UPS是一種利用電池化學(xué)能作為后備能量，在市電斷電或發(fā)生異常等電網(wǎng)故障時，不間斷地為用戶設(shè)備提供(交流)電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，正式名稱為不間斷供電系統(tǒng)(UninterruptiblePower System)。UPS的設(shè)計和選型對于數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的建設(shè)具有核心的意義。

　　1. UPS分類及定義

　　根據(jù)中華人民共和國國家標準《不間斷電源設(shè)備第3部分：確定性能的方法和試驗要求》GB 07260—2003的附錄B定義，將UPS運行分為：雙變換運行、互動運行、后備運行等三類運行方式，即UPS行業(yè)廣為熟悉的雙變換UPS、互動UPS、后備UPS等三種。我國的國標GB 7260等同國際電聯(lián)標準IEC62040 UninterruptiblePower System(UPS)，也等同歐洲標準EN 62040-2001。

　　(1).雙變換UPS國標GB 07260—2003定義為“在正常運行方式下，由整流器/逆變器組合連續(xù)地向負載供電。當交流輸入供電超出了UPS預(yù)定允差，UPS單元轉(zhuǎn)入儲能供電運行方式，由蓄電池/ 逆變器組合在儲能供電時間內(nèi)，或者在交流輸入電源恢復(fù)到UPS設(shè)計的允差之前(按兩者之較短時間)，連續(xù)向負載供電”。同時國標強調(diào)，避免使用“在線”一詞，防止定義混淆，而只使用術(shù)語“雙變換”。

　　(2).互動UPS國標GB 07260—2003定義為：“在正常運行方式下，由合適的電源通過并聯(lián)的交流輸入和UPS逆變器向負載供電。”國標GB 07260—2003特別強調(diào)：“逆變器或者電源接口的操作是為了調(diào)節(jié)輸出電壓和/或給蓄電池充電;UPS輸出頻率取決于交流輸入頻率。”

　　(3).后備UPS國標GB 07260—2003定義為：在正常運行方式下，負載由交流輸入電源的主電源經(jīng)由UPS開關(guān)供電?？赡苄杞Y(jié)合附加設(shè)備(例如鐵磁諧振變壓器或者自動抽頭切換變壓器)對供電進行調(diào)節(jié)。這種UPS通常稱為“離線UPS”。

　　2.三種類型UPS原理及特點

　　(1).后備式UPS：如國標、IEC、EN等標準所言，后備式UPS電源的功率變換主回路的構(gòu)成比較簡單。市電正常時，UPS一方面通過濾波電路向用電設(shè)備供電，另一方面通過充電回路給后備電池充電。當電池充滿時，充電回路停止工作，在這種情況下，UPS的逆變電路不工作。當市電發(fā)生故障，逆變電路開始工作，后備電池放電，在一定時間內(nèi)維持UPS的輸出。主要由充電器，逆變器，輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)和自動電壓調(diào)壓等部分構(gòu)成。

　　DC-AC逆變器：市電存在時，逆變器不工作;市電掉電時，由它將直流電壓(電池供給)變成符合負載要求的交流電壓，電壓波形有方波、準方波、正弦波三種形式。

　　輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)：市電存在時，接通輸入電源向負載供電;市電掉電時，斷開電網(wǎng)，接通逆變器，繼續(xù)向負載供電。

　　自動電壓調(diào)壓：實質(zhì)上是一個變壓器裝置，可自動進行升壓和降壓的設(shè)置。因此可以拓寬UPS在市電狀態(tài)下的工作范圍，通常以可選件的形式存在。

　　后備式UPS的性能特點：

　　1)當市電正常且輸出帶載時，效率高可達98%以上;

　　2)當市電正常且輸出帶載時，輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負載電流;

　　3)當市電存在時，輸出電壓穩(wěn)定精度差，但能滿足負載要求;

　　4)市電掉電時，輸出有轉(zhuǎn)換時間，一般可做到4-10ms左右，足以滿足普通負載要求;但對于服務(wù)器等用電設(shè)備存在一定的風險;

　　5)市電掉電時，后備時間一般不長(一般為分鐘級別);

　　6)無論市電工況還是電池工況，整機抗干擾能力較差;

　　7)電路簡單，成本低，可靠性高;

