UPS及EPS的應(yīng)用技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續(xù)充電，電池連續(xù)充電大約要減少一半的使用壽命。目前國(guó)外使用一種ABM(Advanced Battery Management)三階段電池管理方案，即充電分成三個(gè)階段：第一階段是恒流均衡充電，將電池容量充到90％；第二階段是浮充充電，將電池容量充到100％，然后停止充電；第三階段是自然放電，在這個(gè)階段里，電池利用自身的漏電流放電，一直到規(guī)定的電壓下限，再重復(fù)上述的三個(gè)階段。這種方式改變了以前那種充滿電后，仍使電池處于一天24h的浮充狀態(tài)，因此延長(zhǎng)了電池的壽命。

金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，而且又無(wú)鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應(yīng)用于UPS可以收到小型輕量化的優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是售價(jià)太高。美國(guó)Alupower公司研發(fā)的高功率鉛－空氣備用電源裝置(RPU)，運(yùn)行≥50h，功率從600W到6000W，電壓有DC24V和48V兩種，其能量密度是鉛酸電池的十多倍，重量只有鉛酸電池的1／10，所占空間只有鉛酸電池的1／7，有望取代鉛酸蓄電池應(yīng)用于UPS。

3.3 UPS的冗余技術(shù)和在線維護(hù)（熱插拔）

開(kāi)關(guān)整流器的并聯(lián)和熱插拔已成為通信電源的基本運(yùn)行方式，這種運(yùn)行方式即所謂N＋1冗余供電方式，用于取代主備方式，使電源的可靠性大幅度提高。主備方式的備份電源的容量和主電源相同，因此使電源成本提高，而且在轉(zhuǎn)換時(shí)還會(huì)造成電能中斷。N＋1冗余供電方式不僅降低了電源成本，并且還保證了供電不中斷。這種冗余供電方式的實(shí)質(zhì)是通過(guò)并聯(lián)平行操作的電源模塊提供分布式電源，所有的模塊并聯(lián)運(yùn)行并平均負(fù)擔(dān)當(dāng)前的負(fù)載，電源陣列比額定容量多配置一個(gè)功率模塊，當(dāng)一個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，特設(shè)的電路將故障模塊從負(fù)載上斷開(kāi)，其它模塊將立即支持所有負(fù)載，使其連續(xù)不間斷地供電。替換模塊后UPS的控制電路和蓄電池均能在線運(yùn)行。這種靈活的模塊化設(shè)計(jì)，用戶可以自行堆疊電池模塊，以增加UPS的輸出功率，延長(zhǎng)供電時(shí)間，大大增強(qiáng)了電源的可靠性。

UPS的并聯(lián)和熱插拔技術(shù)要比開(kāi)關(guān)整流器的并聯(lián)復(fù)雜得多，這是因?yàn)榻涣麟姷淖兞勘戎绷麟姸?，有相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個(gè)變量，其任意一個(gè)與市電電源不一致，都不能使UPS投入電網(wǎng)。在投入電網(wǎng)后還必須不斷地檢測(cè)各臺(tái)UPS輸出的有功功率和無(wú)功功率，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓和相位實(shí)現(xiàn)各UPS輸出有功功率和無(wú)功功率的平均分配。

由此可見(jiàn)，UPS的并聯(lián)工作有3個(gè)方面。一是正常工作的UPS自動(dòng)投入電網(wǎng)，二是并聯(lián)運(yùn)行的UPS之間，有功功率和無(wú)功功率的均勻分配，三是UPS退出并聯(lián)，特別是在不干擾電網(wǎng)的情況下快速切除故障UPS。這3個(gè)要求的實(shí)現(xiàn)，也就解決了UPS的熱插技術(shù)。

3.4 智能化UPS的管理系統(tǒng)

所謂智能化UPS，是指將傳統(tǒng)UPS通過(guò)與計(jì)算機(jī)相連的硬件接口，結(jié)合特殊設(shè)計(jì)的軟件，以提供計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)資料的雙重保護(hù)。當(dāng)前UPS智能化技術(shù)有兩個(gè)方面：一是加強(qiáng)UPS新功能，與服務(wù)器上的軟件協(xié)同工作，使UPS除了完成最基本的不間斷供電功能外，還能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上事件記錄、故障告警、參數(shù)自動(dòng)測(cè)試分析和調(diào)節(jié)等；另一方面是加強(qiáng)UPS的節(jié)能功能。

