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雙變換UPS的系統結構 UPS已有近40年的應用歷史，最初的UPS 產品主要用于大型計算機系統的供電，隨著數字技術的發展，其應用范圍逐漸擴大，在電信、金融、能源、交通、醫藥、教育、商業、工業、軍事等各個領域都得到了廣泛的應用。現在UPS已成為重要負載必不可少的配套電源系統。目前要求由UPS 供電的負載設備容量范圍很寬，對電源的要求也不盡相同，因此，不可能由采用同一種電路技術和系統結構的UPS為各種負載設備供電。在這種情況下，出現了各種各樣不同的UPS產品和UPS供電系統，分別用于不同的應用場合。 根據IEC62040-3標準規定，UPS有三種基本的系統結構形式， 即冷備用UPS （passive standby UPS）、市電交互UPS （line interactive UPS）和雙變換UPS（ double conversion UPS）。 這些UPS系統各有其優缺點，其中雙變換UPS是被公認為性能最好、可靠性最高的一種UPS，適用于各種應用場合。因而也是應用最多的一種UPS。在電信系統中應用的大中型UPS幾乎全部是雙變換UPS。 為了進一步提高UPS系統的可用度，可以采用多個雙變換UPS單機系統構成各種類型的冗余UPS系統，以確保在一個單機系統故障或進行維護保養時UPS仍能不間斷地為負載供電。 本文介紹雙變換UPS的單機系統和各種冗余系統的結構、特點及應用趨勢。 1 雙變換UPS單機系統結構 1.1 系統組成和工作方式 雙變換UPS系統如圖1所示，由整流器／充電機、逆變器 蓄電池和轉換開關組成。其特點是整流器/充電機-逆變器串聯連接在交流輸入電源和負載之間，無論交流輸入電源正常與否，負載始終由逆變器供電。 這種UPS有三種工作方式：正常方式、儲能方式和旁路方式。 （1） 正常方式： 交流輸入電源經整流器／充電機－逆變器的組合電路，進行了整流（AC/DC）和逆變（DC/AC）兩次變換，負載由逆變器供電，由于負載所需的全部功率經過了兩次變換，因此這種UPS稱為雙變換UPS。 （2） 儲能方式 當交流輸入電源電壓超出預定的容限或故障時，由蓄電池放電供給逆變器直流電，使逆變器繼續運行，不間斷地供給負載交流電源。 當交流輸入電源恢復正常時，UPS恢復正常工作方式，如果交流輸入電源長時間停電，UPS將繼續在儲能方式下運行，直到蓄電池的儲能用完。為了保護交流輸入電源長時間停電，一般應配置備用柴油發電機組。 （3） 旁路方式: 雙變換UPS一般都有靜態旁路開關，在下列情況下可以通過靜態開關自動地將負載從逆變器暫時轉換到旁路電源： （1）UPS內部故障 （2）負載電流瞬變（出現浪涌或故障電流） （3）UPS過載 （4）蓄電池放電至終止電壓 為了保證在逆變器和旁路電源之間不間斷地進行負載轉換，UPS的逆變器必須與旁路電源同步，以便采取先合后斷的轉換方式，即逆變器和旁路電源有短暫的一段時間并聯，然后斷開其中一個電 源 。另外還有一個稱為維修旁路的電路，在UPS需要維修時通過維修旁路手動以先合后斷的方式將負載換到旁路電源。 將負載從一個電源轉換到另一個電源供電的開關稱為負載轉換開關。UPS的負載轉換開關的種類很多，圖1采用的是由機械開關K2、K4和靜態開關組成的混合轉換開關。在從UPS向旁路電源進行轉換時，靜態開關首先接通，然后K4接通，K2斷開。因此靜態開關只是瞬時承受負載。這種轉換開關既有轉換速度開的優點，又有優良的隔離性能，而且可靠性高。 
1.2 雙變換UPS系統的優點： （1） 負載與交流輸入電源的干擾完全隔離。交流輸入電源的干擾不會影響關鍵負載。 （2） 負載始終由逆變器提供高質量的電源，在交流輸入電源正常時，逆變器由整流器供電，交流輸入電源故障時，逆變器由與整流器并聯浮充的蓄電池供電，在此過程中沒有電路的轉換，沒有任何供電中斷或輸出電壓的瞬時下降。 （3） 當交流輸入電源的電壓在規定的范圍內波動時，整流器能正常工作，不需要蓄電池放電；當交流輸入電源的頻率在負載要求的指標范圍以內或以外波動時，只要交流輸入電源的電壓在規定的范圍內，整流器仍能正常工作（整流器能適應很寬的輸入電源頻率變化），不需要蓄電池放電。