　　8)由于輸出有轉(zhuǎn)換開關(guān)，受切換電流能力和動作時間的限制，UPS輸出功率做大有一定困難，當前面市的后備式UPS多在2KVA以下。

　　(2).互動式UPS：雙向變換器式UPS 市電正常，交流電通過工頻變壓器直接輸送給負載;當市電超出上述范圍，在150-276V 之間時，UPS通過邏輯控制，驅(qū)動繼電器動作，使工頻變壓器抽頭升壓或降壓，然后向負載供電。若市電低于150V或高于276V，UPS將啟動逆變器工作，由電池逆變向負載供電。在市電在150-276V之間時，身兼充電器/逆變器的變換器同時還給電池充電，處于熱備份狀態(tài)，一旦市電異常，馬上就轉(zhuǎn)換為逆變狀態(tài)，為負載供電。

　　雙向變換器式UPS與后備式UPS的區(qū)別是“雙向變換器”：當市電存在時，“雙向變換器”的工作狀態(tài)是AC- DC，給電池充電并浮充;市電掉電后，其工作狀態(tài)為DC-AC，由電池供電，保持UPS繼續(xù)向負載供電。變換器時刻處于熱備份狀態(tài)，市電/逆變切換時間比后備式要短，同時兼顧了對電池充電的功能，提高了后備式UPS的功率容量，減小了市電掉電時的轉(zhuǎn)換時間，提高了對輸出電壓的濾波作用。

　　雙向變換器式UPS性能特點是：

　　1)當市電正常時，效率高，可達98%以上;

　　2)當市電存在時，輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成份取決于負載電流;

　　3)市電掉電時，因為輸入開關(guān)存在開斷時間，至使UPS輸出仍有轉(zhuǎn)換時間，但比后備式要小;

　　4)市電存在時，輸出電壓穩(wěn)定精度差;

　　5)市電存在時，因為逆變器直接接在輸出端，并且處在熱備份狀況，對輸出電壓尖峰干擾有濾波作用;

　　6)充電器/逆變器共用使電路更簡單，成本低，可靠性高;

　　7)逆變器同時有充電功能，省掉了后備式UPS的附加充電器，其充電能力要比附加充電器強的多，當要求長延時供電時，無須再增加機外充電設(shè)備;

　　此外，業(yè)界還有一種設(shè)計十分獨特的UPS，把交流穩(wěn)壓技術(shù)中的電壓補償原理用到了UPS的主電路中，一般稱之為Dalta變換式UPS。Dalta變換式UPSDeltaUPS 實際相當于一臺串聯(lián)調(diào)控型的交流穩(wěn)壓電源，它的主要功能是對市電進行穩(wěn)壓處理，將原來不穩(wěn)定普通市電電源變成電壓穩(wěn)壓精度為380V+/-1%的交流穩(wěn)壓電源。其控制原理與利用―伺服電機‖來調(diào)節(jié)碳刷的位置來進行―電壓補償‖的―全自動補償方式‖交流穩(wěn)壓電源的控制原理相同。其重大改進是采用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)和利用雙向能量傳遞特性的―四象限‖變換器(Detla 變換器和主輸出變換器)來取代易于產(chǎn)生機械磨損的伺服電機和碳刷調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

　　Delta逆變器(圖中逆變器/充電器)：

　　它是一組DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的輸出變壓器(高頻)的副邊串聯(lián)在UPS主電路中，其功能有三個：

　　1)對UPS輸入端進行輸入功率因數(shù)補償，并抑制輸入電流諧波;

　　2)與主逆變器一起，完成對輸入電壓的補償，當輸入電壓高于輸出電壓額定值時，Delta 逆變器吸收功率，反極性補償輸入輸出電壓的差值，當輸入電壓低于輸出電壓額定值時，Delta逆變器輸出功率，正極性補償輸入輸出電壓的差值;

　　3)與主逆變器一起完成對電池的充電和浮充功能。

　　主逆變器：

　　該逆變器同樣是DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的功能有四個：

　　1)同Delta逆變器一起，完成對輸入輸出電壓差值的補償;

　　2)同Delta逆變器一起完成對電池的充電和電壓浮充功能;

　　3)隨時監(jiān)測輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，對輸出電壓波形失真和輸出電流諧波成份進行補償，使其不對電網(wǎng)產(chǎn)生影響;

