UPS拓扑结构对供电系统高可用性的影响

　USP供电系统的“高可用性”要求其系统必须具备可靠性、功能性、可维护性和容错性四个要素，而UPS内部拓扑结构对系统的可靠性和功能性起着决定作用。可用性的关键要素，尤其是可维护行和容错性，很大程度上取决于UPS冗余和配电系统选择，本文对UPS内部不同的拓扑结构进行分析和评估，说明个结构如何对“高可用性”电源系统的四个要素产生影响的。
　　一、UPS拓扑结构：离线式UPS或后备式电源(SPS)
　　离线式拓扑结构是最简单的一种UPS结构，如图1所示。正常运行情况下，交流市电直接流经UPS直至重要负载。充电器或“4象限变流器”将交流 电转换为直流电向电池充电。逆变器用于将电池提供的直流电转换成交流电，当市电故障时为负载供电。逆变器通常运行于待机模式，保持对电池充电。如果市电超 过规定范围，逆变器通过电池向负载供电。该拓扑结构被称为“单变换”，因为在任何时候，电源只能转换一次(交流转换为直流或直流转换为交流)。正常运行情 况下，少量交流电转换为直流电，保持对电池供电。输入市电电超出规定范围时，UPS检测到电源故障，切换继电器动作，输出逆变器启动逆变器将电池提供的直 流电转换成交流电，向负载供电。
　　离线式UPS价格非常低廉，仅适合于家用或为向只需要实施断电保护应用的单台计算机工作站供电的情形。有时离线式产品内置浪涌抑制和/或“降压和升压”电路，补偿较高或较低的输入电压，但不尝试提供任何有效的输入电源调节。
　　离线式UPS在设计简单性方面得分较高，而在其它测量方面则稍有欠缺。离线式UPS一般应用于单相非重要负载。尤其是不兼容发电机等不足，使其不适用于三相应用。
　　二、UPS拓扑结构：互动式UPS
　　互动式UPS拓扑结构，如图2所示。该结构与离线式UPS产品类似，不同之处是在市电电源和负载之间按照串联的结构加入变压器了或电感器。该电 感器使UPS逆变器可以与输入电源“交互”，并对连接至负载的输出电源进行调节。也就是说在输入电压较高和较低状况下，“降压和升压”电路能够进行相应的 调节。
　　四象限变换器一般为恒压设备。负载或输入电压变化时，四象限变换器通过调整输出相位角，作出相应的改变。负载频繁的发生变化，将导致电池放电，电池的频繁放电将大大缩短其使用寿命。
　　互动式UPS产品的另一个不足之处在于，如果不采用电池供电，将无法完全使重要负载与输入电源间实现隔离。频率出现微扰和电源质量较差，将直接影响到重要负载。若不实施电气隔离，共模噪声也将直接影响到负载的正常工作。
　　互动式UPS产品的另一个不足之处在于，如果不采用电池供电，将无法完全使重要负载与输入电源间实现隔离。频率出现微扰和电源质量较差，将直接影响到重要负载。若不实施电气隔离，共模噪声也将直接影响到负载的正常工作。
　　与离线式UPS相同，互动式UPS产品价格可能较低，而效率高，原因是，它仅在输入电源异常时向重要负载供电，且仅在电池工作期间运作。与离线 式UPS相比，互动式UPS设备由于其串联电感器以及电源调节功能，在效率方面有所损耗。另外，当UPS转换为电池供电时，通常至少会出现一点(但可测) 电压跌落。
　　发电机兼容性
　　离线式UPS和互动式UPS产品需要输入电源的频率和相位非常稳定。电源频率必须稳定，是因为逆变器必须跟踪电源频率，以校准电压和电流，这样系统输出频率才能与输入频率相同，除非UPS通过电池运行。
　　比较典型的运行问题是当启动发电机上的其它负载时，发电机的输出频率将发生很大变化，从而导致离线式UPS或互动式UPS通过电池放电。该问题 在天然气发电机组上尤为明显。电池反复充放电，很可能导致电池的过放电，将大大缩短电池寿命。另一个潜在问题是UPS负载加载时，发电机输出会不稳定，也 就是说UPS负载的突加，会导致发电机电压和频率跌落，从而导致UPS进入电池放电的运行状态。当发电机输出稳定后，UPS恢复到正常状态，如果发电机输 出电压再次下降时，UPS将再次进入电池放电状态。
　　对于双变换UPS则不会出现上述问题。双变换UPS调整输入电源，而且可以容许电源频率出现较大变化，同时继续提供稳定的输出频率，而无需使用 电池供电。而且，双变换UPS主要制造商已经开发出减少输出电流畸变的技术，极大地提高UPS与发电机的兼容性，使负载规格选择更为准确。双变换UPS容 量与发电机的容量配比可以达到1.25~1.5：1，不会发生运行问题。
　　三、UPS拓扑结构：具有功率因数校正功能的在线性互动式结构(包括“Delta变换式”产品)
