可提高UPS電源供電可靠性的三種技術辦法

2021-03-08 ryder

改革開放以來，我國電力系統的建設存在無法滿足各行業快速發展的要求，尤其是近年來出現的全國性電力供應不足，導致大面積的拉閘限電，嚴重限制了數字化建設的步伐和質量。例如，很多廠由于限電無法全速運轉，戶外的無線通信業務由于停電無法正常運行，金融信息網絡系統由于電網質量導致數據傳輸變慢、異常或部分停業，政府的信息化建設工作由于停電不得不延期等等，這一切說明電力系統的供電質量和可靠性關于數字化建設起到至關緊要的用途。

因此，系統工程師在做數字化系統設計時非得充足考慮電源系統的可靠性。目前比較可靠的辦法就是采用高質量的不間斷電源UpS。UpS在電網正常時能夠給各類信息化設備供應高質量的交流電源，在電網異常時能夠將后備電池包的直流能量轉化為穩定的交流電源供給負載設備使用，并且在電網掉電過程中可以保證輸出沒有間斷，確保信息設備的安全運行。大量的現場運行數據和理論分解也聲明，引進UpS電源除了可以處理上述的交流供電中斷的影響外，還可以消除正常交流電網供電中的各種高頻雜波、電壓浪涌、陷落、瞬間斷電等電力干擾對信息設備的危害，保證信息網絡時刻安全運行。可見，為了保證數字化建設的順利進行，采用高可靠的UpS供電辦法是最為有效的、高可靠的電源處理辦法。

本文將先解析一下UpS的相關基本知識，然后再分解三種提高UpS供電可靠性的系統技術辦法，謹供系統工程師做電源辦法設計時參考。

一、不間斷電源UpS的基本知識

1.UpS的基本概念

UpS是由整流器、逆變器、電池和控制電路等組成，能在有限時間里供應純凈、穩定波形的電源設備。

UpS具有以下功能：

①電網電壓正常時，除了輸出純凈、穩定且繼續不間斷的交流電源外，還可以對電池進行充電，儲存后備能量。

②在電網異常時(欠壓、過壓、掉電、干擾等)利用電池包的能量對用電設備供應不間斷的交流輸出，不間斷一般指輸出電壓波形為零的時間不大于10ms。

因而，UpS可以保證計算機等信息設備即使是在惡劣的電網條件下也能安全正常運行。

2.UpS的分類及緊要特點

從UpS技術特點來看，UpS的分類一般以輸出逆變器工作方式來區分，通常可分為后備式、在線式兩大類型。近年來也有將后備式電源中的一個特例獨立出來，稱之為在線互動式，但嚴格來說，依然是后備式一類。

從近年來UpS的廣泛使用情況看，UpS也從原先的戶內使用逐步向全天候使用環境的方向發展，出現了室內UpS和室外UpS的差別。戶外UpS緊要在對環境溫度的適應性、防潮濕、防水、防盜等方面做了一個全面的質量提升，保證了UpS在各種戶外嚴酷的環境條件下正常工作。

以下依然從UpS的電路拓撲結構的角度來闡述一下UpS的分類和技術特點。

(1)在線式UpS：

A、輸出電壓穩定性好±3%

B、波形失真度小THD3%

C、零中斷

D、輸入、輸出能量形式全隔離

圖5、在線式UpS原理

(2)后備式UpS：

A、電網正常時的整機效率高>95%

B、電網正常時無噪音

C、切換時間10ms

D、價格較低

(3)互動式UpS：具備與后備式電源相同的特點，并且將充電器和逆變器有效合并成為一體雙

向逆變器，雖然減少了系統的成本，但新增了一定的控制難度。

二、三種提高UpS電源供電可靠性的處理辦法

從上面的原理框圖可以得知，UpS本身已經具備了雙路的電源供電備份，具備較高的系統可靠性，可以滿足一般信息設備對電源可靠性的要求。但是隨著近年來信息數據幾何倍數的快速上升和高度緊要性，在某些特別緊要的場合，例如省級以上的銀行數據中心、通信數據中心、證券交易等用電環境，單一的UpS供電已經無法滿足客戶對電源可靠性的要求了，非得有更好的電源供電辦法來確保這些緊要數據及網絡的安全。

以下解析三種在工程使用中可以十分有效提高可靠性的辦法：串聯備份供電方式、輸出主從備份方式、冗余并聯備份供電方式。上述三種供電辦法的改進將以數量級的效果提高電源系統的可靠度，成倍地提高系統的MTBF值，在工程使用中基本上可以達到真正意義上的零電源故障。因此，用戶在進行高可靠供電系統設計時，可以依據負載的供電要求選擇適宜的高可靠供電辦法。

1.串聯備份供電方式(旁路主從備份方式)：

如上圖所示，關于在線式工作模式的兩臺UpS，備機(UpS2)的輸出作為主機(UpS1)的旁路備份輸入，這樣當主機的主逆變器輸出故障轉到旁路時，負載依然處于備機UpS雙備份供電模式的可靠保護下。

2、輸出主從備份方式

如上圖所示，以在線式UpS為例，兩臺UpS或逆變器的輸出同時送到冗余轉換器，經冗余轉換器再給負載供電;正常時冗余轉換器讓主輸入的電源(例如UpS1)對負載供電，當主輸入電源故障時冗余轉換器快速將負載轉移到備份輸入的電源上，完成負載的冗余供電;在主輸入電源維修完成再輸入到冗余轉換器后，冗余轉換器又將負載重新轉移回到由主輸入電源供電的模式。任何的轉換過程都是不間斷的，可以保證負載設備的穩定安全運行。

3、冗余并聯供電方式

如上圖所示，兩臺UpS的輸出同時送到并聯配電柜上進行筆直的并聯，共同均分負載電流，不存在主從關系。當某臺UpS出現故障時，該機將自動退出并聯系統，負載電流100%由剩余的一臺UpS供電，輸出不間斷;在故障機維修完成后，可以將修復的UpS單元在線并入，持續對負載進行冗余供電，完成并聯系統的在線熱維護。

三、三種提高可靠性辦法的比較

比較項目串聯備份供電方式輸出主從備份方式冗余并聯供電

可靠性一般高高

主從邏輯關系有，且不易調換，要廠家才可完成有，容易調換，用戶即可完成取決于并聯控制方式;可能有，不能調換。

負載切換時間10ms5ms0ms

相互通信不需不需有線并機時要;無線并機調試時要，工作后可以取消

增容性沒有增容沒有增容可依比例增容

系統過載能力不變不變短時過載能力比例新增;尤其是關于沖擊負載的啟動能力增強。

產品老化程度存在主從機老化不一致的情況存在主從機老化不一致的情況不存在

負載均分性100%不均分100%不均分均分，一般電流不均衡度小于5%

電池壽命一般要定期對換電池一般要定期對換電池或主機，確保電池的壽命不需對換。

可維護性差，一般要停機維護好，可以在線熱維護好，可以在線熱維護。