对提高UPS供电可靠性技术的思考1

对提高UPS供电可靠性技术的思考唐从福何涛罗志勇赤天化股份有限公司（贵州赤水邮编564707）摘要UPS的使用已取得共识，就其重要性得以体现，但如何更进一步提高它的安全可靠性值得引起更进一步的思考，在文中提出几套提高UPS可靠性的思路供大家同行选型时参考。关键词UPS在线式后备式互动式旁路主从备份输出主从备份冗余并联供电UPS是我公司乃至于全国各重要部门供电必不可少的设备之一。全国由于供电的紧张缺失，导致大面积的拉闸限电，严重限制了数字化建设的步伐和质量。例如，很多工厂由于限电无法全速运转，户外的无线通信业务由于停电无法正常运行，金融信息网络系统由于电网质量导致数据传输变慢、异常或部分停业，部门信息化建设工作由于停电不得不延期等等，这一切说明电力系统的供电质量和可靠性对于数字化建设起到至关重要的作用。因此，系统工程师在做数字化系统设计时必须充分考虑电源系统的可靠性。目前比较可靠的方法就是采用高质量的不间断电源UPS。UPS在电网正常时能够给各类信息化设备提供高质量的交流电源，在电网异常时能够将后备电池组的直流能量转化为稳定的交流电源供给负载设备使用，并且在电网掉电过程中可以保证输出没有“间断”，确保信息设备的安全运行。大量的现场运行数据和理论分析也表明，引进UPS电源除了可以解决上述的交流供电中断的影响外，还可以消除正常交流电网供电中的各种高频杂波、电压浪涌、陷落、瞬间断电等电力干扰对信息设备的危害，保证信息网络时刻安全运行。我公司UPS承载着对合成、尿素DCS装置及现场部分重要仪表的供电重任，它的任何闪失，均会对生产造成极大的损失，其重要性不可替代。可见，为了保证数字化建设的顺利进行，采用高可靠的UPS供电方案是最为有效的、高可靠的电源解决方案。本文将先介绍一下UPS的相关基本知识，然后就几种提高UPS供电可靠性的系统技术方案，谨供系统工程师做电源方案设计时参考。一、不间断电源UPS的相关知识1．UPS具有以下功能：①电网电压正常时，除了输出纯净、稳定且连续不间断的交流电源外，还可以对电池进行充电，储存后备能量。②在电网异常时(欠压、过压、掉电、干扰等)利用电池组的能量对用电设备提供不间断的交流输出，“不间断”一般指输出电压波形为零的时间不大于10ms。因而，UPS可以保证计算机等信息设备即使是在恶劣的电网条件下也能安全正常运行。图1、交流电网电压陷落陷落正常值图2、交流电网过压图3、交流电网断电图4、交流电网杂讯2．UPS的分类及主要特点从UPS技术特点来看，UPS的分类一般以输出逆变器工作方式来区分，通常可分为后备式、在线式两大类型。近年来也有将后备式电源中的一个特例独立出来，称之为在线互动式，但严格来说，仍然是后备式一类。(1)在线式UPS：A、输出电压稳定性好3%B、波形失真度小THD3%C、零中断D、输入、输出能量形式全隔离旁路开关输出市电EMI滤波逆变器整流器电池图5、在线式UPS原理框图(2)后备式UPS：A、电网正常时的整机效率高95%B、电网正常时无噪音C、切换时间10msD、价格较低逆变器电池充电器交流稳压切换开关EMI滤波市电输出图6、后备式UPS原理框图(3)互动式UPS：具备与后备式电源相同的特点，并且将充电器和逆变器有效合并成为一体双向逆变过压断电器，虽然减少了系统的成本，但增加了一定的控制难度。输出市电EMI滤波切换开关交流稳压电池双向逆变器图7、在线互动式UPS原理框图我公司UPS是图5的改进型（型号为爱克赛BPⅢ80KVAUPS）。原理框图如下：旁路开关输出逆变器整流器电池贵州电川电川1电从1997年7月引进并使用此项技术，在其外部引入ATS电源切换以来，UPS外部可靠性大大提升，使用情况良好。但是否还有提升的空间呢？答案是肯定的，有（当出现逆变器故障时）。二、提高UPS电源供电可靠性的参考解决方案从上面的原理框图可以得知，UPS本身已经具备了双路的电源供电备份，具备较高的系统可靠性，可以满足一般信息设备对电源可靠性的要求。