UPS电源技术系统供电

在下列情况下应设计并采用交流不间断电源系统供电： 　(1)对供电可靠性要求较高，采用备用电源自动投人方式或柴油发电机组应急自启动方式等仍不能满足要求时。 　(2)一般稳压稳频设备不能满足要求时。 　(3)需要保证顺序断电安全停机时。 　(4)电子计算机系统实时控制时。 　(5)电子计算机系统联网运行时。 　计算机设备对电源要求质量较高，不仅要求采用不间断供电系统，而且要求电源电压波动在一定范围以内才能正常工作。网络数据传输设备要求电源电压的波动在±5%以内。

ups是一种高质量、高可靠性的独立电源，是一种蓄电池静止型不间断供电装置。它由整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组组成。平时，市电经整流器变为直流对蓄电池浮充电，同时经逆变器输出高质量的交流净化电源供重要负载，使其不受市电的电压、频率、谐波干扰。当市电因故停电时，系统自动切换到蓄电池组，蓄电池放电，经逆变器对重要负荷供电。 　ups的不间断特性体其"同步切换"工作程序上，当市电与逆变器进行切换时，其控制系统会适时地检测市电的同步范围，在市电不超限时，逆变器实现"先通后断"的供电，从而保证了供电系统的"无间断切换"。 　市场上的ups产品，其容量规格大致有0.25、0.4、0.6、1、2、3、4、5、10、15、20、40、60、80、100、120、160、200、300、400、500、600、800、1000kv

1．分布冗余UPS的特点

（1）可维性和故障容限高

分布冗余UPS系统的可维性和故障容限与单机UPS、隔离UPS、并联冗余UPS相比，有了很大的改进。用户可以将所有的负载都转换到一个UPS供电的母线上，而另一个UPS及相关的开关、配电设备都可以脱离系统，进行维护。也就是说，用户可以进行积极的维护工作，而不需要将重要负载转换至旁路电源。因此，分布冗余UPS系统具有连续的可用性。

（2）系统简单

分布冗余UPS系统比并联冗余或隔离冗余UPS简单、经济，最普通的方法是从两个单机UPS和一个LBS开始，构成双母线“2N”UPS系统，不需要系统级的控制柜或开关设备。甚至对于每个分UPS系统也不需要维修旁路柜，因为每个UPS系统都可以作为另一个UPS的旁路。分布冗余UPS系统也是可扩展的，对于较大容量的应用场合，每个分UPS系统都可以采用常规的并联冗余UPS系统（为提高可用性并联，或为增加容量并联）。

（3）可靠性高

由于分布冗余UPS系统的简单性，它比隔离冗余UPS更可靠。冗余是并联的，不是串联的。由于有两个配电网络和下游静态开关，关键负载设备（包括双电源输入负载和单电源输入负载）具有双电源设备的功能。采用分布冗余UPS，对于负责定期进行预防性维护的人员而言，其承担的风险减小了。最重要的是，两个配电网络的独立性保证了一个母线的故障不会扩展到另一个母线上。正常的负载仍然可以由正常的UPS和配电系统供电。

2．分布冗余UPS的负载母线同步

（1）分布冗余UPS的负载母线同步的概念

除非所有的负载设备都是双电源负载，分布冗余UPS必须进行负载母线同步。即构成双母线UPS系统的两个独立的UPS系统输出必须同步运行。因为双电源负载的一个电源故障时，负载仍能正常运行，故不需要进行电源的转换。因此，如果双母线UPS系统的负载全部是双电源负载，两个母线上的UPS可以不同步运行。然而，如果配电系统中还存在单电源设备，则必须进行同步。因为当一个UPS电源故障时必须经STS进行电源转换。为了保证不间断转换，两个UPS系统的输出必须保持同步运行，以避免两者之间进行非同步时的间断转换，造成负载断电。实现这个要求的技术是采用“负载母线同步LBS（LoadBusSync）”控制器。LBS可以使两个UPS输出电压保持出同步，甚至旁路电源不可用时或UPS工作于蓄电池时，使两个UPS输出电压的频率和相角相同或相差甚小。

（2）分布冗余UPS负载母线同步（LBS）的重要性

LBS可以使两个独立的UPS系统保持同步，甚至于当它们的输入电源不同时。任何UPS都是同步于其旁路电源，只要两个UPS连接到同一个旁路电源上，在正常情况下，它们就会自动地同步运行。然而，如果UPS工作于蓄电池、不同的备用发动机组或者是非同步的旁路电源，它们的输出电压将不会同步。LBS由一个在UPS上的接口板和一个小的墙挂式带有简单的选择开关的控制板组成。每个UPS的逻辑和控制器之间无其他任何连接，这就保证了系统的最大的独立性和隔离。LBS可以用于同步同一厂家的两个UPS，也可用于同步不同厂家的两个UPS。有的LBS还可用来同步3个或多个UPS。LBS有主动LBS和被动LBS两种，实际应用中被动LBS应用较多。

