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技術(shù)文章
UPS不間斷電源
閱讀：1654 發(fā)布時間：2014-3-31概 述
UPS是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply）的英文縮寫，它的功能主要有兩個：一是在市電正常時改善對負載的供電質(zhì)量，同時對后備電池進行充電；二是在市電異常時，通過后備電池保證向負載供電的不間斷性。 UPS主要由整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)組成。有四種電路結(jié)構(gòu)：后備式、在線式、在線互動式、在線補償式。
UPS的使用形式
選購UPS一定要選自己實際使用情況的。
首先是容量的選擇，UPS容量應(yīng)該根據(jù)目前的負載量，再加上近期準備增加的負載量來計算。
其次要選擇節(jié)能的UPS。目前UPS的發(fā)展趨勢是高頻化和模塊化，因為高頻化可以提高UPS的輕載效率和半載效率，模塊化可以使用戶邊成長邊投資，節(jié)約能源同時方便擴容。
UPS電源的技術(shù)性能
UPS電源的技術(shù)性能隨使用要求的不同而不同，主要技術(shù)性能包括以下幾個方面。
·在線式
·數(shù)字功率器件PIGBT技術(shù)
·DSP技術(shù)和SMD電氣集成模塊
·電池保護功能
·靈活可靠的并聯(lián)技術(shù)
·通信及監(jiān)控功能
·高可靠性
·散熱系統(tǒng)
·控制和診斷監(jiān)控系統(tǒng)
UPS系統(tǒng)配置方案
很多設(shè)計工程師都試圖設(shè)計出無暇的UPS解決方案為關(guān)鍵負載提供支持，不過他們的設(shè)計方案往往不一定涉及到設(shè)計方案的可用性范圍。例如，并聯(lián)冗余、串聯(lián)冗余、分布式冗余、熱連接、熱同步、多路并聯(lián)總線、雙系統(tǒng)以及故障預(yù)警系統(tǒng)等，這些都是設(shè)計工程師或制造商賦予不同配置方案的名稱。這些名稱的問題對于不同的用戶，它們可能具有不同的含義，可以存在很多種解釋方式。雖然目前市場上的UPS配置名目繁多且差別甚大，但zui常用的不外乎5種。這5種方案包括:①容量；②串聯(lián)冗余；③并聯(lián)冗余；④分布式冗余；⑤雙系統(tǒng)。選擇系統(tǒng)配置方案時，應(yīng)當根據(jù)負載的關(guān)鍵程度而定。此外，還要考慮停機所帶來的影響以及公司的風險承受能力，這樣才能更好地找到合適的系統(tǒng)配置方案。
UPS供配電系統(tǒng) （雙總線冗余UPS供配電系統(tǒng)圖）
UPS供配電系統(tǒng)的供電范圍是計算機設(shè)備（主機和附屬設(shè)備）、通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、監(jiān)控設(shè)備、保安監(jiān)控系統(tǒng)小型機/服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)主交換機等重要設(shè)備。UP是輸出配電回路（每個配電控制開關(guān)為一個回路）需按機房內(nèi)設(shè)備要求設(shè)置，小型機/服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)核心交換機及重要路由器要由獨立雙回路供電，其他計算機設(shè)備可用一個回路帶3-4個插座，固定于地板下。UPS供配電系統(tǒng)的可靠性，zui主要體現(xiàn)在采用了雙電源末端互投上，如下圖所示：
UPS節(jié)能措施
目前UPS的節(jié)能必需從方案、UPS、電池、配電等方面進行。
1、按需擴容的柔性規(guī)劃
一般數(shù)據(jù)中心的建設(shè)都不是一步到位,會考慮今后未來幾年的擴容,在設(shè)計時UPS容量一般都考慮容量比較大些,一次就安裝了幾套大功率的UPS并機，初期負載量只有規(guī)劃容量的10%～20%，使UPS的利用率很低，造成電能的浪費。如何避免這種情況的發(fā)生，從UPS供電系統(tǒng)角度考慮,應(yīng)該包括:
（1）供電方案設(shè)計