但是随着近年来信息数据几何倍数的快速增长和高度重要性，在某些特别重要的场合，单一的UPS供电已经无法满足客户对电源可靠性的要求了，必须有更好的电源供电方案来确保这些重要数据及网络的安全。所以，本文针对在冗余并机技术上的应用进行分析与拓展。以下介绍三种在工程应用中可以十分有效提高可靠性的方案：串联备份供电方式、输出主从备份方式、冗余并联备份供电方式。上述三种供电方案的改进将以数量级的效果提高电源系统的可靠度，在工程应用中基本上可以达到真正意义上的零电源故障。因此，用户在进行高可靠供电系统设计时，可以根据负载的供电要求选择合适的高可靠供电方案，实现供电系统的安全与可靠。1.旁路主从备份供电方式：旁路开关市电逆变器整流器电池电池整流器逆变器市电输出旁路开关UPS2UPS1负载如上图所示，对于在线式工作模式的两台UPS，备机(UPS2)的输出作为主机(UPS1)的旁路备份输入，这样当主机的主逆变器输出故障转到旁路时，负载仍然处于备机UPS双备份供电模式的可靠保护下。2.输出主从备份方式：冗余转换器UPS1UPS2旁路开关市电逆变器整流器电池电池整流器逆变器市电负载旁路开关如上图所示，以在线式UPS为例，两台UPS或逆变器的输出同时送到冗余转换器，经冗余转换器再给负载供电；正常时冗余转换器让主输入的电源(例如UPS1)对负载供电，当主输入电源故障时冗余转换器快速将负载转移到备份输入的电源上，完成负载的冗余供电；在主输入电源维修完成再输入到冗余转换器后，冗余转换器又将负载重新转移回到由主输入电源供电的模式。任何的转换过程都是不间断的，可以保证负载设备的稳定安全运行。3.冗余并联供电方式输出输出并联柜（配电柜）UPS1UPS2旁路开关市电逆变器整流器电池电池整流器逆变器市电负载旁路开关如上图所示，两台UPS的输出同时送到并联配电柜上进行直接的并联，共同均分负载电流，不存在主从关系。当某台UPS出现故障时，该机将自动退出并联系统，负载电流100％由剩余的一台UPS供电，输出不间断；在故障机维修完成后，可以将修复的UPS单元在线并入，继续对负载进行冗余供电，完成并联系统的在线热维护。4.三种提高可靠性方案的特点比较比较项目旁路主从备份供电输出主从备份方式冗余并联供电可靠性一般高高主从逻辑关系有，且不易调换，需要厂家才可完成有，容易调换，用户即可完成取决于并联控制方式；可能有，不能调换。负载切换时间≤10ms≤5ms0ms相互通信不需不需有线并机时需要；无线并机调试时需要，工作后可以取消增容性没有增容没有增容可依比例增容系统过载能力不变不变短时过载能力比例增加；尤其是对于冲击负载的启动能力加强。产品老化程度存在主从机老化不一致的情况存在主从机老化不一致的情况不存在负载均分性100％不均分100％不均分均分，一般电流不均衡度小于5％电池寿命一般需要定期对换电池一般需要定期对换电池或主机，确保电池的寿命不需对换。可维护性差，一般要停机维护好，可以在线热维护好，可以在线热维护。备份模式一般是1＋1形式，再增加时没有实际的意义一般是1＋1或1＋2形式可以N+m形式，比较灵活系统成本低一般高综上所述，分析了各种提高UPS供电可靠性的方案，目的在于掌握UPS的技术，更可靠地使用UPS电源，确保供电系统连续不间断地提供高质量的电源。从比较中可以不难看出，在提高UPS供电的可靠性上有多种的选择，工程技术人员可以根据自身实际情况进行选择。不间断电源UPS是数字化建设的可靠电源解决方案，通过不同的UPS供电方案的设计可以将交流供电系统的可靠性提高到一个新的层次，满足数字化建设对交流电源质量的任何要求。参考文献1.不中断供电杂志.2.爱可赛使用说明书.作者：唐从福赤天化股份公司电气工程师，从事电气专业技术30年。何涛赤天化股份公司电气工程师，电仪公司副经理。罗志勇赤天化股份公司员工，08年四川理工学院毕业。EK900系列EK900系列高频在线式产品特点：先进的工作模式双变换在线式设计，使UPS的输出为频率跟踪、锁相稳压、滤除杂讯、不受电网波动干扰的纯净正弦波电源，使UPS对用户设备提供更为全面和完美的保护。