　　4)當市電掉電時，全部輸出功率由主逆變器給出，并且保證輸出電壓不間斷，轉(zhuǎn)換時間為零。

　　Dalta變換式UPS的性能特點如下：

　　1)因為主逆變器隨時監(jiān)視控制輸出電壓，并通過Delta逆變器參與主回路電壓的調(diào)整，所以不管市電有無，都可以向負載提供高質(zhì)量的電源，主要電氣指標在穩(wěn)態(tài)時比較好;

　　2)市電掉電時，輸出電壓不受響應(yīng)，沒有轉(zhuǎn)換時間。并且，當負載電流發(fā)生畸變時，也由主逆變器調(diào)整補償?shù)?/span>;

　　3)當市電存在時，Delta逆變器和主逆變器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進行調(diào)整和補償，逆變器承擔的最大功率(當輸入電壓處于上限和下限時)僅為輸出功率的20%(相當于輸入電壓變化范圍)，所以功率強度很小(1/5)，功率余量大，這就大大增強了UPS 的輸出能力;

　　4)Delta逆變器同時完成了對輸入端的功率因數(shù)校正功能，使輸入功率因數(shù)等于1，輸入諧波電流降到3%以下。在市電存在時，由于兩個逆變器承擔的最大功率僅為輸出功率的1/5，所以整機效率據(jù)稱在很大的功率范圍內(nèi)都可達到96%;

　　5)無法對頻率和相位進行補償，因此嚴格說來該型UPS不是VFI(電壓頻率獨立)型供電設(shè)備;

　　6)無法完全隔離市電，從而無法從根本上解決市電上的諧波污染，比如：頻率異常、浪涌、噪聲等，將直接輸入到重要負載;

　　7)該型UPS對穩(wěn)態(tài)的市電異常補償十分精確，但對偶發(fā)的市電異常(比如“瞬態(tài)過壓” 或“頻率突變”)可能會出現(xiàn)嚴重的工作異常;

　　8)電路和控制系統(tǒng)復(fù)雜，工況眾多，可靠性一般。通過分析完上述兩種類型的UPS，可以發(fā)現(xiàn)如果嚴格按照GB 07260.3-2003/ IEC62040-3-1999對UPS類型的定義，雙向變換器式UPS應(yīng)該劃入后備式UPS一類，而Dalta 變換式UPS才是互動式UPS。

　　(3).雙變換式UPS：

　　市電正常供電時，交流輸入經(jīng)AC/DC變換100%轉(zhuǎn)換成直流，一方面給蓄電池充電，另一方面給逆變器供電;逆變器自始至終都處于工作狀態(tài)，將直流電壓經(jīng)DC/AC逆變成交流電壓給用電設(shè)備供電。

　　整流器：交流市電輸入經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流電，給電池的充電，并通過逆變器向負載供電.。

　　逆變器：該逆變器為DC-AC單向逆變，當市電存在時，它由整流器取得功率后再送到輸出端，并保證向負載提供高質(zhì)量的電源;當市電掉電時，由電池通過該逆變器向負載供電。

　　靜態(tài)開關(guān)：正常時處在旁路側(cè)斷開，逆變側(cè)導(dǎo)通狀態(tài);當逆變電路發(fā)生故障，或者當負載受沖擊或故障過載時，逆變器停止輸出，靜態(tài)開關(guān)逆變側(cè)關(guān)閉，旁路側(cè)接通，由電網(wǎng)直接向負載供電。

　　雙變換式UPS的性能特點如下：

　　1)雙變換式UPS具有優(yōu)越的電氣特性：由于采用了AC/DC、DC/AC雙變換設(shè)計，可完全消除來自于市電電網(wǎng)的任何電壓波動、波形畸變、頻率波動及干擾產(chǎn)生的任何影響。

　　2)同其他類型UPS相比，由于該型UPS可以實現(xiàn)對負載的穩(wěn)頻、穩(wěn)壓供電，供電質(zhì)量明顯優(yōu)勢;3)市電掉電時，輸出電壓不受任何影響，沒有轉(zhuǎn)換時間;

　　4)器件、電氣設(shè)計成熟，應(yīng)用廣泛;

　　5)效率同其他類型UPS相比不占優(yōu)勢;

　　6)整流器在工作時會引起輸入電源質(zhì)量變差，因此需要采取諧波治理方案;

　　7)價格相對較高。

   數(shù)據(jù)中心UPS供電

　　UPS應(yīng)用中，通常有五種供電方式：

       1.單機工作供電方案;

