雙變換UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、雙變換UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日期：2007-04-18來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：劉希禹字體：大 中 小 眾所周知，UPS 的功能是確保負(fù)載供電的不間斷，并改善供電電源質(zhì)量，使市電電源的各種干擾與負(fù)載徹底隔離，保證在任何情況下均能供給負(fù)載穩(wěn)定可靠的交流電源。UPS已有近40年的應(yīng)用歷史，最初的UPS 產(chǎn)品主要用于大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的供電，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，在電信、金融、能源、交通、醫(yī)藥、教育、商業(yè)、工業(yè)、軍事等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在UPS已成為重要負(fù)載必不可少的配套電源系統(tǒng)。目前要求由UPS 供電的負(fù)載設(shè)備容量范圍很寬，對電源的要求也不盡相同，因此，不可能由采用同一種電路技

2、術(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的UPS為各種負(fù)載設(shè)備供電。在這種情況下，出現(xiàn)了各種各樣不同的UPS產(chǎn)品和UPS供電系統(tǒng)，分別用于不同的應(yīng)用場合。根據(jù)IEC62040-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，UPS有三種基本的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式， 即冷備用UPS （passive standby UPS）、市電交互UPS （line interactive UPS）和雙變換UP S（doubleconversion UPS）。這些UPS系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，其中雙變換UPS是被公認(rèn)為性能最好、可靠性最高的一種UPS，適用于各種應(yīng)用場合。因而也是應(yīng)用最多的一種UPS。在電信系統(tǒng)中應(yīng)用的大中型UPS幾乎全部是雙變換UPS。 為了進(jìn)一步提高UPS系統(tǒng)的可用

3、度，可以采用多個雙變換UPS單機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成各種類型的冗余UPS系統(tǒng)，以確保在一個單機(jī)系統(tǒng)故障或進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時UPS仍能不間斷地為負(fù)載供電。 本文介紹雙變換UPS的單機(jī)系統(tǒng)和各種冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用趨勢。1 雙變換UPS單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1 系統(tǒng)組成和工作方式雙變換UPS系統(tǒng)如圖1所示，由整流器充電機(jī)、逆變器蓄電池和轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。其特點(diǎn)是整流器/充電機(jī)-逆變器串聯(lián)連接在交流輸入電源和負(fù)載之間，無論交流輸入電源正常與否，負(fù)載始終由逆變器供電。這種UPS有三種工作方式：正常方式、儲能方式和旁路方式。（1） 正常方式交流輸入電源經(jīng)整流器充電機(jī)逆變器的組合電路，進(jìn)行了整流（AC/DC）和逆變（DC/A

4、C）兩次變換，負(fù)載由逆變器供電，由于負(fù)載所需的全部功率經(jīng)過了兩次變換，因此這種UPS稱為雙變換UPS。（2） 儲能方式當(dāng)交流輸入電源電壓超出預(yù)定的容限或故障時，由蓄電池放電供給逆變器直流電，使逆變器繼續(xù)運(yùn)行，不間斷地供給負(fù)載交流電源。當(dāng)交流輸入電源恢復(fù)正常時，UPS恢復(fù)正常工作方式，如果交流輸入電源長時間停電，UPS將繼續(xù)在儲能方式下運(yùn)行，直到蓄電池的儲能用完。為了保護(hù)交流輸入電源長時間停電，一般應(yīng)配置備用柴油發(fā)電機(jī)組。（3） 旁路方式雙變換UPS一般都有靜態(tài)旁路開關(guān)，在下列情況下可以通過靜態(tài)開關(guān)自動地將負(fù)載從逆變器暫時轉(zhuǎn)換到旁路電源：（1）UPS內(nèi)部故障（2）負(fù)載電流瞬變（出現(xiàn)浪涌或故障電流

5、）（3）UPS過載（4）蓄電池放電至終止電壓為了保證在逆變器和旁路電源之間不間斷地進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)換，UPS的逆變器必須與旁路電源同步，以便采取先合后斷的轉(zhuǎn)換方式，即逆變器和旁路電源有短暫的一段時間并聯(lián)，然后斷開其中一個電源 。另外還有一個稱為維修旁路的電路，在UPS需要維修時通過維修旁路手動以先合后斷的方式將負(fù)載換到旁路電源。將負(fù)載從一個電源轉(zhuǎn)換到另一個電源供電的開關(guān)稱為負(fù)載轉(zhuǎn)換開關(guān)。UPS的負(fù)載轉(zhuǎn)換開關(guān)的種類很多，圖1采用的是由機(jī)械開關(guān)K2、K4和靜態(tài)開關(guān)組成的混合轉(zhuǎn)換開關(guān)。在從UPS向旁路電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，靜態(tài)開關(guān)首先接通，然后K4接通，K2斷開。因此靜態(tài)開關(guān)只是瞬時承受負(fù)載。這種轉(zhuǎn)換開關(guān)既有轉(zhuǎn)

