大型综合单位UPS电源的选型配置与管理维护

贺建强

1概述

大型综合单位重要部门及机房为了全面改善供电质量，需要—种能够提供高质量、无时间中断的供电交流电源，这就是不间断电源——UPS（UninterruptiblePower Supply）。不间断电源的主要优点，在于它的不间断供电能力。在市电交流输入正常时，UPS把交流电整流成直流电，然后再把直流电逆变成稳定无杂质的交流电，给后级负载使用。一旦市电交流输入异常，比如欠压了或者停电了又或者频率异常了，那么UPS会启用备用能源.蓄电池，UPS的整流电路会关断，相应的，会把蓄电池的直流电逆变成稳定无杂质的交流电，继续给后级负载使用。这就是UPS不间断供电能力的由来。

UPS电源作为保护性电源设备。不仅能够为负载提供连续稳定的电能，而且输出的电源）还非常纯净，没有干扰，是一种高质量的不间断电源系统。它主要服务于计算机、网络系统及重要部门等，在保护重要部门安全、保护计算机数据，改善电能质量，防止停电和电网污染对设备设施造成危害等方面起着很重要的作用。

UPS具有以下发展特点：

（1）高效率、高可靠性

由于IT设备不断增多、用电量加剧、机房面积紧张、低耗节能需求等客观因素的存在，高效率、高可靠性的UPS技术倍受关注。为提高UPS运行效率，高性能电力电子器件不断被研发成功并投入实际应用，如IGBT、MOSFET、GTR、智能功率模块IPM、MOS控制晶闸管MCT等，变流技术也需要随着电力电子器件而更新。此外，业界正逐步推广UPS内部多模块冗余并联运行、甚至多台UPS组成的系统冗余运行技术，在并联运行中，当单一模块或单机发生故障时，其功能则自动转由冗余单元承担，大大提高了UPS供电系统的可靠性。

（2）大功率化、模块化

由于IT行业迅猛发展，数据中心的数据量也在以爆炸式的速度持续增长，随之而来功率消耗增大。UPS一方面朝着更大功率的方向发展，另一方面为应对不间断电源容量分期扩充的需求，产品模块化已是不可阻挡的趋势。更个性化的用户需求、更庞大的数据中心规模及更高的维护成本使得UPS已不再是单纯的不间断供电设备，针对不同行业领域的全套电源供应与管理解决方案才将倍受市场青睐。

行业内针对模块化UPS解决方案基本形成了两个方向：一是单机冗余化，即通过多模块冗余并联构成大功率单相或者三相UPS，其可用性指标得到了质的飞跃；二是全模块化结构，即一个模块是一台完整的UPS，通过冗余并联直接构成中等功率UPS，在兼顾可用性指标的同时还具有良好的性价比。

（3）高频化

相比传统的工频UPS，高频UPS采用功率因数校正和高频软开关技术，省去了工频电能转换环节，因此运行效率更高、对电网的谐波污染及无功消耗极小，完全能够满足国内外相关电力行业的标准要求。此外，高频电能变换装置在减小磁性部件体积和重量、降低制造成本、遏制运行噪音、节能环保等方面效果显著，因此越来越受到用户认可。

（4）数字化、智能化、网络化

数字化技术的优势在当今信息社会中愈加明显。在UPS产品的研发和制造过程中采用全数字化技术可有效缩小产品体积、降低生产成本、提高产品的可靠性及针对用户需求的匹配性；而数字化控制技术则会在UPS系统运行过程中准确及时地进行信号采样、处理、控制（包括电压电流环等）、通信等工作，并将各环节的控制参数优化统一后发送给UPS综合控制单元，从而使UPS系统的运行更具效率，实现更简单、更稳定的通信与均流，并获取优良的电磁兼容指标。智能化主要贯穿于UPS系统的控制、检测与通信过程中，完全由计算机管理。计算机及其外设能自主应付一些可预见的问题，进行自动处理和调整，发出预警、告警信息等。通信设施所处环境日趋复杂，增大了维护难度，对电源设备的网络化监控管理提出了新的要求。网络化技术可通过对UPS配置与计算机互连的软硬件接口，实现计算机网络系统及数据资料的双重保护、网络远程事件记录和监测控制、故障告警、参数自动测试分析等功能，使维护人员更为轻松、安全、高效地通过互联网进行数据查询、控制等维护工作。

（5）绿色、节能、环保

在世界能源格局变化加剧，国际油价剧烈震荡，全球能源供应紧张的形势下，节能环保已成为UPS厂商进行产品技术创新的指导原则。对UPS而言，输入功率因数的高低表明其吸收电网有功功率的能力及对电网影响的程度。降低电源的输入谐波，不但能改善UPS对电网的负载特性，减少给电网带来的严重污染，也能降低对其他网络设备的谐波干扰。已有许多UPS厂商推出的产品功率因数接近1，可最大限度地减少无功功率的消耗。

2UPS的选型及配置

2.1为何选择在线式UPS电源

UPS分类的方法很多，通常按工作方式分类可分为三大类，即离线式、在线式和线上互动式。当今大型综合单位重要部门及机房均选用在线式UPS电源。

在线式是指不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，即逆变电路始终处于工作状态，在线式UPS一般为双变换结构。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换后再供给负载。

这种UPS不间断电源一直使其逆变器处于工作状态，它首先通过电路将外部交流电转变为直流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出给计算机。在线式UPS在供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰，同时对蓄电池充电管理；在停电时则使用备用直流电源（蓄电池组）给逆变器供电。由于逆变器一直在工作，因此不存在切换时间问题，适用于对电源有严格要求的场合。

