨立的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)進行電源轉(zhuǎn)換?？紤]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現(xiàn)了將電源系統(tǒng)的冗余擴展到負(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)“使用點轉(zhuǎn)換開關(guān)”供電，“使用點轉(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 故障時需要進行100%的負(fù)荷轉(zhuǎn)換。這種配電電路的成本很高，因為雙電源負(fù)載也增加了STS ，單電源負(fù)載增加了“使用點轉(zhuǎn)換開關(guān)”(采用機械開關(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)載的使用點轉(zhuǎn)換開關(guān)之前的電路，都可以脫離系統(tǒng)進行維護。

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、并聯(lián)冗余或隔離冗余相比，可維護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)進行維護。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)在進行預(yù)防性定期維護時的風(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配電同時維護和故障容限的性能，可達到連續(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

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)