需要說明的是，當交流輸入電源的頻率在負載要求的指標范圍以內時，UPS系統輸出頻率跟蹤交流輸入電源的頻率（內同步）；當交流輸入電源的頻率在負載要求的指標范圍以外時，UPS系統輸出頻率跟蹤內部頻率基準（外同步）。無論運行在內同步或外同步，逆變器需要的直流電源都來自整流器，一般只有當交流輸入電源電壓超出規定的范圍或故障時，UPS才轉入儲能方式，由蓄電池放電供給逆變器。因此，蓄電池放電的幾率相對較小（比其他任何UPS的蓄電池放電的幾率都小），故可延長蓄電池的壽命。 （4） 允許的交流輸入電壓變化范圍較寬（例如+15%～-20%），輸出電壓穩定度較高（例如，可達到 1%，0.5%）。 （5） 輸出頻率穩定度高（內同步時，±0.005Hz），UPS有可能用做變頻器。 （6） 逆變器輸出一般都有一個隔離變壓器，因此有一個隔離的電源中線，可以對負載進行共模噪聲保護。 （7） 雙變換UPS的整流器和旁路輸入一般由兩個獨立的輸入端子接入，這大大提高了UPS的故障容限。如果沒有單獨的旁路電源，整流器和旁路輸入可以共用一個電源。 1.3雙變換UPS系統的缺點： （1） 因為100%的負載功率需要經過整流和逆變兩次電力變換，損耗較大，降低了系統總效率。 （2） 由于雙變換UPS輸入端一般都采用相控整流器，相控整流器產生的輸入諧波電流對交流輸入電源造成嚴重干擾。特別在由備用發電機組供電時影響大，需要配置至少2～3倍UPS容量的柴油發電機組。這個問題可以通過在UPS輸入端增加濾波器或采用12脈沖整流器加以解決。 1.4 關于雙變換UPS的名稱 IEC62040-3注釋：“雙變換UPS”（double conversion UPS）過去被稱為“在線UPS”（on-line UPS），其本來的含義是無論交流輸入電源情況如何，負載始終由逆變器供電，但術語“在線（on-line）” 也表示“在市電上（on the mains）”，即由市電供電，這與實際運行方式恰恰相反。為了防止定義上的混淆，應避免使用“在線”這一術語，而使用“雙變換”術語。目前有些廠家采用雙變換在線UPS（double conversion on line UPS）的名稱，也不符合標準的規定。 2 并聯冗余UPS 2.1 并聯冗余UPS系統組成和工作方式 并聯冗余UPS系統由兩個或多個單機UPS系統組成，各單機UPS系統的輸出并聯連接到一個公共的配電系統。系統一般按N+1個單機UPS系統配置，其中N個單機UPS系統就足以供給系統全部負載，再增加一個作為備用。當N為1時即為1+1系統，1+1系統比N+1系統的可靠性高但投資較大，一般在最關鍵的應用中采用。如果資金短缺，可采用N+1系統，但N最好限制到3以下。 并聯冗余UPS系統有四種工作方式： （1） 正常方式 在正常工作時，所有N+1個單機UPS系統都同步運行并均分負載。如果一個單機UPS 系統故障或脫離系統進行維護，其余單機UPS系統可以不間斷地給負載供電。 （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，各個逆變器繼續并聯運行，不間斷地為負載供電。 （3）旁路方式 當UPS過載時，負載通過集中的靜態開關或分散的靜態開關被轉換到由旁路電源供電。 如果UPS需要停機進行維護，通過維修旁路開關將負載轉換到由旁路電源供電。 并聯冗余UPS系統有兩種不同的系統結構形式，即直接并聯和通過并機柜并聯。 2.2 采用并機柜的并聯冗余UPS系統 有并機柜的并聯冗余UPS系統，也稱為采用集中的靜態開關的并聯冗余UPS系統。如圖2所示，每一臺單機UPS系統中都沒有靜態開關，但在并機柜中有一個集中的系統級靜態開關。當UPS系統過載時，旁路輸入電源經系統級靜態開關可以為系統所有的負載供電。系統控制柜還有一個手動維修旁路開關，當所有的UPS和靜態開關需要進行維護時，用以將負載轉換到旁路電源。 2.3 直接并聯的并聯冗余UPS系統 直接并聯的并聯冗余UPS系統也稱為采用分散靜態開關的并聯冗余UPS系統。如圖3所示，每個單機UPS系統中都有靜態開關。在正常方式下，兩個UPS同步運行均分負載，當其中一個UPS故障時，這個UPS不轉旁路而是自動地脫離系統，此時由其余的UPS為負載供電。當所有UPS均故障或UPS系統過載時，各單機UPS系統的靜態開關同時將負載轉換到由旁路電源供電。直接并聯的并聯冗余UPS系統有時還需要一個系統級手動旁路開關，當需要進行維護時，用以將負載轉換到旁路電源。 
