小功率UPS供电可靠性浅析

艾默生网络能源西安有限责任公司 罗建震 王生范 沈宝山

小功率UPS供电可靠性浅析

艾默生网络能源西安有限责任公司 罗建震 王生范 沈宝山

小功率UPS作为一种重要的电源设备，需要不断地提高设备本身的可靠性，改善输入电流和输出电压波形的质量。随着电力电子技术、控制技术与微处理器技术的飞速发展，人们对小功率UPS的供电可靠性提出了更高的要求。本文介绍了小功率UPS常见的各种不同的供电方案与结构。以框图形式形象地介绍了各种不同供电方案的系统组成。首先阐述了UPS输入工作的可靠性，其次介绍了UPS单机输出不同供电方案的结构和原理，最后分析了UPS并机输出时的供电结构和原理。

UPS；并机；可靠性

0 引言

随着科学技术的发展，一些重要场合对电网供电质量、稳定性和连续性的要求不断提高，于是不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）应运而生。它是连接电网与用电设备的桥梁，是减小电网负荷、降低电网污染、改善供电质量且当电网供电出现故障时，能为用电设备提供不间断电能的一种电力电子电源设备[1]。

近年来，随着用电设备对供电电源性能和可靠性的要求不断提高，UPS得到了广泛应用，并发挥着越来越重要的作用[1]。

如今，计算机技术、信息技术和电力电子技术快速发展，促使UPS广泛应用于金融、政府、工矿企业、电信、国防、医院、互联网以及学校等众多领域，遍及信息处理和应用的各个环节，起着至关重要的作用。供电电源的质量好坏直接影响到用电设备的可靠性，电源不稳定或中断都可能造成无法挽回的重大损失，尤其在一些特殊行业中甚至会影响生命安全。因此，UPS电源的稳定性以及供电质量成为人们关注的焦点[1]。

UPS可以分为后备式UPS、在线互动式UPS、双变换在线式UPS和Delta变换式UPS[1]。

图1 UPS原理框图

目前市场上应用较为广泛的为双变换在线式UPS，其原理框图如图1所示。主要由整流器、逆变器、充电器、蓄电池、转换开关等部分组成，工作方式有[1]：

（1）当市电正常时，市电经整流器转换为直流电，然后经逆变器转换成期望幅值和频率的交流电，提供给负载。市电经充电器给蓄电池组充电。这是UPS的主要的工作模式。

（2）当市电异常而蓄电池电量充足时，由蓄电池给逆变器供电，然后再提供给负载。

（3）当逆变器未开启或发生故障时，市电经旁路给负载供电。

（4）当UPS维修时，市电经维修旁路为负载提供电能[1]。

本文所述小功率UPS，是指功率不超过20kVA的UPS产品。

1 小功率UPS输入供电可靠性

由图1可以看出，UPS输入供电来源有交流输入电网和蓄电池组。当交流输入电网正常时，由交流输入电网经过整流器变换为直流母线电压，作为逆变器的输入源。当交流输入电网发生故障或者无法提供足够的能量时，UPS的输入源由交流输入电网切换至蓄电池组供电。蓄电池组经过放电器转换为直流母线电压，作为逆变器的输入源。实现UPS继续为负载供电的功能，保证负载的不间断运行。

当交流输入电网故障清除，则UPS的输入源由蓄电池组再回切到交流输入电网。然后，充电器开始为蓄电池组充电。

小功率UPS前级的交流输入电网也可能是发电机。由于发电机容量有限，当UPS输出带负载从蓄电池组供电切换至发电机供电时，可能会对发电机造成冲击，严重时，可能导致发电机自保护关机。此时，由于发电机无法给UPS供电，则UPS会切换到蓄电池组供电。由于蓄电池组供电能力有限，导致UPS系统供电可靠性降低。

为了提高UPS输入供电可靠性，可以在UPS从蓄电池组模式切换发电机模式过程中，加入Power walk-in功能，即，UPS从蓄电池组模式向发电机模式切换并非瞬间完成。具有Power walk-in功能后，当UPS需要从蓄电池组模式向发电机模式切换时，蓄电池组的输出电流由承担全部负载的最大值缓慢、线性下降，同时，发电机的输出电流由0缓慢、线性上升。直到蓄电池组的电流下降到0，则全部负载由发电机承担。在Power walk-in过程中，蓄电池组和发电机同时向UPS供电，二者共同负担UPS负载。

借助于Power walk-in功能，避免了UPS从蓄电池组切换到发电机时，对发电机造成的冲击，从而提高了UPS输入切换的可靠性，提高了UPS整机系统的供电可靠性。

针对Power walk-in功能，在一款UPS产品上进行了调试和验证，UPS从蓄电池组模式切换到交流输入电网过程波形如下图2所示。

图2 UPS执行Power walk-in实验波形

以上图2中波形说明：下方深色波形为蓄电池组放电电流波形，波形正中浅色喇叭状放大波形为交流电网输入电流波形。从以上图2可以明显看出，具有Power walk-in功能后，UPS从蓄电池组模式向交流电网输入切换时，蓄电池和交流输入电网同时为直流母线供电。切换过程中，蓄电池组提供的电能线性下降，而交流电网提供的电能线性上升。直到蓄电池组提供电能下降为0，则直流母线全部由交流电网输入提供电能。