（3）采用单变换UPS系统的双母线UPS的负载母线同步

具有分布冗余UPS功能的UPS系统中的各个分UPS模块必须在任何情况下都能相互同步，甚至在各UPS模块工作于独立的蓄电池或非同步的备用发动机时。只有双变换UPS可以做到这一点（双变换UPS有变频的功能）。

单变换UPS（IEC定义为line-interactive）（包括Delta变换UPS）只能同步到为其供电的输入电源上，不能在由一个AC电源供电时，而同步于另一个AC电源（或同步到另一个UPS电源，或由晶振产生的同步信号）。单变换UPS无变频的功能。当采用Delta变换UPS构成双母线供电系统时，如果各Delta变换UPS的交流输入是两路独立的市电电源，则在正常情况下，一台UPS不能同步到另一台UPS的输出。

采用Delta变换UPS构成分布冗余UPS时，必须采用同一路市电或同一台油机，或者保证所有UPS上游的交流输入电源同步（油机和市电），才能保证在市电或油机供电时，双母线上的两个UPS输出同步。另一方面，必须采用系统间同步单元（ISU），才能保证在蓄电池供电时，双母线上的两个UPS输出同步。

3．采用静态自动母联电路（SAT）的双母线UPS系统

在有单电源负载和双电源负载的双母线UPS供电系统中，可以采用静态自动母联电路（staticautotie，SAT），原来为单电源负载供电的所有静态转换开关（STS）和末端转换开关均可以取消。而单电源负载保护电源的可用性将大大提高。

在常规双母线UPS系统中STS中的两个静态开关SS中的一个必须在全部时间内导通，而采用SAT的双母线系统中的一个SS除了在转换过程中导通外是不导通的，因而提高了系统的效率和可靠性。如果其中一个UPS发生故障，SAT将配电母线转换到另一个UPS，配电系统的双母线结构仍然保留。转换后的配电系统是SAT和一个并联冗余UPS的串联组合。

4．双母线UPS系统主输入和旁路输入交流电源的选择

（1）双母线UPS系统的LBS的作用

双母线UPS系统的LBS可以保证连接到负载母线的两个UPS电源同步运行。如果两个UPS的旁路电源是同一路市电电源，两个UPS输出必然同步，此时LBS不起作用。如果两个UPS的旁路电源不是同一路市电电源，而是两路市电电源或是两个独立的油机发电机，LBS将使UPS1同步到UPS2（可调，也可能是UPS2同步到UPS1）。在此情况下，LBS将使UPS1内的旁路静态开关关闭，假如UPS1有故障也不能转向旁路（因为UPS1与其本身的旁路电源不同步）。但配电电路中的STS可以转换，负载不会断电。同步于其本身旁路的UPS在故障时可以转旁路。

注：假设UPS1同步到UPS2的过程中，发现UPS1已在旁路上，则LBS将自动将UPS2同步到UPS1。

（2）UPS的主输入电源和旁路输入电源的选择原则

综上所述，假设采用被动LBS，UPS的主输入电源和旁路输入电源选择的原则是：

1）UPS1、UPS2的旁路输入电源最好采用同一路市电电源（同一变压器，或高压输入相同且接线组别相同的两个变压器）。因旁路是引自同一个变压器，或引入一路高压输入电源的局（站）的两个接线组别相同的变压器，故可以保证在正常情况下，LBS不起作用，而两UPS可以自然同步。

2）UPS1，UPS2的主输入电源的采用没有限制（包含两种情况：与旁路电源相同或不同的电源）。但要考虑如果一路市电电源故障或一个变压器故障，另一路市电或另一个变压器可以继续供电，保证重要负载不会断电。

（3）工程设计中UPS输入电源设计方案

按以上原则，UPS输入电源可以采用如下方案：

1）UPS1和UPS2的主输入、旁路输入采用同一路市电（同一个变压器）。此方案也可保证平时LBS不起作用，而两个UPS可以自然同步。但此变压器故障时将会影响两个UPS。

2）UPS1的主输入和旁路输入采用一路电源（同一个变压器）；UPS2的主输入和旁路采用同一路电源（另一变压器）。两个变压器的高压侧为同一电源且变压器的组别相同时，可保证平时LBS不起作用而两个UPS可以自然同步。而且，一台变压器检修时，仍有一台UPS的主输入和旁路输入电源正常，故总有一台UPS可以正常使用。

5．双母线UPS系统的AC配电电路

（1）配电电路的重要性

高可用性电源系统要求可靠性、功能性、可维性和故障容限。UPS和负载设备之间的AC配电将最终决定可维性和故障容限指标。实际运行的经验表明，与电源有关的80%的停机故障是由UPS和关键负载之间的电路中断引起的。人为操作错误、设备故障、负载故障、短路和各种特殊事件都会引起电源系统故障。设备总会出现故障，人为操作错误总会发生。因此，正确选择UPS向关键负载设备配电的方法，妥善设计配电电路是非常重要的。

