UPS拓撲結(jié)構(gòu)對供電系統(tǒng)高可用性的影響

　USP供電系統(tǒng)的“高可用性”要求其系統(tǒng)必須具備可靠性、功能性、可維護性和容錯性四個要素，而UPS內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的可靠性和功能性起著決定作用?？捎眯缘年P(guān)鍵要素，尤其是可維護行和容錯性，很大程度上取決于UPS冗余和配電系統(tǒng)選擇，本文對UPS內(nèi)部不同的拓撲結(jié)構(gòu)進行分析和評估，說明個結(jié)構(gòu)如何對“高可用性”電源系統(tǒng)的四個要素產(chǎn)生影響的。
　　一、UPS拓撲結(jié)構(gòu)：離線式UPS或后備式電源(SPS)
　　離線式拓撲結(jié)構(gòu)是最簡單的一種UPS結(jié)構(gòu)，如圖1所示。正常運行情況下，交流市電直接流經(jīng)UPS直至重要負載。充電器或“4象限變流器”將交流 電轉(zhuǎn)換為直流電向電池充電。逆變器用于將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，當(dāng)市電故障時為負載供電。逆變器通常運行于待機模式，保持對電池充電。如果市電超 過規(guī)定范圍，逆變器通過電池向負載供電。該拓撲結(jié)構(gòu)被稱為“單變換”，因為在任何時候，電源只能轉(zhuǎn)換一次(交流轉(zhuǎn)換為直流或直流轉(zhuǎn)換為交流)。正常運行情 況下，少量交流電轉(zhuǎn)換為直流電，保持對電池供電。輸入市電電超出規(guī)定范圍時，UPS檢測到電源故障，切換繼電器動作，輸出逆變器啟動逆變器將電池提供的直 流電轉(zhuǎn)換成交流電，向負載供電。
　　離線式UPS價格非常低廉，僅適合于家用或為向只需要實施斷電保護應(yīng)用的單臺計算機工作站供電的情形。有時離線式產(chǎn)品內(nèi)置浪涌抑制和/或“降壓和升壓”電路，補償較高或較低的輸入電壓，但不嘗試提供任何有效的輸入電源調(diào)節(jié)。
　　離線式UPS在設(shè)計簡單性方面得分較高，而在其它測量方面則稍有欠缺。離線式UPS一般應(yīng)用于單相非重要負載。尤其是不兼容發(fā)電機等不足，使其不適用于三相應(yīng)用。
　　二、UPS拓撲結(jié)構(gòu)：互動式UPS
　　互動式UPS拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)與離線式UPS產(chǎn)品類似，不同之處是在市電電源和負載之間按照串聯(lián)的結(jié)構(gòu)加入變壓器了或電感器。該電 感器使UPS逆變器可以與輸入電源“交互”，并對連接至負載的輸出電源進行調(diào)節(jié)。也就是說在輸入電壓較高和較低狀況下，“降壓和升壓”電路能夠進行相應(yīng)的 調(diào)節(jié)。
　　四象限變換器一般為恒壓設(shè)備。負載或輸入電壓變化時，四象限變換器通過調(diào)整輸出相位角，作出相應(yīng)的改變。負載頻繁的發(fā)生變化，將導(dǎo)致電池放電，電池的頻繁放電將大大縮短其使用壽命。
　　互動式UPS產(chǎn)品的另一個不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負載與輸入電源間實現(xiàn)隔離。頻率出現(xiàn)微擾和電源質(zhì)量較差，將直接影響到重要負載。若不實施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負載的正常工作。
　　互動式UPS產(chǎn)品的另一個不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負載與輸入電源間實現(xiàn)隔離。頻率出現(xiàn)微擾和電源質(zhì)量較差，將直接影響到重要負載。若不實施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負載的正常工作。
　　與離線式UPS相同，互動式UPS產(chǎn)品價格可能較低，而效率高，原因是，它僅在輸入電源異常時向重要負載供電，且僅在電池工作期間運作。與離線 式UPS相比，互動式UPS設(shè)備由于其串聯(lián)電感器以及電源調(diào)節(jié)功能，在效率方面有所損耗。另外，當(dāng)UPS轉(zhuǎn)換為電池供電時，通常至少會出現(xiàn)一點(但可測) 電壓跌落。