6、換速度開的優(yōu)點(diǎn)，又有優(yōu)良的隔離性能，而且可靠性高。1.2 雙變換UPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1） 負(fù)載與交流輸入電源的干擾完全隔離。交流輸入電源的干擾不會影響關(guān)鍵負(fù)載。 （2） 負(fù)載始終由逆變器提供高質(zhì)量的電源，在交流輸入電源正常時，逆變器由整流器供電，交流輸入電源故障時，逆變器由與整流器并聯(lián)浮充的蓄電池供電，在此過程中沒有電路的轉(zhuǎn)換，沒有任何供電中斷或輸出電壓的瞬時下降。（3） 當(dāng)交流輸入電源的電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)波動時，整流器能正常工作，不需要蓄電池放電；當(dāng)交流輸入電源的頻率在負(fù)載要求的指標(biāo)范圍以內(nèi)或以外波動時，只要交流輸入電源的電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，整流器仍能正常工作（整流器能適應(yīng)很寬的輸入電源頻率變

7、化），不需要蓄電池放電。需要說明的是，當(dāng)交流輸入電源的頻率在負(fù)載要求的指標(biāo)范圍以內(nèi)時，UPS系統(tǒng)輸出頻率跟蹤交流輸入電源的頻率（內(nèi)同步）；當(dāng)交流輸入電源的頻率在負(fù)載要求的指標(biāo)范圍以外時，UPS系統(tǒng)輸出頻率跟蹤內(nèi)部頻率基準(zhǔn)（外同步）。無論運(yùn)行在內(nèi)同步或外同步，逆變器需要的直流電源都來自整流器，一般只有當(dāng)交流輸入電源電壓超出規(guī)定的范圍或故障時，UPS才轉(zhuǎn)入儲能方式，由蓄電池放電供給逆變器。因此，蓄電池放電的幾率相對較?。ū绕渌魏蜺PS的蓄電池放電的幾率都?。士裳娱L蓄電池的壽命。（4） 允許的交流輸入電壓變化范圍較寬（ 例如+15%-20%），輸出電壓穩(wěn)定度較高（例如，可達(dá)到1%，0.5%）。

8、 （5） 輸出頻率穩(wěn)定度高（內(nèi)同步時，0.005Hz），UPS有可能用做變頻器。（6） 逆變器輸出一般都有一個隔離變壓器，因此有一個隔離的電源中線，可以對負(fù)載進(jìn)行共模噪聲保護(hù)。（7） 雙變換UPS的整流器和旁路輸入一般由兩個獨(dú)立的輸入端子接入，這大大提高了UPS的故障容限。如果沒有單獨(dú)的旁路電源，整流器和旁路輸入可以共用一個電源。1.3 雙變換UPS系統(tǒng)的缺點(diǎn)（1） 因?yàn)?00%的負(fù)載功率需要經(jīng)過整流和逆變兩次電力變換，損耗較大，降低了系統(tǒng)總效率。（2） 由于雙變換UPS輸入端一般都采用相控整流器，相控整流器產(chǎn)生的輸入諧波電流對交流輸入電源造成嚴(yán)重干擾。特別在由備用發(fā)電機(jī)組供電時影響大，需要配

9、置至少23倍UPS容量的柴油發(fā)電機(jī)組。這個問題可以通過在UPS輸入端增加濾波器或采用12脈沖整流器加以解決。1.4 關(guān)于雙變換UPS的名稱IEC62040-3注釋：“雙變換UPS”（double conversion UPS）過去被稱為“在線UPS”（on-line UPS），其本來的含義是無論交流輸入電源情況如何，負(fù)載始終由逆變器供電，但術(shù)語“在線（on-line）” 也表示“在市電上（on the mains）”，即由市電供電，這與實(shí)際運(yùn)行方式恰恰相反。為了防止定義上的混淆，應(yīng)避免使用“在線”這一術(shù)語，而使用“雙變換”術(shù)語。目前有些廠家采用雙變換在線UPS（double conversio

