小功率UPS供電可靠性淺析

艾默生網絡能源西安有限責任公司 羅建震 王生范 沈寶山

小功率UPS供電可靠性淺析

艾默生網絡能源西安有限責任公司 羅建震 王生范 沈寶山

小功率UPS作為一種重要的電源設備，需要不斷地提高設備本身的可靠性，改善輸入電流和輸出電壓波形的質量。隨著電力電子技術、控制技術與微處理器技術的飛速發展，人們對小功率UPS的供電可靠性提出了更高的要求。本文介紹了小功率UPS常見的各種不同的供電方案與結構。以框圖形式形象地介紹了各種不同供電方案的系統組成。首先闡述了UPS輸入工作的可靠性，其次介紹了UPS單機輸出不同供電方案的結構和原理，最后分析了UPS并機輸出時的供電結構和原理。

UPS；并機；可靠性

0 引言

隨著科學技術的發展，一些重要場合對電網供電質量、穩定性和連續性的要求不斷提高，于是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）應運而生。它是連接電網與用電設備的橋梁，是減小電網負荷、降低電網污染、改善供電質量且當電網供電出現故障時，能為用電設備提供不間斷電能的一種電力電子電源設備[1]。

近年來，隨著用電設備對供電電源性能和可靠性的要求不斷提高，UPS得到了廣泛應用，并發揮著越來越重要的作用[1]。

如今，計算機技術、信息技術和電力電子技術快速發展，促使UPS廣泛應用于金融、政府、工礦企業、電信、國防、醫院、互聯網以及學校等眾多領域，遍及信息處理和應用的各個環節，起著至關重要的作用。供電電源的質量好壞直接影響到用電設備的可靠性，電源不穩定或中斷都可能造成無法挽回的重大損失，尤其在一些特殊行業中甚至會影響生命安全。因此，UPS電源的穩定性以及供電質量成為人們關注的焦點[1]。

UPS可以分為后備式UPS、在線互動式UPS、雙變換在線式UPS和Delta變換式UPS[1]。

圖1 UPS原理框圖

目前市場上應用較為廣泛的為雙變換在線式UPS，其原理框圖如圖1所示。主要由整流器、逆變器、充電器、蓄電池、轉換開關等部分組成，工作方式有[1]：

（1）當市電正常時，市電經整流器轉換為直流電，然后經逆變器轉換成期望幅值和頻率的交流電，提供給負載。市電經充電器給蓄電池組充電。這是UPS的主要的工作模式。

（2）當市電異常而蓄電池電量充足時，由蓄電池給逆變器供電，然后再提供給負載。

（3）當逆變器未開啟或發生故障時，市電經旁路給負載供電。

（4）當UPS維修時，市電經維修旁路為負載提供電能[1]。

本文所述小功率UPS，是指功率不超過20kVA的UPS產品。

1 小功率UPS輸入供電可靠性

由圖1可以看出，UPS輸入供電來源有交流輸入電網和蓄電池組。當交流輸入電網正常時，由交流輸入電網經過整流器變換為直流母線電壓，作為逆變器的輸入源。當交流輸入電網發生故障或者無法提供足夠的能量時，UPS的輸入源由交流輸入電網切換至蓄電池組供電。蓄電池組經過放電器轉換為直流母線電壓，作為逆變器的輸入源。實現UPS繼續為負載供電的功能，保證負載的不間斷運行。

當交流輸入電網故障清除，則UPS的輸入源由蓄電池組再回切到交流輸入電網。然后，充電器開始為蓄電池組充電。

小功率UPS前級的交流輸入電網也可能是發電機。由于發電機容量有限，當UPS輸出帶負載從蓄電池組供電切換至發電機供電時，可能會對發電機造成沖擊，嚴重時，可能導致發電機自保護關機。此時，由于發電機無法給UPS供電，則UPS會切換到蓄電池組供電。由于蓄電池組供電能力有限，導致UPS系統供電可靠性降低。