智能化的UPS，除了完成一般UPS所能完成的全部工作外，還應(yīng)具備的功能是：

1）對(duì)運(yùn)行中的UPS進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨時(shí)將采樣點(diǎn)的狀態(tài)信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，一方面獲取UPS工作的有關(guān)參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路各部的工作狀態(tài)，從中分析電路各部分工作是否正常；

2）故障時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行故障診斷，指出故障部位，給出處理辦法；

3）完成部分處理工作，除了實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS工作的控制外，還能在發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)需要采取必要的應(yīng)急控制，此外通過(guò)對(duì)整流部分的控制，按照對(duì)不同蓄電池的不同要求，自動(dòng)完成對(duì)蓄電池的分階段充電；

4）自動(dòng)顯示所檢測(cè)的參數(shù)，在異?；虬l(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)記錄有關(guān)異?；蚬收系男畔ⅲ?p> 5）按照技術(shù)說(shuō)明書(shū)給出的指標(biāo)，自動(dòng)定期地進(jìn)行自檢，并形成自檢記錄文件；

6）能夠用程序控制UPS的啟動(dòng)或停機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)操作；

7）具有交換信息功能，可以隨時(shí)向計(jì)算機(jī)輸入信息或從計(jì)算機(jī)獲取信息；

8）通過(guò)通信接口與計(jì)算機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理。

推動(dòng)UPS技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿υ谟谌蛴?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展。為了使UPS能夠更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，UPS正在向網(wǎng)絡(luò)化管理和控制方向發(fā)展。新型的網(wǎng)絡(luò)UPS采用一個(gè)集成的SNMP適配器，掉電期間，即使UPS不能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，用戶也可以依靠UPS通過(guò)串行端口適時(shí)關(guān)閉服務(wù)器，適配器接到UPS通信端口上，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可維持局部停機(jī)控制。網(wǎng)絡(luò)管理人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)管平臺(tái)，將UPS作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)管理，實(shí)時(shí)處理電源故障及UPS狀態(tài)報(bào)警。SNMP適配器和管理軟件相配合可以同時(shí)向任何管理站發(fā)出電源故障及UPS狀態(tài)報(bào)警。在無(wú)人值守的情況下，當(dāng)市電中斷時(shí)，軟件會(huì)發(fā)出告警信息，并開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)計(jì)數(shù)到零時(shí)或電池耗盡前，軟件即關(guān)閉應(yīng)用程序，并將現(xiàn)場(chǎng)資料存盤后關(guān)閉系統(tǒng)，向UPS發(fā)出關(guān)機(jī)命令，切斷UPS，當(dāng)市電恢復(fù)后可自動(dòng)啟動(dòng)UPS。

智能化的網(wǎng)絡(luò)UPS最基本功能是在長(zhǎng)時(shí)間斷電的情況下，能安全、自動(dòng)地關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)，確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性。此外，通過(guò)遠(yuǎn)程控制裝置，用戶也可以在遠(yuǎn)方通過(guò)電話遙控UPS，有些UPS還可將UPS狀態(tài)或報(bào)警信息通過(guò)電子郵件、傳真機(jī)或手機(jī)等通知外出網(wǎng)絡(luò)管理人員。

3.5 提高UPS的可用性

從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，對(duì)UPS可用性的要求越來(lái)越高。所謂UPS的可用性，其物理概念是，在規(guī)定的使用期間內(nèi)，UPS的正常運(yùn)行時(shí)間與整個(gè)時(shí)間的比例。根據(jù)這個(gè)定義要提高UPS的可用性有兩個(gè)辦法：一是提高UPS的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF，二是降低UPS的平均修復(fù)時(shí)間MTTR。提高UPS本身MTBF的傳統(tǒng)做法是，提高功率開(kāi)關(guān)器件的規(guī)格和檔次；改進(jìn)控制技術(shù)，提高邏輯控制組件的規(guī)格和檔次；使用更先進(jìn)的主電路結(jié)構(gòu)；提高智能管理和通信功能；嚴(yán)格生產(chǎn)工藝，加強(qiáng)質(zhì)量管理(ISO9000)等。但當(dāng)MTBF提高到一定程度后其效果就不明顯了。用降低MTTR的辦法，效果是非常明顯的。降低UPS的MTTR的做法有如下幾種。