10、n on line UPS）的名稱，也不符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。2 并聯(lián)冗余UPS2.1 并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)組成和工作方式并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)由兩個或多個單機(jī)UPS系統(tǒng)組成，各單機(jī)UPS系統(tǒng)的輸出并聯(lián)連接到一個公共的配電系統(tǒng)。系統(tǒng)一般按N+1個單機(jī)UPS系統(tǒng)配置，其中N個單機(jī)UPS系統(tǒng)就足以供給系統(tǒng)全部負(fù)載，再增加一個作為備用。當(dāng)N為1時即為1+1系統(tǒng)，1+1系統(tǒng)比N+1系統(tǒng)的可靠性高但投資較大，一般在最關(guān)鍵的應(yīng)用中采用。如果資金短缺，可采用N+1系統(tǒng)，但N最好限制到3以下。并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)有四種工作方式：（1） 正常方式在正常工作時，所有N+1個單機(jī)UPS系統(tǒng)都同步運(yùn)行并均分負(fù)載。如果一個單機(jī)UPS

11、 系統(tǒng)故障或脫離系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，其余單機(jī)UPS系統(tǒng)可以不間斷地給負(fù)載供電。（2） 儲能方式市電停電時，各個UPS都由蓄電池放電供給逆變器，各個逆變器繼續(xù)并聯(lián)運(yùn)行，不間斷地為負(fù)載供電。（3）旁路方式當(dāng)UPS過載時，負(fù)載通過集中的靜態(tài)開關(guān)或分散的靜態(tài)開關(guān)被轉(zhuǎn)換到由旁路電源供電。如果UPS需要停機(jī)進(jìn)行維護(hù)，通過維修旁路開關(guān)將負(fù)載轉(zhuǎn)換到由旁路電源供電。并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)有兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，即直接并聯(lián)和通過并機(jī)柜并聯(lián)。2.2 采用并機(jī)柜的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)有并機(jī)柜的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)，也稱為采用集中的靜態(tài)開關(guān)的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)。如圖2所示，每一臺單機(jī)UPS系統(tǒng)中都沒有靜態(tài)開關(guān)，但在并機(jī)柜中有一個集

12、中的系統(tǒng)級靜態(tài)開關(guān)。當(dāng)UPS系統(tǒng)過載時，旁路輸入電源經(jīng)系統(tǒng)級靜態(tài)開關(guān)可以為系統(tǒng)所有的負(fù)載供電。系統(tǒng)控制柜還有一個手動維修旁路開關(guān)，當(dāng)所有的UPS和靜態(tài)開關(guān)需要進(jìn)行維護(hù)時，用以將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路電源。 2.3 直接并聯(lián)的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng) 直接并聯(lián)的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)也稱為采用分散靜態(tài)開關(guān)的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)。如圖3所示，每個單機(jī)UPS系統(tǒng)中都有靜態(tài)開關(guān)。在正常方式下，兩個UPS同步運(yùn)行均分負(fù)載，當(dāng)其中一個UPS故障時，這個UPS不轉(zhuǎn)旁路而是自動地脫離系統(tǒng)，此時由其余的UPS為負(fù)載供電。當(dāng)所有UPS均故障或UPS系統(tǒng)過載時，各單機(jī)UPS系統(tǒng)的靜態(tài)開關(guān)同時將負(fù)載轉(zhuǎn)換到由旁路電源供電。直接并聯(lián)的并聯(lián)冗

13、余UPS系統(tǒng)有時還需要一個系統(tǒng)級手動旁路開關(guān)，當(dāng)需要進(jìn)行維護(hù)時，用以將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路電源。2.4 兩種并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的比較采用并機(jī)柜的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的主電路和控制電路比直接并聯(lián)的并聯(lián)冗余系統(tǒng)簡單，因此可靠性較高，但靈活性較差，擴(kuò)容不方便。在負(fù)載變化大的應(yīng)用場合不宜采用有并機(jī)柜的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)。直接并聯(lián)的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)，擴(kuò)容方便，可直接將一個單機(jī)UPS加到現(xiàn)有系統(tǒng)上。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，系統(tǒng)過載時每個單機(jī)UPS都經(jīng)各自的靜態(tài)旁路開關(guān)給負(fù)載供電，但各靜態(tài)開關(guān)只能在它們的輸 入輸出電纜的長度和阻抗匹配時才能均分負(fù)載。輸入輸出電路阻抗較小的那個靜態(tài)開關(guān)將會承擔(dān)全部負(fù)載，這可能引起靜態(tài)開關(guān)