為了提高UPS輸入供電可靠性，可以在UPS從蓄電池組模式切換發電機模式過程中，加入Power walk-in功能，即，UPS從蓄電池組模式向發電機模式切換并非瞬間完成。具有Power walk-in功能后，當UPS需要從蓄電池組模式向發電機模式切換時，蓄電池組的輸出電流由承擔全部負載的最大值緩慢、線性下降，同時，發電機的輸出電流由0緩慢、線性上升。直到蓄電池組的電流下降到0，則全部負載由發電機承擔。在Power walk-in過程中，蓄電池組和發電機同時向UPS供電，二者共同負擔UPS負載。

借助于Power walk-in功能，避免了UPS從蓄電池組切換到發電機時，對發電機造成的沖擊，從而提高了UPS輸入切換的可靠性，提高了UPS整機系統的供電可靠性。

針對Power walk-in功能，在一款UPS產品上進行了調試和驗證，UPS從蓄電池組模式切換到交流輸入電網過程波形如下圖2所示。

圖2 UPS執行Power walk-in實驗波形

以上圖2中波形說明：下方深色波形為蓄電池組放電電流波形，波形正中淺色喇叭狀放大波形為交流電網輸入電流波形。從以上圖2可以明顯看出，具有Power walk-in功能后，UPS從蓄電池組模式向交流電網輸入切換時，蓄電池和交流輸入電網同時為直流母線供電。切換過程中，蓄電池組提供的電能線性下降，而交流電網提供的電能線性上升。直到蓄電池組提供電能下降為0，則直流母線全部由交流電網輸入提供電能。

關于小功率UPS供電方案中的電池供電環節的說明在上文第1節中介紹和說明。下文重點闡述和介紹UPS輸出供電方案，不再贅述電池供電環節。

2 小功率UPS單機輸出供電可靠性

UPS單機供電結構為最簡單的一種供電方案，一般常見于小型網絡、單獨服務器和辦公區域等場合。該供電方案的配電設計和工程施工比較簡單，但可靠性較低[3]。

2.1 旁路備份逆變器

當UPS逆變器正常時，由逆變器將直流母線電壓變換為高質量的期望幅值和頻率的交流電壓輸出，為關鍵負載提供優質和可靠的電力供應。當逆變器發生故障或者過載等工況時，通過合理操作UPS的輸出開關，實現UPS輸出由逆變器及時切換到旁路模式。由UPS旁路繼續為負載提供電能，實現負載的不間斷運行。

當逆變器的故障消除，則UPS輸出由旁路供電模式回切至逆變供電，從而繼續為負載提供優質的電能供應。

為了提高UPS輸出切換的可靠性，當UPS的旁路電壓正常時，則逆變器輸出電壓的相位跟蹤旁路電壓相位。當逆變電壓相位與旁路電壓相位相同時，則UPS的輸出可以實現在旁路和逆變器之間自然無縫切換。因為旁路電壓和逆變電壓的相位一致，則同一時刻，旁路電壓和逆變電壓的壓差較小。此舉提高了UPS輸出切換過程的安全性和可靠性。

如果UPS的旁路電壓異常，則UPS的逆變電壓相位與旁路電壓相位不一致。此時，可以設計UPS的輸出電壓切換時刻發生在電壓過零點附近。因為交流電壓在過零點附件時的電壓幅值較小，那么，UPS輸出電壓在過零點附近切換時，沖擊電流較小，則UPS的輸出切換動作也比較安全。

2.2 維修旁路

如圖1所示，在小功率UPS的旁路之外，配備有維修旁路。維修旁路是為了方便技術支持人員在線維修UPS而設計。當UPS內部發生較為嚴重的故障，需要在線接觸UPS內部的帶電器件，同時，需要保證負載繼續運行。此時，可以下發UPS切維修旁路命令，則負載全部由UPS的維修旁路進行供電。此時，交流電網輸入經過UPS的維修旁路，給負載供電。在此供電模式下，UPS內部所有部件全部被旁路，即UPS內部完全不帶電。此時，技術支持人員可以在線安全地拆除、更換和測量UPS內部的器件。

