UPS电源的基本知识和提高UPS电源供电可靠性的三种方案

改革开放以来，我国电力系统的建设存在无法满足各行业快速发展的要求，尤其是近年来出现的全国性电力供应不足，导致大面积的拉闸限电，严重限制了数字化建设的步伐和质量。例如，很多工厂由于限电无法全速运转，户外的无线通信业务由于停电无法正常运行，金融信息网络系统由于电网质量导致数据传输变慢、异常或部分停业，政府的信息化建设工作由于停电不得不延期等等，这一切说明电力系统的供电质量和可靠性对于数字化建设起到至关重要的作用。

因此，系统工程师在做数字化系统设计时必须充分考虑电源系统的可靠性。目前比较可靠的方法就是采用高质量的不间断电源UPS。 UPS在电网正常时能够给各类信息化设备提供高质量的交流电源，在电网异常时能够将后备电池组的直流能量转化为稳定的交流电源供给负载设备使用，并且在电网掉电过程中可以保证输出没有“间断”，确保信息设备的安全运行。大量的现场运行数据和理论分析也表明，引进UPS电源除了可以解决上述的交流供电中断的影响外，还可以消除正常交流电网供电中的各种高频杂波、电压浪涌、陷落、瞬间断电等电力干扰对信息设备的危害，保证信息网络时刻安全运行。可见，为了保证数字化建设的顺利进行，采用高可靠的UPS供电方案是最为有效的、高可靠的电源解决方案。

本文将先介绍一下UPS的相关基本知识，然后再分析三种提高UPS供电可靠性的系统技术方案，谨供系统工程师做电源方案设计时参考。

一、不间断电源UPS的基本知识

1.UPS的基本概念

UPS是由整流器、逆变器、电池和控制电路等组成，能在有限时间里提供纯净、稳定波形的电源设备。

UPS具有以下功能：

①电网电压正常时，除了输出纯净、稳定且连续不间断的交流电源外，还可以对电池进行充电，储存后备能量。

②在电网异常时（欠压、过压、掉电、干扰等）利用电池组的能量对用电设备提供不间断的交流输出，“不间断”一般指输出电压波形为零的时间不大于10ms。

因而，UPS可以保证计算机等信息设备即使是在恶劣的电网条件下也能安全正常运行。

2.UPS的分类及主要特点

从UPS技术特点来看，UPS的分类一般以输出逆变器工作方式来区分，通常可分为后备式、在线式两大类型。近年来也有将后备式电源中的一个特例独立出来，称之为在线互动式，但严格来说，仍然是后备式一类。

从近年来UPS的广泛使用情况看，UPS也从原先的户内使用逐步向全天候应用环境的方向发展，出现了室内UPS和室外UPS的差别。户外UPS 主要在对环境温度的适应性、防潮湿、防水、防盗等方面做了一个全面的质量提升，保证了UPS在各种户外严酷的环境条件下正常工作。

以下仍然从UPS的电路拓扑结构的角度来阐述一下UPS的分类和技术特点。

（1）在线式UPS：

A、输出电压稳定性好 ±3%

B、波形失真度小THD《3%

C、零中断

D、输入、输出能量形式全隔离

图5、在线式UPS原理

（2）后备式UPS：

A、电网正常时的整机效率高》95%

B、电网正常时无噪音

C、切换时间《10ms

D、价格较低

（3）互动式 UPS：具备与后备式电源相同的特点，并且将充电器和逆变器有效合并成为一体双

向逆变器，虽然减少了系统的成本，但增加了一定的控制难度。

二、三种提高UPS电源供电可靠性的解决方案

从上面的原理框图可以得知，UPS本身已经具备了双路的电源供电备份，具备较高的系统可靠性，可以满足一般信息设备对电源可靠性的要求。但是随着近年来信息数据几何倍数的快速增长和高度重要性，在某些特别重要的场合，例如省级以上的银行数据中心、通信数据中心、证券交易等用电环境，单一的UPS供电已经无法满足客户对电源可靠性的要求了，必须有更好的电源供电方案来确保这些重要数据及网络的安全。

以下介绍三种在工程应用中可以十分有效提高可靠性的方法：串联备份供电方式、输出主从备份方式、冗余并联备份供电方式。上述三种供电方案的改进将以数量级的效果提高电源系统的可靠度，成倍地提高系统的MTBF值，在工程应用中基本上可以达到真正意义上的零电源故障。因此，用户在进行高可靠供电系统设计时，可以根据负载的供电要求选择合适的高可靠供电方案。

1. 串联备份供电方式（旁路主从备份方式）：

如上图所示，对于在线式工作模式的两台UPS，备机（UPS2）的输出作为主机（UPS1）的旁路备份输入，这样当主机的主逆变器输出故障转到旁路时，负载仍然处于备机UPS双备份供电模式的可靠保护下。

2、输出主从备份方式

如上图所示，以在线式UPS为例，两台UPS或逆变器的输出同时送到冗余转换器，经冗余转换器再给负载供电;正常时冗余转换器让主输入的电源 （例如UPS1）对负载供电，当主输入电源故障时冗余转换器快速将负载转移到备份输入的电源上，完成负载的冗余供电;在主输入电源维修完成再输入到冗余转换器后，冗余转换器又将负载重新转移回到由主输入电源供电的模式。任何的转换过程都是不间断的，可以保证负载设备的稳定安全运行。

3、冗余并联供电方式

如上图所示，两台UPS的输出同时送到并联配电柜上进行直接的并联，共同均分负载电流，不存在主从关系。当某台UPS出现故障时，该机将自动退出并联系统，负载电流100%由剩余的一台UPS供电，输出不间断;在故障机维修完成后，可以将修复的UPS单元在线并入，继续对负载进行冗余供电，完成并联系统的在线热维护。

三、三种提高可靠性方案的比较

比较项目串联备份供电方式输出主从备份方式冗余并联供电

可靠性一般高高

主从逻辑关系有，且不易调换，需要厂家才可完成有，容易调换，用户即可完成取决于并联控制方式;可能有，不能调换。

负载切换时间10ms5ms0ms

相互通信不需不需有线并机时需要;无线并机调试时需要，工作后可以取消

增容性没有增容没有增容可依比例增容

系统过载能力不变不变短时过载能力比例增加;尤其是对于冲击负载的启动能力加强。

产品老化程度存在主从机老化不一致的情况存在主从机老化不一致的情况不存在

负载均分性100%不均分100%不均分均分，一般电流不均衡度小于5%

电池寿命一般需要定期对换电池一般需要定期对换电池或主机，确保电池的寿命不需对换。

可维护性差，一般要停机维护好，可以在线热维护好，可以在线热维护。

备份模式一般是1+1形式，再增加时没有实际的意义一般是1+1或1+2形式可以N+m形式，比较灵活

系统成本低一般高

适用场合负载3-10KVA 负载0.5-3KVA 负载10KVA以上

不间断电源UPS是数字化建设的可靠电源解决方案，通过不同的UPS供电方案的设计可以将交流供电系统的可靠性提高到一个新的层次，满足数字化建设对交流电源质量的任何要求。