       2.熱備份串聯(lián)供電方案;

       3. 直接并機供電方案;

       4. 模塊并聯(lián)供電方案;5.雙母線(2N)供電方案。

      此外，近年來三總線和CatcherBus的供電方案在某些大型數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的建設(shè)中也屢見不鮮。

       1.單機供電方案單機工作供電方案為UPS供電方案中結(jié)構(gòu)最簡單的一種，就是單臺UPS輸出直接接入用電負荷。一般使用于小型網(wǎng)絡(luò)、單獨服務(wù)器、辦公區(qū)等場合;系統(tǒng)由UPS主機和電池系統(tǒng)組成，不需要專門的配電設(shè)計和工程施工，安裝快捷;缺點是可靠性較低。

       2.熱備份串聯(lián)供電方案串聯(lián)備份技術(shù)是一種比較早期、簡單而成熟的技術(shù)，它被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，UPS 串聯(lián)備份的定義是：備機UPS的逆變器輸出直接接到主機的旁路輸入端，在運行中一旦主機逆變器故障時能夠快速切換到旁路，由備機的逆變器輸出供電，保證負載不停電。在各種UPS技術(shù)資料中，串聯(lián)備份的英文為SeriesConfiguration或IsolatedRedundant。在中文里串聯(lián)也有稱熱備份，簡稱串聯(lián)。UPS串聯(lián)的特點是，兩臺UPS均為完整的具有獨立旁路的在線式UPS單機。兩臺UPS除了電源線的連接外不需要其他信號的連接。在正常情況下，主機100%的給負載供電，從機的負載為零。組成串聯(lián)系統(tǒng)的UPS必須具有如下技術(shù)條件：在線式UPS電源，這樣逆變器才能保持和旁路的同步;UPS具有整流器和旁路雙重輸入端;UPS能夠承受100%的負載跳變。

    方案優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便;價格便宜;不同公司，不同功率的UPS也可串聯(lián)。方案缺點：不中斷負載用電的擴容必須帶電操作，十分危險;主從機老化狀態(tài)不一致，從機電池壽命降低;當負載有短路故障時，從機逆變器容易損壞。

      3.直接并機供電方案直接并機供電方案是將多臺同型號、同功率的UPS，通過并機柜、并機模塊或并機板，把輸出端并接而成。目的是為了共同分擔負載功率。其基本原理是：正常情況下，多臺UPS 均由逆變器輸出，平分負載和電流，當一臺UPS故障時，由剩下的UPS承擔全部負載。并聯(lián)冗余的本質(zhì)，是UPS均分負載。實現(xiàn)組網(wǎng)型式多有N+1(N臺工作，一臺冗余)或者M+N((M 臺工作，N臺冗余)。

      要實現(xiàn)并聯(lián)冗余，必須解決以下技術(shù)問題：各UPS逆變器輸出波形保持同相位、同頻率;各UPS逆變器輸出電壓一致;各UPS必須均分負載;UPS故障時能快速脫機。

     方案優(yōu)點：多臺UPS均分負載，可靠性大大提高;擴容相對以前方案方便很多;正常運行均分負載，系統(tǒng)壽命和可維護性大大提高。方案缺點：控制負載;成本增加;在并機輸出側(cè)依然具有單點故障。

     4.模塊并聯(lián)供電方案所謂模塊并聯(lián)供電方案實質(zhì)上就是直接并機供電的解決方案的一種，只不過其具體的實現(xiàn)方式和傳統(tǒng)的直接并機供電方案有所不同：模塊化UPS包括機架、可并聯(lián)功率模塊、可并聯(lián)電池模塊、充電模塊等，見下圖：

　　模塊并聯(lián)供電方案的特點：

　　由機架、UPS功率模塊、電池模塊、配電系統(tǒng)組成;功率模塊配置為N+1冗余，減少了維護時間;共用輸入、輸出、并聯(lián)的電池系統(tǒng)、控制系統(tǒng);

     5.雙母線(2N)供電方案早期應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的UPS供電方案多為單機方案或UPS串/并聯(lián)方案，均存在輸出單點故障瓶頸問題。