　　發(fā)電機兼容性
　　離線式UPS和互動式UPS產(chǎn)品需要輸入電源的頻率和相位非常穩(wěn)定。電源頻率必須穩(wěn)定，是因為逆變器必須跟蹤電源頻率，以校準電壓和電流，這樣系統(tǒng)輸出頻率才能與輸入頻率相同，除非UPS通過電池運行。
　　比較典型的運行問題是當(dāng)啟動發(fā)電機上的其它負載時，發(fā)電機的輸出頻率將發(fā)生很大變化，從而導(dǎo)致離線式UPS或互動式UPS通過電池放電。該問題 在天然氣發(fā)電機組上尤為明顯。電池反復(fù)充放電，很可能導(dǎo)致電池的過放電，將大大縮短電池壽命。另一個潛在問題是UPS負載加載時，發(fā)電機輸出會不穩(wěn)定，也 就是說UPS負載的突加，會導(dǎo)致發(fā)電機電壓和頻率跌落，從而導(dǎo)致UPS進入電池放電的運行狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機輸出穩(wěn)定后，UPS恢復(fù)到正常狀態(tài)，如果發(fā)電機輸 出電壓再次下降時，UPS將再次進入電池放電狀態(tài)。
　　對于雙變換UPS則不會出現(xiàn)上述問題。雙變換UPS調(diào)整輸入電源，而且可以容許電源頻率出現(xiàn)較大變化，同時繼續(xù)提供穩(wěn)定的輸出頻率，而無需使用 電池供電。而且，雙變換UPS主要制造商已經(jīng)開發(fā)出減少輸出電流畸變的技術(shù)，極大地提高UPS與發(fā)電機的兼容性，使負載規(guī)格選擇更為準確。雙變換UPS容 量與發(fā)電機的容量配比可以達到1.25~1.5：1，不會發(fā)生運行問題。
　　三、UPS拓撲結(jié)構(gòu)：具有功率因數(shù)校正功能的在線性互動式結(jié)構(gòu)(包括“Delta變換式”產(chǎn)品)
　　近年來，有幾家公司推出了具有功率因數(shù)校正功能的在線互動式三相UPS產(chǎn)品。與離線式產(chǎn)品和一般的互動式產(chǎn)品相比，這些產(chǎn)品改善了電源的調(diào)控性 能，提高了輸出的電源質(zhì)量。但同時也產(chǎn)生了一些不利因素，如有源功率調(diào)節(jié)會使效率降低。實際上，在帶非線性負載(一般為計算機負載)時，其效率一般都低于 雙變換UPS產(chǎn)品。并且這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性相對于雙變換UPS而言往往是有過之而無不及。及為容易誤導(dǎo)用戶的是，該種類型的在線互動式產(chǎn)品甚至被標榜為 “在線式”產(chǎn)品，因為其逆變器始終“運行”，提供電壓調(diào)節(jié)或輸入功率因數(shù)校正。
　　傳統(tǒng)意義上，這些產(chǎn)品應(yīng)被稱為互式動UPS，即串聯(lián)變壓器和輸出逆變器與輸入市電進行互動，從而調(diào)整輸出電壓。有些產(chǎn)品具有小型的輸入逆變器/ 充電器(有時又稱為“delta”逆變器)，用以調(diào)整輸入電壓。小型逆變器一般與直流總線連接，直流總線為輸出(主)逆變器提供電能轉(zhuǎn)換的通道，輸出逆變 器會對輸入功率因數(shù)進行校正，斷電時將電池的能量逆變輸出提供負載供電保護。
　　正常模式下(標準輸入電源波形，UPS負載為線性負載)，輸入隔離開關(guān)、市電輸入靜態(tài)開關(guān)和輸出隔離開關(guān)為閉合，市電直接向負載輸出供電。輸入 逆變器用作充電器，對電池系統(tǒng)進行浮充充電。在上述理想(非現(xiàn)實)狀態(tài)下，主逆變器是不工作的。當(dāng)UPS輸入電壓出現(xiàn)過異常情況時，delta變換器產(chǎn)生 相應(yīng)的電壓，通過降壓/升壓變壓器與輸
　　入電壓相疊加(相加或相減)，從而調(diào)整輸出電壓，保證其輸出的穩(wěn)定。這種調(diào)控原理與當(dāng)前市面上的某些電子電壓調(diào)節(jié)器類似。當(dāng)輸入電壓超出可調(diào)控 范圍時，主逆變器開始工作，將電池提供的直流電逆變輸出，提供滿幅輸出電源，這時須將市電輸入靜態(tài)開關(guān)斷開，防止電源向輸入側(cè)反灌，其作用與離線式UPS 類似。