1）一般的做法是加強(qiáng)對(duì)UPS，特別是其中的關(guān)鍵部件的維護(hù)；充足的備件并保證其完好性；加強(qiáng)對(duì)維護(hù)人員操作技能的培訓(xùn)，特別是用戶在采購(gòu)UPS時(shí)就要求廠家對(duì)售后服務(wù)(包括備件提供、反應(yīng)時(shí)間和修復(fù)速度)條件做出嚴(yán)格承諾。

2）UPS的模塊化＋冗余配置，把整個(gè)UPS按電路功能分成幾部分，并在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)成可以插拔的模塊，例如功率模塊(包括整流器和逆變器)、電池模塊、智能管理和通信功能模塊。

3）UPS的冗余并機(jī)配置，在UPS中，可以把控制電路集中起來(lái)作為一個(gè)獨(dú)立的可插拔模塊，也可以把功率變換部分集中在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，作為一個(gè)可以熱插拔的模塊。為了適應(yīng)多臺(tái)UPS并聯(lián)供電，也可以把每臺(tái)UPS看作一個(gè)模塊，在冗余熱備份配置的情況下，同樣可以做到故障后熱插拔修復(fù)，或者使每臺(tái)UPS都具備直接并機(jī)的功能。

4）用集成設(shè)計(jì)提高UPS的可用性，以適應(yīng)由多種設(shè)備組成供電系統(tǒng)的需要。集成化UPS供電系統(tǒng)的基本思想和原則是，供電設(shè)備制造和供應(yīng)的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化；系統(tǒng)中供電設(shè)備和包括負(fù)載機(jī)架結(jié)構(gòu)的一體化和連接的規(guī)范化；系統(tǒng)中各供電設(shè)備和環(huán)節(jié)（包括負(fù)載機(jī)架中的PDU）電源狀態(tài)管理的集中化；系統(tǒng)中各供電設(shè)備和環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)的模塊化和連接的熱插拔功能。

一個(gè)完整的供電系統(tǒng)的組成，除UPS設(shè)備外，還有輸入配電柜、ATS轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、變壓器、瞬態(tài)電壓浪涌抑制器、負(fù)載配電開(kāi)關(guān)柜、柴油發(fā)電機(jī)、交流穩(wěn)壓器、電池系統(tǒng)、各種開(kāi)關(guān)、斷路器、熔斷器、轉(zhuǎn)插板，上百乃至幾百個(gè)連接點(diǎn)和相應(yīng)的傳輸線。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的供電系統(tǒng)如何提高其可用性呢?僅僅解決UPS設(shè)備的可靠性顯然是不夠的，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的故障數(shù)據(jù)表明，直接由于UPS故障引起系統(tǒng)宕機(jī)的比例畢竟是較少的，由于系統(tǒng)中其他設(shè)備和環(huán)節(jié)以及人為事故造成的故障，或者由此引發(fā)的UPS故障占大多數(shù)。但是模塊化、冗余配置、熱插拔修復(fù)等設(shè)計(jì)原則還是適用的。當(dāng)然，系統(tǒng)中各種設(shè)備和管理的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化和集中化，減少單路徑故障點(diǎn)和大面積掉電的隱患，加快建設(shè)速度和安裝的規(guī)范化、對(duì)環(huán)境和負(fù)載變化的適應(yīng)性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、降低維護(hù)管理的難度和減少人為事故的幾率等問(wèn)題，也是要研究和解決的重點(diǎn)。

圖7是集成化UPS供電系統(tǒng)示意圖，虛線框內(nèi)是集成化所包含的內(nèi)容。

圖7 集成化UPS供電系統(tǒng)示意圖

集成化UPS系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

（1）由單機(jī)模塊化＋冗余的UPS系統(tǒng)組成雙總線系統(tǒng)，是可用性等級(jí)最高的UPS供電系統(tǒng)；

（2）UPS供電系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心一體化機(jī)架式結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)只有電網(wǎng)進(jìn)線與外接線；

（3）PDU作為基本組合的一個(gè)子系統(tǒng)，直接配置在標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載機(jī)架中；

（4）該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本組合機(jī)柜上的服務(wù)器提供了整套基礎(chǔ)設(shè)施，這種基礎(chǔ)設(shè)施包括IT機(jī)柜中的冷卻設(shè)施、布線設(shè)施和配電設(shè)施；基礎(chǔ)組件包含在4個(gè)子系統(tǒng)中，即IT機(jī)柜、機(jī)架安裝PDU、環(huán)境監(jiān)控以及電源和數(shù)據(jù)電纜布線。