　　近年来，有几家公司推出了具有功率因数校正功能的在线互动式三相UPS产品。与离线式产品和一般的互动式产品相比，这些产品改善了电源的调控性 能，提高了输出的电源质量。但同时也产生了一些不利因素，如有源功率调节会使效率降低。实际上，在带非线性负载(一般为计算机负载)时，其效率一般都低于 双变换UPS产品。并且这种产品结构的复杂性相对于双变换UPS而言往往是有过之而无不及。及为容易误导用户的是，该种类型的在线互动式产品甚至被标榜为 “在线式”产品，因为其逆变器始终“运行”，提供电压调节或输入功率因数校正。
　　传统意义上，这些产品应被称为互式动UPS，即串联变压器和输出逆变器与输入市电进行互动，从而调整输出电压。有些产品具有小型的输入逆变器/ 充电器(有时又称为“delta”逆变器)，用以调整输入电压。小型逆变器一般与直流总线连接，直流总线为输出(主)逆变器提供电能转换的通道，输出逆变 器会对输入功率因数进行校正，断电时将电池的能量逆变输出提供负载供电保护。
　　正常模式下(标准输入电源波形，UPS负载为线性负载)，输入隔离开关、市电输入静态开关和输出隔离开关为闭合，市电直接向负载输出供电。输入 逆变器用作充电器，对电池系统进行浮充充电。在上述理想(非现实)状态下，主逆变器是不工作的。当UPS输入电压出现过异常情况时，delta变换器产生 相应的电压，通过降压/升压变压器与输
　　入电压相叠加(相加或相减)，从而调整输出电压，保证其输出的稳定。这种调控原理与当前市面上的某些电子电压调节器类似。当输入电压超出可调控 范围时，主逆变器开始工作，将电池提供的直流电逆变输出，提供满幅输出电源，这时须将市电输入静态开关断开，防止电源向输入侧反灌，其作用与离线式UPS 类似。
　　若在线互动式UPS使用整流式市电输入静态开关，当输入电源出现故障时，就极容易受到故障的影响，因为它们无法快速关闭，导致逆变器向出现故障的输入电源端反向供电，然后关闭。
　　在线互动式UPS(或Delta变换式)还可提供负载谐波电流和输入功率因数校正。主逆变器产生所需的补偿电流—包括谐波电流和基波电流两种。 逆变器只要一运行，无论是用于电压校正逆变器/充电器(Delta变换器)，还是对谐波电流和功率因数进行校正的主逆变器，都会发生额外损耗，大大降低设 备效率，因此其实际效率是远低于其标榜的效率的。
　四、UPS拓扑结构：双变换在线式UPS
　　真正的在线式或双变换UPS产品(如图4所示)是极受欢迎的UPS拓扑结构。整流器将输入交流电转换为直流电，向UPS的内部直流总线供电，输 出逆变器将直流变换为交流，输出稳压稳频的交流电，向重要负载供电。正常运行期间，与直流总线连接的电池采用浮充充电。输入电源超出规定范围时，电池向逆 变器和重要负载供电。
　　双变换在线式UPS配置优点如下：
　　(1)重要负载与输入交流电完全隔离。
　　(2)重要负载始终由输出逆变器供电，而输出逆变器始终由内部直流总线供电。当输入电源故障时，输出电压不会出现切换跌落，因为逆变器一直是通过直流输入运行。输入市电的电压和频率可能会变化，但双变换UPS不会因此受到影响，因为整流器仅会
　　向直流总线提供直流电。例如，UL33系列UPS可长时间运行，甚至当电池输入电压比其标称电压低15%时，可再次向电池充电。它可在电压比标 称电压低20%的情况下继续运行，无须释放电池电量。同样，如果输入频率低于或超出规定范围，整流器将继续提供直流电，而输出逆变器则继续输出50Hz电 源，而不使用电池供电。
　　(3)输出逆变器通常配备有可以提供另外一根中性线的隔离变压器。UPS从而可以实现电气绝缘，并为负载提供共模噪声保护。
　　(4)双变换UPS内置双输入接线结构，即分别具有整流器输入和旁路电路输入接线端子。用户可能会为安装的方便而选择单输入型UPS，但双输入 UPS产品容错性更高。(5)真正的双变换UPS可用于双总线电源系统，在所有运行模式下，该系统内的双变换UPS与指定的参考源同步：市电、电池或备用 发电机运行模式。
　　(6)输入电源线出现故障，将导致UPS进入电池供电模式，此时UPS整流器将防止电流由直流总线向前级的输入端反灌。
　　五、结论
　　所有UPS拓扑结构都能提供断电保护，在当前的电源保护行业发挥着一定的作用：
　　(1)离线式UPS是一个操作简便、费用较低的断电保护解决方案。仅适用于单相工作计算机应用。
　　(2)互动式UPS性能较之离线式有很大提高，但仍然无法完全消除所有市电和油机带来的故障和干扰，可以为小型网络应用提供一定的电源调节。可适用于单相计算机和非重要服务器应用。
　　(3)具有功率因数校正功能的在线互式UPS为小型网络应用提供较好的电源调节。适用于单相工作站和非重要服务器应用。不适用于工厂内的三相应用。
　　(4)双变换UPS性能最佳，提供所有电源故障保护。建议用于所有重要的单相及三相应用，尤其是高可用性和全天候不间断运行应用。