2.4 兩種并聯冗余UPS系統的比較 采用并機柜的并聯冗余UPS系統的主電路和控制電路比直接并聯的并聯冗余系統簡單，因此可靠性較高，但靈活性較差，擴容不方便。在負載變化大的應用場合不宜采用有并機柜的并聯冗余UPS系統。 直接并聯的并聯冗余UPS系統，擴容方便，可直接將一個單機UPS加到現有系統上。這種系統的缺點是，系統過載時每個單機UPS都經各自的靜態旁路開關給負載供電，但各靜態開關只能在它們的輸入輸出電纜的長度和阻抗匹配時才能均分負載。輸入輸出電路阻抗較小的那個靜態開關將會承擔全部負載，這可能引起靜態開關損壞和系統故障。因此，有必要在各單機UPS旁路輸入電路中增加均流電感。 
3 熱備用冗余UPS 熱備用冗余UPS的電路與1+1并聯冗余UPS的系統結構完全相同（圖3）。不同的是：兩個UPS中有一個是主用（ UPS1），另一個是備用 （UPS2）。正常時兩UPS同步運行（但不并聯運行），只有主用UPS為負載供電，備用UPS空載運行。當主用UPS故障時，轉換為由備用UPS供電，故障的主用UPS與負載斷開。目前有的廠家銷售的所謂“并聯熱備份”UPS ，實際上是熱備用冗余UPS。（注：“并聯熱備份”的名稱不準確，因為兩個UPS在任何情況下也不并聯。） 備用冗余UPS系統的控制電路較并聯冗余UPS系統簡單。但是，當從主用UPS向備用UPS轉換時，備用UPS要承受100%額定階躍負載。因此，對逆變器的動態性能要求較高。 4 隔離冗余UPS 4.1 系統組成和工作方式 隔離冗余UPS系統一般是由兩個單機UPS 系統按照隔離方式連接。這兩個單機UPS，一個是主UPS，另一個是冗余UPS。如圖4所示，冗余UPS（ UPS2）的輸出直接與主UPS（UPS1）的旁路輸入端連接。因為冗余UPS與主UPS串聯連接，所以這種UPS也稱為串聯冗余UPS。 隔離冗余UPS系統有四種工作方式： （1）正常方式 正常工作時，主UPS為負載供電，冗余UPS空載運行。主UPS 與冗余UPS的同步運行。 （2）儲能方式 市電故障時，主UPS工作于儲能方式繼續為負載供電；冗余UPS也工作于儲能方式空載運行。如果市電故障時間超過蓄電池的備用時間，主UPS轉入旁路工作方式，即由工作于儲能方式的冗余UPS繼續為負載供電。 （3）旁路方式 主UPS故障時，主UPS自動轉換到旁路工作方式，即由冗余UPS經主UPS的旁路開關為負載供電。在此期間，如果冗余UPS故障，冗余UPS也將自動轉換到旁路方式，即負載由旁路電源經冗余UPS和主UPS的旁路開關供電。 如果主UPS需要停機進行維護，其維修旁路開關可以將主UPS完全隔離。負載經維修旁路開關由冗余UPS供電。 
4.2 由一個冗余UPS和多個主UPS組成的隔離冗余UPS 隔離冗余UPS可以構成由一個冗余UPS為多個獨立的主UPS提供備用電源的系統（圖5）。每個主UPS的配電系統都是獨立的。因為多個主UPS同時故障的幾率比較小，所配置的冗余UPS一般只能支持一個主UPS，故當有一個主UPS轉換到旁路工作時，應斷開其他主UPS的旁路與冗余UPS 的連接，即轉換到外部的旁路電源上（市電）。 任何一個主UPS需要進行維護時，其負載都可由冗余UPS供電，此時負載仍可以與市電電源的各種干擾隔離。冗余UPS需要維護時，可將主UPS的旁路輸入轉換到外部的旁路電源（市電）。 4.3 隔離冗余UPS與并聯冗余UPS的比較 隔離冗余UPS與并聯冗余UPS是兩個最常用的冗余UPS，兩者之間有一定的差別，但各有其優缺點。究竟哪一種更優越些，國內外上尚有不同的意見。目前，在我國電信系統中，并聯冗余UPS使用較多。 隔離冗余UPS的優缺點： （1）不需要復雜的逆變器并聯技術，即使不同容量的UPS、不同生產廠家的UPS也可以構成隔離冗余UPS。主UPS與冗余UPS可以安裝在不同的機房。因為不需要系統級轉換柜，占用機房面積較小。 （2）因為負載總是由一臺UPS 供電，其負荷率較高，工作效率較高。 （3）當主UPS從正常方式向旁路方式轉換時，冗余UPS要承受100%負載階躍變化。因此要求冗余UPS具有較高的動態性能。 （4）系統可靠性完全取決于主UPS向旁路轉換和冗余UPS接受轉換的成功與否。但轉換開關是UPS的薄弱環節，轉換過程往往會出故障，而且，如果轉換的原因是負載故障，則冗余UPS還要向旁路轉換。即需要進行兩次向旁路方式的轉換。 并聯冗余UPS優缺點： （1）要求穩定可靠的逆變器并聯技術。但當一個UPS故障時，不需要進行電源轉換，只需使故障UPS與系統脫離。目前，UPS并聯和故障UPS的隔離技術已相當成熟。 （2）正常時，各UPS均分負載，在兩臺并聯的系統中，故障UPS與系統脫離時，正常UPS只承受50%的負載階躍變化，故對UPS逆變器的動態性能要求不太嚴格。 （3）任何一臺UPS都可與系統完全脫離進行維護。 （4）如果負載故障，僅需進行一次向旁路方式轉換，即可排除故障。 