关于小功率UPS供电方案中的电池供电环节的说明在上文第1节中介绍和说明。下文重点阐述和介绍UPS输出供电方案，不再赘述电池供电环节。

2 小功率UPS单机输出供电可靠性

UPS单机供电结构为最简单的一种供电方案，一般常见于小型网络、单独服务器和办公区域等场合。该供电方案的配电设计和工程施工比较简单，但可靠性较低[3]。

2.1 旁路备份逆变器

当UPS逆变器正常时，由逆变器将直流母线电压变换为高质量的期望幅值和频率的交流电压输出，为关键负载提供优质和可靠的电力供应。当逆变器发生故障或者过载等工况时，通过合理操作UPS的输出开关，实现UPS输出由逆变器及时切换到旁路模式。由UPS旁路继续为负载提供电能，实现负载的不间断运行。

当逆变器的故障消除，则UPS输出由旁路供电模式回切至逆变供电，从而继续为负载提供优质的电能供应。

为了提高UPS输出切换的可靠性，当UPS的旁路电压正常时，则逆变器输出电压的相位跟踪旁路电压相位。当逆变电压相位与旁路电压相位相同时，则UPS的输出可以实现在旁路和逆变器之间自然无缝切换。因为旁路电压和逆变电压的相位一致，则同一时刻，旁路电压和逆变电压的压差较小。此举提高了UPS输出切换过程的安全性和可靠性。

如果UPS的旁路电压异常，则UPS的逆变电压相位与旁路电压相位不一致。此时，可以设计UPS的输出电压切换时刻发生在电压过零点附近。因为交流电压在过零点附件时的电压幅值较小，那么，UPS输出电压在过零点附近切换时，冲击电流较小，则UPS的输出切换动作也比较安全。

2.2 维修旁路

如图1所示，在小功率UPS的旁路之外，配备有维修旁路。维修旁路是为了方便技术支持人员在线维修UPS而设计。当UPS内部发生较为严重的故障，需要在线接触UPS内部的带电器件，同时，需要保证负载继续运行。此时，可以下发UPS切维修旁路命令，则负载全部由UPS的维修旁路进行供电。此时，交流电网输入经过UPS的维修旁路，给负载供电。在此供电模式下，UPS内部所有部件全部被旁路，即UPS内部完全不带电。此时，技术支持人员可以在线安全地拆除、更换和测量UPS内部的器件。

2.3 热备份串联供电

为了提高小功率UPS供电可靠性，在单台UPS供电方案的基础上，出现了“热备份串联供电”方案，该供电方案原理图如图3所示。

图3 小功率UPS热备份串联供电方案原理

该供电方案在单台UPS供电框架基础上，再增加一台UPS，分别称为主机和从机，如图3所示。主机和从机均为完整的UPS单机，主机和从机的输入均为交流电网输入。从机的旁路输入也接交流电网输入，但是，主机的旁路接从机的逆变器输出。

当主机正常时，全部负载由主机的逆变器输出提供电能。从机的逆变器开启，但其输出未接负载，其输出接主机的旁路。一旦，主机逆变器发生故障，则主机输出将切换到旁路供电。而主机的旁路为从机的逆变器输出，实现了为负载的不间断供电。由于主机切旁路供电时，旁路电压为从机的逆变器输出电压，故此时不仅为负载提供了不间断的电能，而且提供了优质的电能。

当从机的逆变器也发生故障时，则从机输出由逆变器切换至旁路供电。此时，负载由旁路电压供电，继续保证负载的不间断运行。

2.4 双母线供电系统

双母线供电方案结构图如图4所示。供电系统由两台相同型号和容量的UPS组成。两台UPS的输入可以接同一交流电网，也支持接不同的交流电网。两台UPS的输出均连接到静态切换开关（Static Transfer Switch，STS）或者自动切换开关（Automatic Transfer Switch，ATS），切换开关输出接负载。

两台UPS之间连接有LBS（Load Bus Synchronization）通信线缆，该线缆中包含两台UPS的输出电压同步信号，用来实现两台UPS的输出电压同步。

图4 双母线供电方案结构

在双母线系统供电之前，需要设置其中一台UPS为主机，另外一台UPS为从机[2]。主机优先给负载供电，从机处于备份等待状态。一旦主机输出侧发生故障，导致无法正常为负载提供电能时。由于LBS线缆保证了主机和从机输出电压的同步，则STS或ATS可以将负载由主机不间断地切换到从机，实现负载的不间断运行，提高了供电的可靠性。

双母线供电方案中，虽然存在两台UPS，但每台UPS均运行在单机供电状态。同一时刻，只有一台UPS承担全部负载，另外一台机器处于空载运行状态[4]。

3 小功率UPS并机输出供电可靠性

目前，大容量、高可靠性是UPS系统的发展方向，而UPS并联技术是满足该发展趋势的关键技术。这是由于UPS并联系统不仅使系统的扩容成为可能，而且其冗余工作模式提高了整个系统供电的可靠性。