目前UPS供電方案主要有分散供電、集中供電兩種。分散供電是一臺UPS為一臺或多臺設(shè)備供電。分散供電的好處是分散風險,不會因為一臺UPS異常造成大部分設(shè)備停電;缺點是UPS分散布置,不便管理,而且布線不容易規(guī)劃。另一種是采用集中供電,由一套大功率的UPS直接對數(shù)據(jù)中心的所有負載供電。集中供電的好處是便于規(guī)劃、管理方便、維護方便;缺點是如果UPS系統(tǒng)異常,容易引起數(shù)據(jù)中心大面積停電事故,此缺點可以通過采用并聯(lián)構(gòu)架來避免。因此,以上兩種方案各有優(yōu)缺點,目前的數(shù)據(jù)中心一般都采用集中供電方案。由于UPS并機數(shù)量有限制,而且當UPS系統(tǒng)并機數(shù)量超過4臺時,其可靠性并不比單機供電系統(tǒng)高多少。當機房UPS裝機總?cè)萘砍^一定限度時,建議將機房按幾期規(guī)劃分成幾個區(qū)域進行供電。規(guī)劃時可以參考:單機容量不宜超過400kVA,并機數(shù)量不宜超過3臺。
（2）UPS在線并機擴容功能
數(shù)據(jù)中心的UPS容量的規(guī)劃，可以根據(jù)不同時期的負載容量要求,采用逐步擴容的方案,使投資方案更經(jīng)濟，同時也能使UPS工作處于較佳的效率點。目前中、大功率段的UPS均已經(jīng)具備冗余并機功能，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，同時也為機房擴容提供了條件。只要規(guī)劃時在UPS前后配電箱預(yù)留足量的空氣開關(guān)，并在機房規(guī)劃相應(yīng)空間，即可實現(xiàn)UPS并機擴容功能。關(guān)鍵是并機的過程處理，多種品牌UPS并機時需要對UPS的設(shè)置進行修正，此時要求UPS必須工作在維修旁路狀態(tài)，UPS由市電直接帶載，如果此時市電波動較大甚至停電，將造成系統(tǒng)的大面積癱瘓。所以并機擴容必須具備在線并機功能，即UPS并機擴容時，只需將新增UPS軟件修改至與原UPS系統(tǒng)一致后，在不關(guān)閉原有UPS系統(tǒng)的情況下，直接將新增UPS并入原有系統(tǒng)即可，擴容前后，UPS均工作于在線模式下，避免切換至旁路供電的高風險操作。
（3）采用模塊化UPS，實現(xiàn)逐步擴容
目前,模塊化UPS已經(jīng)開始在國內(nèi)應(yīng)用,模塊化UPS特點主要包括:可擴容、平均故障修復(fù)時間(MTTR)短、可經(jīng)濟實現(xiàn)“N+X”冗余并機。
2、提高UPS自身能效,優(yōu)化負載效率曲線
目前UPS均為在線式雙變換構(gòu)架，在其工作時整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個容量為400kVA的UPS為例，每度電按0.95元計算，UPS效率每提高1%，一年節(jié)省的電費為400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元?？梢娞岣遀PS的工作效率，可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費，可見提高UPS效率是降低整個機房能耗的zui直接方法。因此采購UPS，盡量采購效率更高的UPS。
當然UPS效率高不僅僅是滿載時效率高,同時也必須具備一個較高的效率曲線,特別是在“1+1”并機系統(tǒng)時,根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃,每臺UPS容量不得大于50%,如果此次效率僅為90%以下,就算滿載效率達到95%以上,也是沒有意義的,所以要求UPS必須采取措施優(yōu)化效率曲線,使UPS效率在較低負載時也能達到較高的效率。
UPS效率與輸出功率關(guān)系曲線圖
除了提高UPS自身的效率之外，UPS上面的一些功能也可加以利用。比如像ECO經(jīng)濟運行模式。其原理是在較好 的市電環(huán)境時，激活此功能，使UPS由靜態(tài)旁路直接供電，此時逆變器處于待機狀態(tài)，正常工作，但不輸出能 ，一旦市電異常，UPS立即切換到逆變器供電狀態(tài)，切換時間一般在1ms以內(nèi)，具體見圖2所示，藍色為輸入電 波形，黃色為輸出電壓波形。由于此時的逆變器處于待機狀態(tài)，所以自身損耗很小，此時UPS的整機效率可以達 到97%以上，比正常模式節(jié)省3%以上的功率。ECO模式轉(zhuǎn)正常供電模式波形圖
使用ECO模式必須具備以下條件:
(1)靜態(tài)旁路必須采用兩組高可靠晶閘管，不得采用接觸器加晶閘管的組合，因為接觸器吸合時，接觸點會打火，一般工作數(shù)百次之后就不能正常工作了。而晶閘管則不存在此問題，同時可以縮短切換時間。
(2)建議使用在較好的電力環(huán)境下，比如一級供電單位等。
3、降低輸入電流諧波，提高功率因數(shù)
