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

　　B. 市電電壓高于PBP點(diǎn)的電壓時(shí)，市電輸入電流仍控制為保持市電電壓為額定值時(shí)的電流，此時(shí)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(shí)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(shí)主靜態(tài)開關(guān)斷開。（3）Delta 變換UPS 系統(tǒng)故障時(shí)，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(chǔ)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(shí)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(shí)或電壓和頻率指標(biāo)超出允差時(shí)，雙變換UPS將轉(zhuǎn)入儲(chǔ)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(shí)或UPS 過載時(shí)，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)：

　?。?）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(shí)UPS 轉(zhuǎn)換至儲(chǔ)能方式的過程中無供電中斷；（3）允許很寬的輸入電壓變動(dòng)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(dòng)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(shí)過壓（4）欠壓（5）雷電（6）過壓（7）電壓瞬變（8）頻率波動(dòng)（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(jiǎn)單的UPS是VFD級(jí)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(shí)供電中斷的負(fù)載。

　　對(duì)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(jí)的UPS，這就是市電交互UPS。

　　對(duì)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(jí)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(chǎng)合的需要。在小功率的應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)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(duì)于要求高可用度的應(yīng)用場(chǎng)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(jí)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(shí)，負(fù)載將被轉(zhuǎn)換到未經(jīng)調(diào)節(jié)的市電電源上，此時(shí)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(shí)間是每年約2～4小時(shí)。因此，對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)于要求更高的可用度的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(gè)或多個(gè)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(gè)公共的配電系統(tǒng)。系統(tǒng)一般按N+1個(gè)單機(jī)UPS系統(tǒng)配置，其中N個(gè)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(gè)作為備用。因此，如果只有一個(gè)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(gè)9（0.999），則1+1 并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可用度可達(dá)到六個(gè)9（0.999999）。廠家一般承諾可以6臺(tái)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(shí)，并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可用度的提高的幅度會(huì)減小。N很大時(shí)，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(shí)，應(yīng)注意并聯(lián)的單機(jī)臺(tái)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：

　?。?） 正常方式

　　在正常工作時(shí)，所有N+1個(gè)單機(jī)UPS系統(tǒng)都同步運(yùn)行并均分負(fù)載。如果一個(gè)單機(jī)UPS 系統(tǒng)故障自動(dòng)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(shí)，其余單機(jī)UPS系統(tǒng)可以不間斷地給負(fù)載供電。

　　（2） 儲(chǔ)能方式

　　市電停電時(shí)，各個(gè)UPS都由蓄電池放電供給逆變器，各個(gè)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(shí)，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(duì)于每個(gè)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?；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(kuò)展到每一個(gè)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(gè)獨(dú)立的UPS系統(tǒng)，每個(gè)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。