小功率UPS的并机方案有塔式并机、机架式并机和模块化并机等。塔式并机方案出现较早，随着UPS并机供电方案的不断发展和完善，逐渐演变为机架式并机。塔式并机方案和机架式并机方案从供电结构和维护角度来看，二者基本类似。故本文将塔式并机方案和机架式并机方案均称为直接并机供电方案。

3.1 直接并机供电

直接并机供电方案结构图如图5所示，该供电结构图表面上与图4类似，但UPS具体的运行行为与状态则完全不同。

图5 两台UPS直接并机供电方案结构

该供电方案由两台及以上相同型号和容量的UPS组成，图5以两台UPS并机为例，绘制出UPS直接并机供电方案结构图。

在UPS直接并机供电方案中，各台UPS主路和旁路输入均接交流电网输入，各台UPS的输出通过功率输出分配模块（Power Output Distribution，POD）或者功率分配单元（Power Distribution Unit，PDU）并联在一起，共同为负载提供电能。并联系统中各台UPS均分负载能量。

如图5所示，该供电方案中，各台UPS输出端除了功率电缆，还需要连接并机线缆。通过并机线缆实现各台UPS的稳定并联运行，以及实现各台UPS均分负载[5]。

当供电系统中的某一台或几台UPS故障时，故障的机器可以自动退出并机系统，由剩余的UPS继续均分负载，实现负载的继续、可靠运行。

该供电方案使得供电系统扩容成为可能。随着用电负荷的增大，如果先前的供电系统难以承受当前的负载。此时，可以通过增加一台或多台UPS，新增的UPS以并联的形式加入到先前的供电系统中，从而实现供电系统的扩容运行。

3.2 模块化并联供电

随着小功率UPS并机技术的不断发展，以及小功率UPS应用场合的不断拓展，UPS的并联方式出现了模块化并联的形式。模块化并联的优势在于：实现UPS模块在线热插拔，使得UPS模块在线加入和退出并联供电系统成为现实。

模块化并联供电方案的出现，极大方便了UPS模块的维修、更换和扩容。使得UPS的维修、更换和扩容无需更改UPS的供电状态。在提高UPS维护效率的同时，提高了供电系统的可靠性。

模块化并联供电方案极大提高了UPS供电系统的可靠性，模块化并联供电结构图如图6所示。

图6 模块化并联UPS供电方案结构图

模块化并联UPS供电系统由若干个功率模块、若干个电池模块、若干个充电器模块、集中旁路和输出切换开关组成。各模块之间的能量流向如图6所示。

模块化并联UPS供电方案不仅实现了功率模块的在线热插拔更换，同时也实现了电池模块和充电器模块的在线热插拔更换。该供电方案极大提升了功率扩容、电池扩容和充电器扩容操作的可靠性和效率。

4 结论

文章阐述了小功率UPS的输入供电结构，分析了该供电结构对小功率UPS输入供电可靠性的提升原理。详细介绍了小功率UPS单机输出方式下，各种不同的供电方案，以及不同供电结构的供电可靠性。最后分析了UPS不同并联方式的工作原理及系统结构。基于本文，针对不同的小功率UPS应用场合与工况，可以有针对性地选择最优的供电方案与结构。实现为负载提供更为可靠和优质的电能供应。

[1]杨茜．UPS逆变器控制系统及并机CAN总线通信研究[D]．合肥:合肥工业大学,2015．

[2]何鹏,杨智慧,韩博．试析常见大容量UPS的冗余配置方案与选择[J]．中国化工贸易,2014,6(17):130．

[3]朱利伟,曹博．电子信息系统UPS冗余设计与供电可靠性问题[J]．电气应用,2009,28(18):30-37．

[4]张生铖．关于UPS电源双母线方案的探讨[J]．自动化技术与应用,2012,31(4):99-103．

[5]王奇,王锋,周东朋,百晓磊．提升UPS运行可靠性的方法探索与分析[C]．成都:第四届全国特种电源技术学术交流会论文集,2012:250-254．

Reliability Analysis of Small Power UPS Power Supply

Luo Jianzhen Wang shengfan Shenbaoshan
（Emerson Network Power（Xi’an）Co.，Ltd，Xi’an，Shaanxi 710075）

Small power UPS as an important power supply equipment，need to continue to improve the reliability of the device itself，improve the input current and output voltage waveform quality.With the rapid development of power electronics technology，control technology and microprocessor technology，people put the higher power UPS power supply reliability put forward higher requirements.This article describes the different power supply schemes and structures common to small power UPS.The system components of various power supply schemes are presented in a block diagram form.Firstly，the reliability of UPS input operation is described.Secondly，the structure and principle of UPS power supply scheme are introduced. Finally，the power supply structure and principle of UPS parallel output are analyzed.

UPS；parallel；reliability

罗建震（1982—），男，陕西延安人，工学硕士，主要研究方向为电力电子变换器控制技术研究。