在线式UPS在市电正常时，由市电.整流.逆变.输出，而市电不正常时，由电池.逆变一输出。因此在线式UPS不管市电是否正常，均通过逆变器变成稳定的正弦波电压对负载供电，从而从根本上消除了市电电网的电压波动和干扰对负载的影响。在线式UPS由市电供电转换成电池供电时的切换时间很短，一般不超过150μs，可以認为是零切换，从而实现了真正意义上的不间断电源，适用于对供电有严格要求的场合。当今在线式UPS均为智能化的UPS，可有效实现对系统的监控及对蓄电池的管理。该UPS电源目前普遍采用，其它类型不在赘述。endprint

2.2在线式UPS电源开、关机应严格按顺序执行

1.正常的开机顺序

由于一般负载在启动瞬间存在冲击电流，而UPS内部功率元件都有一定的安全工作区范围，尽管我们在选用器件时都留有一定的余量，但是过大的冲击电流还是会缩短元器件的使用寿命，甚至造成元器件损坏。因此，在使用时应尽量减小冲击电流带来的损害。

一般UPS在旁路工作时，抗冲击能力较强，我们可以利用这一特点在开机时采用以下方式进行：先送市电给UPS，使其处于旁路工作，再逐个打开负载，先开冲击电流较大的负载，再开冲击电流较小的负载，然后UPS面板开机，使其处于逆变工作状态。开机时千万不能将所有负载同时开启，也不可带载开机。

2.正常的关机顺序

关机顺序如下：先逐个关闭负载，再将UPS面板关机，使UPS处于旁路工作而充电器继续对电池组充电。如果需要将UPS电源完全关闭，则再将输入市电断开即可。

2.3UPS电源功率配置与安全摆放

根据UPS供电安全需求，UPS电源运行要求负载功率不得高于输出功率的80%，最佳负载功率通常为标准功率的30～60%，不宜长期空载使用，禁止超负载使用。大型综合单位选型中可根据单位负载大小及发展情况合理配置UPS电源。大型综合单位由于负载量很大，会采用数台或数十台UPS电源同时供电，设计时应避免UPS主机过于集中摆放，以防一台炸机起火造成连环事故。

3UPS并机系统中是否采用共用蓄电池组

3.1大功率UPS并机系统中共用电池组的优点

目前，在UPS供電机房方案设计中，不少单位在UPS并机系统中提出共用电池组的要求，那么，在并机系统中采用共用电池组有何好处呢，以下均以并机冗余备份为例说明。

在共用电池组并机系统中，假如是UPS1、UPS2两台并机系统，电池组要保证停电供应1h。当市电异常时，电池组分别向UPS1和UPS2的逆变器供电，当市电异常时，而且假设UPS1中的逆变器故障，则此时整个电池组可以保证剩下的UP2的逆变器工作1h。当采用分开电池组工作时，若出现以上问题，只能单台供电，时间只有0.5h，可见供电时间相对电池共用系统少了0.5h，这也就是共用电池组最大且唯一的好处。

3.2大功率UPS并机系统中建议采用电池组分开带载的方案

由于大型综合单位重要部门及机房UPS电源需求负载功率很大，UPS电源多采用多台并机方式。并机系统中有采用共用电池组和不完全共用电池组的方式，经分析认为，在并机系统里采用电池组分开带载的方案是比较合理的。

共用电池组即使用于冗余备份系统中，当一台UPS的整流器故障，尤其是电压失控，则整个电池组将面临灾难性后果，可能因过充电而导致所有电池组报废。那么，一旦停电则整个系统断电，后果不堪设想。既然在方案上已经选择并机系统供电，就是充分考虑到并机系统的安全可靠性。这时，如果在共用电池的使用上出现供电故障问题将得不偿失。因此，建议在并机系统里采用电池组分开带载的方案，保证供电的高可靠性。

4UPS电源及蓄电池的管理与维护

1.日常点检。

日常点检，就是对UPS的各部分配置、运行情况及工作状态进行经常性的检查。通过日常点检和日常点检记录，操作管理人员能随时掌握设备的运行和使用情况，从中发现UPS是否存在故障隐患，如果发现故障隐患，就及时采取措施排除隐患。

2.环境温度。

UPS电源主机对环境温度要求不高，+5℃～40℃都能正常工作，但储能电池则对温度要求较高，标准使用温度为25℃，平时不能超过+15℃～+30℃。温度太低，会使储电池容量下降。温度太高，电池寿命会降低。每升高10℃，电池的寿命就要缩短一半。达不到规定的环境要求，其寿命的长短就有很大的差异。另外，环境温度的提高，会导致电池内部化学活性增强，从而产生大量的热能，又会反过来促使周围环境温度升高，这种恶性循环，会加速缩短电池的寿命。

3.清洁保养。

UPS电源在正常使用情况下，主机的维护工作很少，主要是防尘和定期除尘。一般每季度应彻底清洁一次。

4.蓄电池的保养与维护。

对蓄电池的保养与维护应包括定时对蓄电池的端电压、内阻等进行适时检测，以使异常和故障的蓄电池被及时发现和处理。平时的保养与维护要保持蓄电池及其周围的清洁、干燥，不宜用具有腐蚀性的有机溶剂去清洗，以免蓄电池产生操作损伤、裂纹或损坏。

5.安全操作。

最后要强调的是，在定期维护中，一定要注意安全操作，坚决要杜绝触电事故和电池短路引起的爆炸。

5结语

保证任何情况下的正常供电，是安全运行的重要基础。因此，除市电电网正常供电外，大型综合单位重要部门及机房必需配备UPS电源及蓄电池组。而正确配置、安全使用、保养维护UPS电源及蓄电池组，可以延长UPS电源的使用寿命，提高供电的可靠性和稳定性，给我们的提供—个放心的使用环境。endprint