（2）双电源负载的配电电路

具有双电源线的负载，只要有任何一个电源线供电，该负载就可以正常运行。双电源负载的每个机柜或机架都由来自两个独立的UPS电源供电，可以直接从UPS通过PDU到负载设备（服务器）。也可在PDU和服务器之间增加RDC（远端配电箱），以简化分支电路的布线。双电源负载的供电不需要转换开关，故不需要LBS。但是，考虑到后期可能增加单电源负载，故建议采用（LBS）。这种配电电路结构可以获得连续的可用性。冗余可以扩展到每个负载设备的输入端。任何一个UPS系统（及其所连接的PDU和RDC）都可以完全断电进行维护，不会影响关键负载。配电单元（PDU）由输入隔离变压器、一个或多个配电板组件和电源监控设备的组成。

远端配电柜（RDC）包括体积很小的配电板组件和电源监控设备。典型的RDC设计为适合标准的活动地板盖板。RDC不包括输入隔离变压器，它接受PDU中的断路器的电源。RDC可以配置为单输入（所有的配电板由同一个电源供电）、双输入（由独立的电源供电）或4输入。

当使用PDU变压器为STS供电时，两个变压器的中性线是有意的在一点连接在一起的，并进行中线对地的连接。这保证了STS进行转换时不会产生地电位的偏移或引起中线电流在接地电路中流动（这有可能引起接地故障保护系统动作）。

大多数局站都有多个配电单元，每个都有一个或两个PDU变压器。每个PDU将有一个中线对地的连接，PDU的地将固定接在大楼的接地系统。这保证了每个PDU都为其所连接的设备提供了一个干净的中线和地线的基准点。

（3）采用静态开关的单电源负载配电系统

1）配电系统的组成

有些服务器是单电源输入的，因此电源系统设计者必须采取适当的方法保证可维护性和故障容限。STS由两个PDU变压器供电。STS的输出供给各个远端配电柜（箱）（RDC），RDC为各个单个的机架或机柜供电。LBS使两个UPS系统的输出保持同步，因此负载可以在它们之间不间断的转换。

当需要维护UPS1及其PDU时，STS可以手动转换到UPS2及其PDU。于是UPS1及其PDU可以完全断电进行维护。UPS2及其PDU可以同样进行维护。此外，如果一个UPS有故障，STS可以自动在它们之间转换。这个配电电路的缺点是：冗余在STS的输入端终止，STS下游的所有故障都是单点故障。

2）STS的安装位置

在图1中，静态转换开关放在一对PDU变压器输出的后面。也可以将STS用在单个PDU变压器的输入的前面，这样成本会低一些，但存在变压器磁化浪涌电流的问题。PDU变压器在启动时有磁化电流浪涌，这种浪涌电流可能达到稳态负载电流的8倍，如果输入到变压器的电压短时下降（足以使STS转换到其他的UPS），在STS完成转换时，变压器就需要重新磁化。对于大容量UPS，这可能不是问题。但是，如果多个STS同时进行从一个UPS向另一个UPS转换，则变压器激磁浪涌电流就可能成为一个问题。

因此，静态转换开关还是放在一对PDU变压器输出的后面好。

（4）采用“末端转换开关”的单电源负载配电系统

将冗余扩展到更接近负载设备的一个方法是采用“末端转换开关”的配电系统。“末端转换开关”是专门用于单个配电箱的智能开关（smartswitch），这些智能开关可以安装在活动地板下面或在负载设备的机架内。

采用智能开关可以使单电源负载设备和双线负载设备同时安装在同一个机箱内。两种类型的设备截止至其输入端子都具有冗余，因此具有最大的可维护性和故障容限。智能开关与STS不同，STS采用可控硅作为转换装置，而智能开关采用继电器。这种方法的一个优点是具有较大的灵活性。系统设计者可以按全部是双电源负载规划和布线，并将双电源线布放到每一个配电箱，因此双电源负载可以接入。单个的配电箱和智能开关也可以按照双电源负载的要求配置。这种配电系统需要LBS，以使每个UPS系统输出保持同步。

（5）高可用性的双母线UPS配电系统

在双母线UPS供电系统中，RDC的每个输入采用不同的STS供电。这些STS应使用不同的UPS系统作为它们的首选电源。这将避免100%的负载在一个电源上，而0%的负载在另一个电源上，因而抵消了冗余的优点的情况。

这种结构的硬件成本比其他的结构高些，因为需要额外的PDU变压器和附加的静态转换开关。但整个电源系统完全可以维护，一直到负载设备和智能开关的输入端。