14、損壞和系統(tǒng)故障。因此，有必要在各單機(jī)UPS旁路輸入電路中增加均流電感。 3 熱備用冗余UPS熱備用冗余UPS的電路與1+1并聯(lián)冗余UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全相同（圖3）。不同的是：兩個UPS中有一個是主用（ UPS1），另一個是備用 （UPS2）。正常時兩UPS同步運(yùn)行（但不并聯(lián)運(yùn)行），只有主用UPS為負(fù)載供電，備用UPS空載運(yùn)行。當(dāng)主用UPS故障時，轉(zhuǎn)換為由備用UPS供電，故障的主用UPS與負(fù)載斷開。目前有的廠家銷售的所謂“并聯(lián)熱備份”UPS ，實(shí)際上是熱備用冗余UPS。（注：“并聯(lián)熱備份”的名稱不準(zhǔn)確，因?yàn)閮蓚€UPS在任何情況下也不并聯(lián)。）備用冗余UPS系統(tǒng)的控制電路較并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)簡單。但

15、是，當(dāng)從主用UPS向備用UPS轉(zhuǎn)換時，備用UPS要承受100%額定階躍負(fù)載。因此，對逆變器的動態(tài)性能要求較高。4隔離冗余UPS4.1 系統(tǒng)組成和工作方式隔離冗余UPS系統(tǒng)一般是由兩個單機(jī)UPS 系統(tǒng)按照隔離方式連接。這兩個單機(jī)UPS，一個是主UPS，另一個是冗余UPS。如圖4所示，冗余UPS（ UPS2）的輸出直接與主UPS（UPS1）的旁路輸入端連接。因?yàn)槿哂郩PS與主UPS串聯(lián)連接，所以這種UPS也稱為串聯(lián)冗余UPS。隔離冗余UPS系統(tǒng)有四種工作方式：（1）正常方式正常工作時，主UPS為負(fù)載供電，冗余UPS空載運(yùn)行。主UPS 與冗余UPS的同步運(yùn)行。（2）儲能方式市電故障時，主UPS工作于

16、儲能方式繼續(xù)為負(fù)載供電；冗余UPS也工作于儲能方式空載運(yùn)行。如果市電故障時間超過蓄電池的備用時間，主UPS轉(zhuǎn)入旁路工作方式，即由工作于儲能方式的冗余UPS繼續(xù)為負(fù)載供電。（3）旁路方式主UPS故障時，主UPS自動轉(zhuǎn)換到旁路工作方式，即由冗余UPS經(jīng)主UPS的旁路開關(guān)為負(fù)載供電。在此期間，如果冗余UPS故障，冗余UPS也將自動轉(zhuǎn)換到旁路方式，即負(fù)載由旁路電源經(jīng)冗余UPS和主UPS的旁路開關(guān)供電。如果主UPS需要停機(jī)進(jìn)行維護(hù)，其維修旁路開關(guān)可以將主UPS完全隔離。負(fù)載經(jīng)維修旁路開關(guān)由冗余UPS供電。4.2 由一個冗余UPS和多個主UPS組成的隔離冗余UPS隔離冗余UPS可以構(gòu)成由一個冗余UPS為多

17、個獨(dú)立的主UPS提供備用電源的系統(tǒng)（圖5）。每個主UPS的配電系統(tǒng)都是獨(dú)立的。因?yàn)槎鄠€主UPS同時故障的幾率比較小，所配置的冗余UPS一般只能支持一個主UPS，故當(dāng)有一個主UPS轉(zhuǎn)換到旁路工作時，應(yīng)斷開其他主UPS的旁路與冗余UPS 的連接，即轉(zhuǎn)換到外部的旁路電源上（市電）。任何一個主UPS需要進(jìn)行維護(hù)時，其負(fù)載都可由冗余UPS供電，此時負(fù)載仍可以與市電電源的各種干擾隔離。冗余UPS需要維護(hù)時，可將主UPS的旁路輸入轉(zhuǎn)換到外部的旁路電源（市電）。4.3 隔離冗余UPS與并聯(lián)冗余UPS的比較隔離冗余UPS與并聯(lián)冗余UPS是兩個最常用的冗余UPS，兩者之間有一定的差別，但各有其優(yōu)缺點(diǎn)。究竟哪一種更

18、優(yōu)越些，國內(nèi)外上尚有不同的意見。目前，在我國電信系統(tǒng)中，并聯(lián)冗余UPS使用較多。 隔離冗余UPS的優(yōu)缺點(diǎn)：（1）不需要復(fù)雜的逆變器并聯(lián)技術(shù)，即使不同容量的UPS、不同生產(chǎn)廠家的UPS也可以構(gòu)成隔離冗余UPS。主UPS與冗余UPS可以安裝在不同的機(jī)房。因?yàn)椴恍枰到y(tǒng)級轉(zhuǎn)換柜，占用機(jī)房面積較小。（2）因?yàn)樨?fù)載總是由一臺UPS 供電，其負(fù)荷率較高，工作效率較高。（3）當(dāng)主UPS從正常方式向旁路方式轉(zhuǎn)換時，冗余UPS要承受100%負(fù)載階躍變化。因此要求冗余UPS具有較高的動態(tài)性能。（4）系統(tǒng)可靠性完全取決于主UPS向旁路轉(zhuǎn)換和冗余UPS接受轉(zhuǎn)換的成功與否。但轉(zhuǎn)換開關(guān)是UPS的薄弱環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換過程往往會出