2.3 熱備份串聯供電

為了提高小功率UPS供電可靠性，在單臺UPS供電方案的基礎上，出現了“熱備份串聯供電”方案，該供電方案原理圖如圖3所示。

圖3 小功率UPS熱備份串聯供電方案原理

該供電方案在單臺UPS供電框架基礎上，再增加一臺UPS，分別稱為主機和從機，如圖3所示。主機和從機均為完整的UPS單機，主機和從機的輸入均為交流電網輸入。從機的旁路輸入也接交流電網輸入，但是，主機的旁路接從機的逆變器輸出。

當主機正常時，全部負載由主機的逆變器輸出提供電能。從機的逆變器開啟，但其輸出未接負載，其輸出接主機的旁路。一旦，主機逆變器發生故障，則主機輸出將切換到旁路供電。而主機的旁路為從機的逆變器輸出，實現了為負載的不間斷供電。由于主機切旁路供電時，旁路電壓為從機的逆變器輸出電壓，故此時不僅為負載提供了不間斷的電能，而且提供了優質的電能。

當從機的逆變器也發生故障時，則從機輸出由逆變器切換至旁路供電。此時，負載由旁路電壓供電，繼續保證負載的不間斷運行。

2.4 雙母線供電系統

雙母線供電方案結構圖如圖4所示。供電系統由兩臺相同型號和容量的UPS組成。兩臺UPS的輸入可以接同一交流電網，也支持接不同的交流電網。兩臺UPS的輸出均連接到靜態切換開關（Static Transfer Switch，STS）或者自動切換開關（Automatic Transfer Switch，ATS），切換開關輸出接負載。

兩臺UPS之間連接有LBS（Load Bus Synchronization）通信線纜，該線纜中包含兩臺UPS的輸出電壓同步信號，用來實現兩臺UPS的輸出電壓同步。

圖4 雙母線供電方案結構

在雙母線系統供電之前，需要設置其中一臺UPS為主機，另外一臺UPS為從機[2]。主機優先給負載供電，從機處于備份等待狀態。一旦主機輸出側發生故障，導致無法正常為負載提供電能時。由于LBS線纜保證了主機和從機輸出電壓的同步，則STS或ATS可以將負載由主機不間斷地切換到從機，實現負載的不間斷運行，提高了供電的可靠性。

雙母線供電方案中，雖然存在兩臺UPS，但每臺UPS均運行在單機供電狀態。同一時刻，只有一臺UPS承擔全部負載，另外一臺機器處于空載運行狀態[4]。

3 小功率UPS并機輸出供電可靠性

目前，大容量、高可靠性是UPS系統的發展方向，而UPS并聯技術是滿足該發展趨勢的關鍵技術。這是由于UPS并聯系統不僅使系統的擴容成為可能，而且其冗余工作模式提高了整個系統供電的可靠性。

小功率UPS的并機方案有塔式并機、機架式并機和模塊化并機等。塔式并機方案出現較早，隨著UPS并機供電方案的不斷發展和完善，逐漸演變為機架式并機。塔式并機方案和機架式并機方案從供電結構和維護角度來看，二者基本類似。故本文將塔式并機方案和機架式并機方案均稱為直接并機供電方案。

3.1 直接并機供電

直接并機供電方案結構圖如圖5所示，該供電結構圖表面上與圖4類似，但UPS具體的運行行為與狀態則完全不同。

圖5 兩臺UPS直接并機供電方案結構

該供電方案由兩臺及以上相同型號和容量的UPS組成，圖5以兩臺UPS并機為例，繪制出UPS直接并機供電方案結構圖。

在UPS直接并機供電方案中，各臺UPS主路和旁路輸入均接交流電網輸入，各臺UPS的輸出通過功率輸出分配模塊（Power Output Distribution，POD）或者功率分配單元（Power Distribution Unit，PDU）并聯在一起，共同為負載提供電能。并聯系統中各臺UPS均分負載能量。