3.6 綠色化

各種用電設(shè)備及電源裝置產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流，對(duì)市電電源是一種污染，隨著各種政策法規(guī)的出臺(tái)，對(duì)無(wú)污染的綠色UPS的呼聲越來(lái)越高。要求UPS做到使用戶負(fù)載既不受已污染的市電電源的影響，同時(shí)用戶負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流也不要污染市電。對(duì)于串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS，它已經(jīng)具備了這種功能，對(duì)于傳統(tǒng)雙變換UPS，除在輸入端加裝高效輸入濾波器外，還應(yīng)在輸入整流器部分采用數(shù)控有源功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)，這樣就可以提高輸入功率因數(shù)，減少對(duì)市電電源的污染。

3.7 EPS的發(fā)展趨勢(shì)

由于EPS所帶負(fù)載類型的復(fù)雜性和環(huán)境的相對(duì)固定性，針對(duì)不同場(chǎng)合、不同負(fù)載，可對(duì)EPS功能做得更貼近現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。其中包括以下幾方面。

1）結(jié)構(gòu)組成普通EPS為了更好地結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，往往采用“多合一”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但由于負(fù)載及環(huán)境的復(fù)雜性，也由此帶來(lái)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和設(shè)計(jì)院所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設(shè)計(jì)，將主機(jī)與輸入或輸出配電分離開(kāi)來(lái)。主機(jī)模塊完成主要的能量轉(zhuǎn)換及通訊控制功能；配電模塊實(shí)現(xiàn)豐富的配電管理功能。主機(jī)模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)控制接口實(shí)現(xiàn)對(duì)配電模塊的管理，如雙電源自動(dòng)切換功能，多回路輸出功能，消防聯(lián)動(dòng)功能均應(yīng)在配電模塊中實(shí)現(xiàn)。

2）配電模塊應(yīng)增加功能EPS用于緊急負(fù)載的供電，其負(fù)載往往為非單一的負(fù)載，而這些負(fù)載在緊急情況下的關(guān)鍵程度不盡相同，因此，對(duì)于EPS來(lái)說(shuō)，某些配電管理功能至關(guān)重要。

（1）順序啟動(dòng)功能諸如，EPS的負(fù)載很大一部分是感性沖擊負(fù)載，具有較大的啟動(dòng)電流，在選型時(shí)必須加大EPS容量，從而造成設(shè)備資源的浪費(fèi)以及用戶成本的增加。實(shí)際上，由于EPS負(fù)載供電的可間斷性，EPS可增加一個(gè)8路或16路的可編程配電管理接口，通過(guò)對(duì)負(fù)載啟動(dòng)的順序、時(shí)間進(jìn)行控制，可在很大程度上解決啟動(dòng)沖擊電流和加大選型容量的問(wèn)題。

（2）部分卸載功能由EPS負(fù)載性質(zhì)決定，當(dāng)過(guò)載發(fā)生時(shí)，需要EPS盡可能繼續(xù)工作，而不能象UPS那樣進(jìn)行保護(hù)性關(guān)機(jī)，因此，同樣可通過(guò)配電管理接口卸除次要負(fù)載。

3）電池管理由于EPS的使用環(huán)境一般較UPS惡劣，為盡可能延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，充電器應(yīng)同時(shí)具備以下功能：

（1）可設(shè)定充電限流；

（2）可設(shè)定電池放電終止電壓；

（3）具有自動(dòng)浮充功能，充電機(jī)制應(yīng)符合DIN41773標(biāo)準(zhǔn)；

（4）具有浮充電壓溫度補(bǔ)償功能；

（5）智能電池檢測(cè)功能；

（6）深放電保護(hù)(可強(qiáng)制應(yīng)急)。

4）變頻起動(dòng)功能目前變頻起動(dòng)型EPS的設(shè)計(jì)，如圖8所示，主要著眼于解決較大電動(dòng)機(jī)，如電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等負(fù)載的起動(dòng)沖擊問(wèn)題，但更為合理的設(shè)計(jì)，應(yīng)該是在線式UPS與變頻器技術(shù)的完美結(jié)合。在線式UPS具有成熟的整流、電池管理技術(shù)；變頻器具有成熟的變頻控制技術(shù)，兩者的有機(jī)結(jié)合才是這一應(yīng)用領(lǐng)域的最終發(fā)展方向。

圖8 變頻起動(dòng)

4 鳴謝

本文摘引近兩年《UPS應(yīng)用》雜志曾發(fā)表過(guò)的文章，謹(jǐn)向原文作者表示感謝。