19、故障，而且，如果轉(zhuǎn)換的原因是負(fù)載故障，則冗余UPS還要向旁路轉(zhuǎn)換。即需要進(jìn)行兩次向旁路方式的轉(zhuǎn)換。并聯(lián)冗余UPS優(yōu)缺點(diǎn)：（1）要求穩(wěn)定可靠的逆變器并聯(lián)技術(shù)。但當(dāng)一個UPS故障時，不需要進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，只需使故障UPS與系統(tǒng)脫離。目前，UPS并聯(lián)和故障UPS的隔離技術(shù)已相當(dāng)成熟。（2） 正常時，各UPS均分負(fù)載，在兩臺并聯(lián)的系統(tǒng)中，故障UPS與系統(tǒng)脫離時，正常UPS只承受50%的負(fù)載階躍變化，故對UPS逆變器的動態(tài)性能要求不太嚴(yán)格。 （3）任何一臺UPS都可與系統(tǒng)完全脫離進(jìn)行維護(hù)。（4）如果負(fù)載故障，僅需進(jìn)行一次向旁路方式轉(zhuǎn)換，即可排除故障。5分布冗余UPS上面介紹的各種冗余UPS系統(tǒng)與單機(jī)UPS

20、系統(tǒng)相比已經(jīng)相當(dāng)可靠了，但是電源系統(tǒng)的冗余只是集中在UPS 設(shè)備，對于每個負(fù)載設(shè)備，其輸入電源仍然沒有冗余。在實(shí)際運(yùn)行中，UPS輸出端至負(fù)載之間的配電電路（包括開關(guān)和線路）的故障往往多于UPS本身的故障。因此，最重要的不是保證UPS輸出端的電源可靠，而是保證負(fù)載輸入端的電源可靠?；谶@種考慮，提出了分布冗余UPS。分布冗余UPS的目的是將電源系統(tǒng)的冗余擴(kuò)展到每一個負(fù)載設(shè)備，而且應(yīng)使電源系統(tǒng)的冗余盡可能接近負(fù)載設(shè)備的輸入端。如圖6所示，分布冗余UPS系統(tǒng)中有兩個獨(dú)立的UPS系統(tǒng)，每個獨(dú)立的UPS系統(tǒng)都能為全部重要負(fù)載供電，構(gòu)成雙母線供電系統(tǒng)。通過適當(dāng)?shù)呐潆婋娐?，可以為單電源輸入和雙電源輸入的各種

21、負(fù)載設(shè)備供電。假設(shè)負(fù)載需要300kva的UPS系統(tǒng)，構(gòu)成冗余供電系統(tǒng)的常規(guī)方法是：將兩個300kva的UPS連接成并聯(lián)冗余或隔離冗余系統(tǒng)或備用冗余UPS系統(tǒng)。如采用分布冗余，可將同樣的兩個300kva的UPS用做兩個獨(dú)立的UPS。正常時，300kva的負(fù)載的一半接在其中一臺UPS輸出上（負(fù)載母線 1），另一半負(fù)載接在另一個UPS輸出上（負(fù)載母線 2）。采用適當(dāng)?shù)呐潆婋娐?，就可以在所有的?fù)載設(shè)備輸入端上（不是在UPS輸出端上）得到了冗余電源系統(tǒng)。即電源系統(tǒng)的冗余已分散到各個負(fù)載設(shè)備，因此稱為“分布冗余”。對于雙電源輸入的重要負(fù)載設(shè)備，只要任何一個輸入電源正常，負(fù)載設(shè)備就可以正常工作。當(dāng)兩個UPS給雙電源輸入的負(fù)載設(shè)備供電時，只需將兩個UPS電源直接接到雙電源輸入的負(fù)載設(shè)備的輸入端，當(dāng)其中一個UPS 出現(xiàn)故障時也不必進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。因此兩個UPS是完全獨(dú)立的，其輸出不必同步。這種配電電路最簡單。對于單電源輸入的重要負(fù)載設(shè)備，其輸入電源是不允許停電的。當(dāng)兩個UPS給單電源輸入的負(fù)載設(shè)備供電時，應(yīng)采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS），正常時由其中一個UPS為負(fù)載供電，當(dāng)供電的UPS