如圖5所示，該供電方案中，各臺UPS輸出端除了功率電纜，還需要連接并機線纜。通過并機線纜實現各臺UPS的穩定并聯運行，以及實現各臺UPS均分負載[5]。

當供電系統中的某一臺或幾臺UPS故障時，故障的機器可以自動退出并機系統，由剩余的UPS繼續均分負載，實現負載的繼續、可靠運行。

該供電方案使得供電系統擴容成為可能。隨著用電負荷的增大，如果先前的供電系統難以承受當前的負載。此時，可以通過增加一臺或多臺UPS，新增的UPS以并聯的形式加入到先前的供電系統中，從而實現供電系統的擴容運行。

3.2 模塊化并聯供電

隨著小功率UPS并機技術的不斷發展，以及小功率UPS應用場合的不斷拓展，UPS的并聯方式出現了模塊化并聯的形式。模塊化并聯的優勢在于：實現UPS模塊在線熱插拔，使得UPS模塊在線加入和退出并聯供電系統成為現實。

模塊化并聯供電方案的出現，極大方便了UPS模塊的維修、更換和擴容。使得UPS的維修、更換和擴容無需更改UPS的供電狀態。在提高UPS維護效率的同時，提高了供電系統的可靠性。

模塊化并聯供電方案極大提高了UPS供電系統的可靠性，模塊化并聯供電結構圖如圖6所示。

圖6 模塊化并聯UPS供電方案結構圖

模塊化并聯UPS供電系統由若干個功率模塊、若干個電池模塊、若干個充電器模塊、集中旁路和輸出切換開關組成。各模塊之間的能量流向如圖6所示。

模塊化并聯UPS供電方案不僅實現了功率模塊的在線熱插拔更換，同時也實現了電池模塊和充電器模塊的在線熱插拔更換。該供電方案極大提升了功率擴容、電池擴容和充電器擴容操作的可靠性和效率。

4 結論

文章闡述了小功率UPS的輸入供電結構，分析了該供電結構對小功率UPS輸入供電可靠性的提升原理。詳細介紹了小功率UPS單機輸出方式下，各種不同的供電方案，以及不同供電結構的供電可靠性。最后分析了UPS不同并聯方式的工作原理及系統結構。基于本文，針對不同的小功率UPS應用場合與工況，可以有針對性地選擇最優的供電方案與結構。實現為負載提供更為可靠和優質的電能供應。

[1]楊茜．UPS逆變器控制系統及并機CAN總線通信研究[D]．合肥:合肥工業大學,2015．

[2]何鵬,楊智慧,韓博．試析常見大容量UPS的冗余配置方案與選擇[J]．中國化工貿易,2014,6(17):130．

[3]朱利偉,曹博．電子信息系統UPS冗余設計與供電可靠性問題[J]．電氣應用,2009,28(18):30-37．

[4]張生鋮．關于UPS電源雙母線方案的探討[J]．自動化技術與應用,2012,31(4):99-103．

[5]王奇,王鋒,周東朋,百曉磊．提升UPS運行可靠性的方法探索與分析[C]．成都:第四屆全國特種電源技術學術交流會論文集,2012:250-254．

Reliability Analysis of Small Power UPS Power Supply

Luo Jianzhen Wang shengfan Shenbaoshan
（Emerson Network Power（Xi’an）Co.，Ltd，Xi’an，Shaanxi 710075）

Small power UPS as an important power supply equipment，need to continue to improve the reliability of the device itself，improve the input current and output voltage waveform quality.With the rapid development of power electronics technology，control technology and microprocessor technology，people put the higher power UPS power supply reliability put forward higher requirements.This article describes the different power supply schemes and structures common to small power UPS.The system components of various power supply schemes are presented in a block diagram form.Firstly，the reliability of UPS input operation is described.Secondly，the structure and principle of UPS power supply scheme are introduced. Finally，the power supply structure and principle of UPS parallel output are analyzed.

UPS；parallel；reliability

羅建震（1982—），男，陜西延安人，工學碩士，主要研究方向為電力電子變換器控制技術研究。