       輸出的配電系統(tǒng)，包括開關(guān)跳閘、保險燒毀、電路短路等供電回路故障往往很大程度上影響UPS系統(tǒng)供配電的可靠性：為保證機房UPS供電系統(tǒng)可靠性，2N或2(N+1)的系統(tǒng)開始在中大型數(shù)據(jù)中心中得到了規(guī)模的應(yīng)用，在業(yè)界經(jīng)常也被稱之為雙總線或者雙母線供電系統(tǒng)。2N供電方案由兩套獨立工作的UPS、負載母線同步跟蹤控制器(LBS，LoadBus Synchronization)、一至多臺靜態(tài)切換開關(guān)系統(tǒng)(STS，StaticTransferSwitch)、輸入、輸出配電屏組成。

　　該方案特點如下：UPS2 圖50 2N供電方案母線2

         1)考慮到系統(tǒng)實現(xiàn)的成本，數(shù)據(jù)中心的負載被分為兩類：單電源/三電源負載;雙電源負載。正常工作時，兩套母線系統(tǒng)共同負荷所有的雙電源負載;通過STS的設(shè)置，各自負荷一半的關(guān)鍵的單電源負載。因此，正常工作時兩套母線系統(tǒng)會各自帶有50%的負載;

         2)將其中的一套單機系統(tǒng)作為雙總線系統(tǒng)的一根輸出母線，另外一套單機系統(tǒng)作為雙總線的另一根輸出母線，將兩套母線系統(tǒng)輸出通過同步跟蹤控制器同步起來。負載母線同步跟蹤控制器(LBS)用于雙總線UPS系統(tǒng)中，用來保證兩套UPS輸出系統(tǒng)的同步。如上述雙總線系統(tǒng)圖中，先設(shè)定任意一套UPS并機系統(tǒng)為主機(Master)，LBS同時監(jiān)視兩條母線上的UPS輸出頻率及相位。一旦發(fā)現(xiàn)它們超出同步跟蹤范圍(例如10°，該參數(shù)可調(diào))時，LBS激活，內(nèi)部控制對預(yù)先定義為Master的UPS繼續(xù)跟蹤市電，而另一條母線上的UPS將通過LBS的控制，對Master進行跟蹤，從而實現(xiàn)兩套系統(tǒng)同步。

        3)即使是一套系統(tǒng)完全失效或者需要檢修，雙電源負載因為有一根輸出母線仍然有電所以會繼續(xù)正常工作;而關(guān)鍵的單電源負載會通過STS零切換到另外一根輸出母線也會正常工作。靜態(tài)切換開關(guān)系統(tǒng)(STS)用來為單路電源負載供電切換時使用，單電源負載接在STS輸出端上，STS兩個輸入端分別接在輸入電源1和輸入電源2，當其中一個系統(tǒng)供電母線上的任何設(shè)備或電纜發(fā)生故障或需要維護時，其負載可經(jīng)轉(zhuǎn)換時間1/4周波的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至另一個系統(tǒng)供電。

       4)區(qū)別于以前的供電方案，系統(tǒng)的備份首先帶來的是負載用電的可靠性的顯著提升。除此之外，該方案具有優(yōu)秀的開放性和良好的前瞻性，系統(tǒng)以后的擴容升級和維護也會顯得十分方便。因為任何時候我們均可將其中的一套系統(tǒng)完全下電進行處理去處理維護或者擴容的問題。雙總線系統(tǒng)真正實現(xiàn)了系統(tǒng)的在線維護、在線擴容、在線升級，提供了更大的配電靈活性，滿足了服務(wù)器的雙電源輸入要求。解決了供電回路中的“單點故障”問題，做到了點對點的冗余，極大增加了整個系統(tǒng)的可靠安全性，提高了輸出電源供電系統(tǒng)的“容錯”能力。

       5)該方案建設(shè)成本相對較高，在實際建設(shè)的過程中，需要注意可靠性和經(jīng)濟性的適當權(quán)衡。

     6.三母線供電方案三總線系統(tǒng)是雙總線供電系統(tǒng)的一種變異形式，系統(tǒng)最大安全帶載率可由雙總線系統(tǒng)的50%提升至66%，同時任具備雙總線系統(tǒng)的可靠性等級。這樣基本不損失可靠性的前提之下有效地降低建設(shè)成本。

     7.CatcherBus 供電方案Catcher Bus無需復(fù)雜的開關(guān)裝置，由STS負責供電切換，最大負荷(N-1)/N帶載率從雙總線50%提高到75%-90%,可實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能減排。但相比于雙總線/三總線系統(tǒng)，可靠性有所下降。