諧波產(chǎn)生的根本原因是由于電力線路呈現(xiàn)一定阻抗，等效為電阻、電感和電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)，由于非線性負載產(chǎn)生的非正弦電流，造成電路中電流和電壓畸變，稱為諧波。諧波的危害包括:引起電氣組件附加損耗和發(fā)熱(如電容、變壓器、電機等);電氣組件溫升高、效率低、加速絕緣老化、降低使用壽命;干擾設(shè)備正常工作;無功功率增加，電力設(shè)備有功容量降低(如變壓器、電纜、配電設(shè)備);供電效率低;出現(xiàn)諧振，特別是柴油發(fā)電機發(fā)電時更嚴重;空開跳閘、熔絲熔斷、設(shè)備無故損壞。UPS對于電網(wǎng)而言是一個非線性負載，在工作的時候會產(chǎn)生大量的諧波。以配置6脈沖整流器的UPS為例，其輸入功率因數(shù)一般為0.75左右，諧波大于30%。降低UPS工作諧波的主要方法有:
(1)采用12脈沖整流器。其原理是在原有6脈沖整流器基礎(chǔ)上，在輸入側(cè)增加一個移相變壓器和6脈沖整流器。采用該技術(shù)方案后，可以將諧波降低至10%左右。優(yōu)點是較為簡單，諧波改善明顯;缺點是對功率因數(shù)改善有限，價格略高。
(2)采用無源濾波器。依據(jù)LC濾波電路原理，對UPS產(chǎn)生的諧波進行濾除，并對功率因數(shù)進行補償。優(yōu)點是技術(shù)簡單，成本較低;缺點是只能補償特點階次的諧波，同時受負載阻抗影響較大，無法適用于全功率段。
(3)采用有源濾波器。原理是利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。優(yōu)點是可以補償多個階次的諧波，且不受負載阻抗大小的影響;缺點是購置成本較高。
(4)采用高頻IGBT整流及PFC功率因數(shù)校正電路設(shè)計整流器。原理是采用高頻率PWM控制IGBT導(dǎo)通，對輸入電壓波形進行分割，使輸入電流波形盡量接近正弦波，并對輸入電壓和電流相位差進行補償。優(yōu)點是體積輕，價格便宜，效果好;缺點是技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護，受功率器件影響，目前容量大小受到限制。
4、電池管理及配電管理技術(shù)
UPS都配備了電池組，用戶在電池組上的投資往往占整個UPS供電系統(tǒng)投資的很大一部分，甚至超過UPS本身的投資，而電池的使用年限明顯低于UPS設(shè)備。由于電池主要材料是重金屬鉛、硫酸和不易分解的塑料，都會對環(huán)境造成嚴重的污染。因此減少電池使用數(shù)量，延長電池循環(huán)使用壽命，不僅節(jié)省直接和間接的電池投資，而且還減少整個對環(huán)境的污染。所以UPS可以通過以下幾個技術(shù)實現(xiàn)電池的節(jié)能。
(1)并機共用電池組功能。共用電池組原理是通過特殊的整流器控制及故障隔離技術(shù)，使并機系統(tǒng)中的兩臺或多臺UPS的整流同步、母線均流，使系統(tǒng)中的各臺UPS母線直接并聯(lián)，然后將滿足系統(tǒng)后備時間要求的電池并聯(lián)后接入并聯(lián)母線系統(tǒng)中，實現(xiàn)電池的共享，減少電池投資。以“1+1”為例，傳統(tǒng)的UPS方案，系統(tǒng)后備一小時，考慮其中一臺UPS故障時，UPS2的電池不能為UPS1使用，所以UPS1和UPS2必須各配置一套一小時的電池組，才能保障系統(tǒng)在斷電后還能備用一小時。采用共用電池組方案后，因為UPS1故障后，系統(tǒng)中的電池仍能為UPS2提供能量，所以整個系統(tǒng)僅需配置1套1小時電池即可。不僅節(jié)省了電池直接投資，同時也節(jié)約機房在空間、承重及空調(diào)等方面的投資，也降低了對環(huán)境的污染?；蚺渲蒙僭S電池，增配發(fā)電機組。
(2)智能電池管理技術(shù)。影響電池壽命的因素有很多，主要包括溫度、充電、放電、循環(huán)次數(shù)等。如果能夠?qū)ι鲜鰩讉€因素進行綜合處理，可以大大延長電池的使用壽命，延長電池更換周期，節(jié)約電池投資。UPS的智能電池管理技術(shù)主要包括:電池均浮充管理(均浮充控制)、充電溫度補償、智能放電終止電壓控制，除此之外還應(yīng)具備電池定期自動檢測和電池漏液檢測功能。另外還可以選擇輸入電壓范圍較寬的UPS，減少電池放電次數(shù)。通過上述幾種技術(shù)，可大幅度延長電池壽命2～3年。
(3)智能UPS配電管理技術(shù)。原理是通過偵測UPS電池電壓或者管理設(shè)備供電時間，實現(xiàn)對機房中不同等級負載的多次下電保護功能，減少電池投資、提高電池使用率。智能UPS配電管理技術(shù)主要有兩種方案:包括軟件實現(xiàn)方式及硬件實現(xiàn)方式。
5、采用新型的節(jié)能的UPS電源：使用燃料電池的UPS?？蓞⒖肌度剂想姵卦赨PS供電系統(tǒng)中的應(yīng)用》。