如何建立一个合理的、安全的UPS 供电系统 - 全文

1 引言

当今通信网络，技术发展趋势是IT（信息技术）与CT（通讯技术）的日益融合。为了保证供电安全的可靠性，建立在以软交换技术为基础的核心网络技术上的下一代通信网络（NGN）虽然仍将以直流电源作为基础供电电源模式，但在业务支撑系统平台上，使用交流电源供电模式也将同时并存。基于计算机类设备的大量应用，UPS系统设备在通信网络上的使用也越来越多。其供电对象已经由单台计算机设备发展到业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备、业务支撑平台乃至整个通信网络。供电对象的范围主要涉及到计算机终端、服务器、路由器、交换器、显示器、磁盘存储阵列、小型机等。供电的方式也由小型 UPS 分散供电演变到大型UPS 的集中供电。为保证供电可靠性，甚至采用n+1 并联热备份系统乃至双总线UPS 系统供电方式。一个设计良好的UPS 供电系统能给负载提供优质电源，然而在实际应用中，许多问题又往往是UPS 供电系统引起的。因此，如何建立一个合理的、安全的UPS 供电系统成为大家关注的问题。本文将从UPS 供电系统设计角度对这一问题进行探讨。

2 UPS 系统容量的配置

UPS 的带载能力是用户选择UPS 时首先要考虑的问题，即需要一个多大容量的UPS，被选中的UPS 在各种情况下带负载的能力又如何，都是需要认真对待的。UPS 不象变压器那样，只要负载功率不超过其额定输出容量（kVA）数值，无论什么负载都行，UPS 的输出容量不仅与负载大小有关，还与负载的性质有关。合理配置系统容量既可保证UPS 的供电质量，降低故障率，又可节省投资，提高经济效益。

2.1 根据负载大小选择系统容量在UPS

选型时必须充分注意，不能为追求UPS 运行的高可靠性，片面地认为UPS 的容量越大可靠性就越高。若UPS 长期处于轻载运行，虽然有利于降低逆变器的损坏概率，但却增加了UPS 内部蓄电池失效的可能性。因为蓄电池的放电电流过小而放电时间偏长，容易造成深度放电，遭永久性损坏。若UPS 长期处于重载运行，这样虽可节省一部分投资，但由于逆变器处于重载运行，其输出波形将发生畸变，输出电压幅值抖动过大。这样既不能为负载提供优质电源，还极易造成UPS 逆变器的本级驱动元件损坏，所以，即使从经济角度讲也是得不偿失。根据目前一些UPS 厂家推荐，UPS 单机按带载量60%～80%来配置，并机按每台带载 35%～40%来配置为佳。

另外在UPS 选型时还要考虑负载系统的扩容问题，其预增加带载量为20%左右。对于通信机房面积较大，负载不断分期扩容的情况，在首期配置UPS 容量时，应适当考虑中远期发展趋势，并在选型中挑选可并机或多机运行的机型，以使中远期负载容量增大时，通过UPS 并机扩大其输出容量。相应地，配置UPS 输入输出配电屏时，应预留多台 UPS 的输入开关和中远期的负荷分路开关，以便今后扩容。例如，UPS 的实际负载量为60kVA，则UPS 的最小选择容量可估算为：（60kVA+60kVA× 20％）/60%=120kVA。

2.2 根据负载性质选择系统容量

负载性质一般分为线性负载（包括阻性负载或功率因数已校正负载、感性负载、容性负载）和非线性负载(即带有电解电容的整流滤波型负载）。

根据上表可看出，不同性质的负载有不同的功率因数和峰值因数，所以选择UPS 时，必须考虑负载的性质。

大多数计算机设备的输入功率因数为微容性0.7，而UPS 主要针对的负载正是这些智能精密设备，基于这样的原因，所有的UPS 设计均需采用输出功率因数匹配为0.7～0.8 的参数，从而最大限度地发挥UPS 的带载能力。在功率因数匹配的情况下，即计算机负载的输入功率因数为微容性0.7，而UPS 标定的输出功率因数也为0.7 时，负载的VA 数与UPS 的VA 数比值为1：1。也就是说1VA 容量的UPS 在不考虑冲击、曾容等余量因素时可带1VA 的此类负载。若功率因数不匹配，例如电阻负载，1VA 容量的UPS 只能带0.7VA 的电阻负载，否则UPS 会出现过载现象(即使UPS 的VA 数大于负载此时的VA 数)。

选择负载容量还应考虑不同负载的冲击电流，通常UPS 的峰值因数为3：1，适合电脑等非线性负载在正常工作中的峰值因数要求。但当冲击较大时，UPS 等供电设备的电流容量乘以3 后还不足以满足负载的瞬间电流要求。在这种情况下需要考虑增加供电设备的容量，从而提高电流提供能力。通常计算机负载在开机时会产生超出平常多倍的大冲击电流。通常超过UPS 的峰值因数提供能力，因此在选择UPS 容量时需要考虑负载波动及冲击余量，适当增大UPS 容量以抵御负载的波动，选择UPS 容量余量为： UPS 容量(VA 数)：计算机负载容量 (VA 数) = 1：0.7

而对于某些特殊负载而言，在起动或工作过程中会产生很强的冲击电流，负载容量瞬间升高数倍(有时高达6 倍)。对于此种负载应在普通容量余量比例基础上进一步加大余量。正确的容量配比对UPS 的正常稳定工作及UPS 的工作寿命影响很大，经常工作在满载或过载状态下的UPS 系统故障的机会远远高于正确容量配比的UPS 电源。