　　若在線互動式UPS使用整流式市電輸入靜態(tài)開關(guān)，當(dāng)輸入電源出現(xiàn)故障時，就極容易受到故障的影響，因為它們無法快速關(guān)閉，導(dǎo)致逆變器向出現(xiàn)故障的輸入電源端反向供電，然后關(guān)閉。
　　在線互動式UPS(或Delta變換式)還可提供負載諧波電流和輸入功率因數(shù)校正。主逆變器產(chǎn)生所需的補償電流—包括諧波電流和基波電流兩種。 逆變器只要一運行，無論是用于電壓校正逆變器/充電器(Delta變換器)，還是對諧波電流和功率因數(shù)進行校正的主逆變器，都會發(fā)生額外損耗，大大降低設(shè) 備效率，因此其實際效率是遠低于其標榜的效率的。
　四、UPS拓撲結(jié)構(gòu)：雙變換在線式UPS
　　真正的在線式或雙變換UPS產(chǎn)品(如圖4所示)是極受歡迎的UPS拓撲結(jié)構(gòu)。整流器將輸入交流電轉(zhuǎn)換為直流電，向UPS的內(nèi)部直流總線供電，輸 出逆變器將直流變換為交流，輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電，向重要負載供電。正常運行期間，與直流總線連接的電池采用浮充充電。輸入電源超出規(guī)定范圍時，電池向逆 變器和重要負載供電。
　　雙變換在線式UPS配置優(yōu)點如下：
　　(1)重要負載與輸入交流電完全隔離。
　　(2)重要負載始終由輸出逆變器供電，而輸出逆變器始終由內(nèi)部直流總線供電。當(dāng)輸入電源故障時，輸出電壓不會出現(xiàn)切換跌落，因為逆變器一直是通過直流輸入運行。輸入市電的電壓和頻率可能會變化，但雙變換UPS不會因此受到影響，因為整流器僅會
　　向直流總線提供直流電。例如，UL33系列UPS可長時間運行，甚至當(dāng)電池輸入電壓比其標稱電壓低15%時，可再次向電池充電。它可在電壓比標 稱電壓低20%的情況下繼續(xù)運行，無須釋放電池電量。同樣，如果輸入頻率低于或超出規(guī)定范圍，整流器將繼續(xù)提供直流電，而輸出逆變器則繼續(xù)輸出50Hz電 源，而不使用電池供電。
　　(3)輸出逆變器通常配備有可以提供另外一根中性線的隔離變壓器。UPS從而可以實現(xiàn)電氣絕緣，并為負載提供共模噪聲保護。
　　(4)雙變換UPS內(nèi)置雙輸入接線結(jié)構(gòu)，即分別具有整流器輸入和旁路電路輸入接線端子。用戶可能會為安裝的方便而選擇單輸入型UPS，但雙輸入 UPS產(chǎn)品容錯性更高。(5)真正的雙變換UPS可用于雙總線電源系統(tǒng)，在所有運行模式下，該系統(tǒng)內(nèi)的雙變換UPS與指定的參考源同步：市電、電池或備用 發(fā)電機運行模式。
　　(6)輸入電源線出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致UPS進入電池供電模式，此時UPS整流器將防止電流由直流總線向前級的輸入端反灌。
　　五、結(jié)論
　　所有UPS拓撲結(jié)構(gòu)都能提供斷電保護，在當(dāng)前的電源保護行業(yè)發(fā)揮著一定的作用：
　　(1)離線式UPS是一個操作簡便、費用較低的斷電保護解決方案。僅適用于單相工作計算機應(yīng)用。
　　(2)互動式UPS性能較之離線式有很大提高，但仍然無法完全消除所有市電和油機帶來的故障和干擾，可以為小型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供一定的電源調(diào)節(jié)。可適用于單相計算機和非重要服務(wù)器應(yīng)用。
　　(3)具有功率因數(shù)校正功能的在線互式UPS為小型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供較好的電源調(diào)節(jié)。適用于單相工作站和非重要服務(wù)器應(yīng)用。不適用于工廠內(nèi)的三相應(yīng)用。
　　(4)雙變換UPS性能最佳，提供所有電源故障保護。建議用于所有重要的單相及三相應(yīng)用，尤其是高可用性和全天候不間斷運行應(yīng)用。