5 分布冗余UPS 上面介紹的各種冗余UPS系統與單機UPS系統相比已經相當可靠了，但是電源系統的冗余只是集中在UPS 設備，對于每個負載設備，其輸入電源仍然沒有冗余。在實際運行中，UPS輸出端至負載之間的配電電路（包括開關和線路）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的冗余擴展到每一個負載設備，而且應使電源系統的冗余盡可能接近負載設備的輸入端。 如圖6所示，分布冗余UPS系統中有兩個獨立的UPS系統，每個獨立的UPS系統都能為全部重要負載供電，構成雙母線供電系統。通過適當的配電電路，可以為單電源輸入和雙電源輸入的各種負載設備供電。 假設負載需要300kva的UPS系統，構成冗余供電系統的常規方法是：將兩個300kva的UPS連接成并聯冗余或隔離冗余系統或備用冗余UPS系統。如采用分布冗余，可將同樣的兩個300kva的UPS用做兩個獨立的UPS。正常時，300kva的負載的一半接在其中一臺UPS輸出上（負載母線 1），另一半負載接在另一個UPS輸出上（負載母線 2）。采用適當的配電電路，就可以在所有的負載設備輸入端上（不是在UPS輸出端上）得到了冗余電源系統。即電源系統的冗余已分散到各個負載設備，因此稱為“分布冗余”。 對于雙電源輸入的重要負載設備，只要任何一個輸入電源正常，負載設備就可以正常工作。當兩個UPS給雙電源輸入的負載設備供電時，只需將兩個UPS電源直接接到雙電源輸入的負載設備的輸入端，當其中一個UPS 出現故障時也不必進行電源轉換。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。 對于單電源輸入的重要負載設備，其輸入電源是不允許停電的。當兩個UPS給單電源輸入的負載設備供電時，應采用靜態轉換開關（STS），正常時由其中一個UPS為負載供電，當供電的UPS 故障時或需要維護時，靜態轉換開關將負載轉換到由另一UPS供電。為了縮短兩個UPS之間的轉換時間，減少單電源輸入的負載設備供電中斷時間，有效地保護負載和電源設備，必須在兩個UPS系統同步的情況下進行電源轉換。 目前，雙電源輸入的負載設備正在不斷增加，但是大部分負載設備還是單電源輸入的。因此，分布冗余UPS的配電系統必須考慮兩個UPS 的同步和相互之間轉換的問題。兩個獨立的UPS系統 必須在全部時間內保持同步。 分布冗余UPS也可以擴容，對于較大應用系統，每個獨立的UPS系統可以采用并聯無冗余UPS（僅擴大容量）或并聯冗余UPS（參見圖6）。 
6. 結論 本文介紹的幾種雙變換UPS系統各有其優缺點。其中單機系統既沒有容量的冗余和內部模塊的冗余，也沒有配電系統冗余。因此，單機系統在可維性和故障容限方面存在著一定的局限性。 并聯冗余、隔離冗余和熱備用冗余UPS系統具有UPS模塊的冗余，在一定程度上提高可維護性和故障容限；改善了系統可用度。一般說來，這些冗余UPS系統均適用于較重要的應用系統，可以滿足各種關鍵負載的要求。這三種冗余UPS系統目前在電信系統中均有應用，并聯冗余系統應用最多。 分布冗余UPS系統具有UPS模塊、UPS系統和UPS配電的冗余；因此具有UPS模塊、UPS系統和UPS配電同時維護和故障容限的性能，可達到連續的（100%）可用度，是一種較新的UPS系統。分布冗余UPS系統提供了雙母線供電系統，用于雙電源輸入的負載最簡單、方便；但對于單電源輸入的負載，需要配置適當的負載轉換設備和配電電路，實施比較困難。然而，隨著通信和數據等重要負載設備對UPS的系統容量和可用度要求的不斷提高，分布冗余UPS系統的應用將逐漸增多，越來越多。 |
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