输出零切换时间，满足精密设备对电源的高标准要求。采用输入功率因数校正（PFC）技术，使得输入功因高于0.95，提高了对电能的利用率，完全消除了UPS对市电电网的谐波污染，降低了UPS的运行成本。整机系统可靠性高采用微处理器控制／直接产生高频脉宽调制波（SPWM）对UPS逆变器进行控制，简化了UPS的控制电路，提高了UPS的稳定性。数字化控制技术，保证UPS的一致性和可靠性。环境适应性强宽广的电压输入范围达140V~304V，避免频繁地切换电池，适应于电力环境恶劣的地区。带半载时，输入电压最低可至118V而无需转换电池。(1KVA-3KVA)输入频率范围（50Hz±10％），保证接入各种燃油发电机均可稳定工作，满足用户对油机使用的要求。电池优化性能高智能电池管理功能（ABM）技术，延长电池的使用寿命，减少电池维护次数。先进的恒流恒压自动转换充电技术，最大限度活化电池，节省充电时间，从而延长电池的使用寿命。保护周全可靠具有开机自诊断功能，及时发现UPS的隐患，避免产生任何的疏忽。具有交流输入过、欠压保护，输出过载、短路保护，逆变器过热保护、电池欠压预警保护和电池过充电保护等多功能保护于一体，极大地保证了系统运行的稳定性和可靠性。具有旁路功能，当UPS发生故障时，可无间断地转到旁路工作状态由市电继续向负载供电，并提供报警信息。直流启动功能，可在无市电的状态下直接启动UPS，满足用户的应急需求。风扇智能保护,UPS能根据负载容量大小自动调节风扇的转速以延长风扇的寿命；当风扇异常时，UPS能自动检测并报警显示.网络管理人性化LED显示面板向用户准确地提供UPS的工作环境和工作状况信息。并通过组合显示，可快速判断UPS的故障原因和故障部位，使UPS的维护更为快捷方便。通过RS232接口配合UPS智能监控软件可与电脑进行通讯，UPS的各种参数一目了然地显示在通讯界面上。选用SNMP适配器，UPS具有远程网络管理功能，提供即时的UPS资料和电源信息，通过各种网络操作系统进行通讯、管理。EK900系列UPS电气性能指标型号EK901EK902EK903EK906EK910标称容量1KVA2KVA3KVA6KVA10KVA负荷标准700W1400W2100W4200W7000W工作方工及原理高频在线式双变换交流输入相数单相L、N+G电压140～304Vac160～275Vac频率44～56Hz最大输入电流7A12A16A30A51A输入功率因素≥0.95≥0.92电池标称电池电压36Vdc96Vdc240Vdc电压浮充电压41.2Vdc110Vdc274Vdc截止电压31.52Vdc84Vdc84Vdc210Vdc210Vdc充电恢复时间≤10H交流输出相数单相L、N+G电压220Vac±3%频率50Hz±0.5%（电池模式）最大输出电流5A10A13.5A27A45A功率因数0.7滞后输出波形正弦波总谐波失真线性负载≤3%非线性负载≤5%动态负载电压瞬变±10%瞬间恢复时间100ms(0-100%跃变)过载能力105%→10s,130%→3s,150%→200ms转旁路105%～130%→10min,150%→200ms转旁路系统指标切换时间在线模式与电池模式为0ms，逆变与旁路1ms满载效率≥0.85电脑通讯接口RS232、内置SNMP卡（选件）运行温度0～40℃相对湿度0～95%不结露运行高度＜1500m冷却方式温控式风冷噪音(dB)≤55dB输出方式国标或美标插座接线端子台尺寸(W×D×H)mm140×405×220195×455×330260×570×717340×570×980主机重量(Kg)11.522233775UPS电源——作用UPS是不间断电源(uninterruptiblepowersystem)的英文简称,是能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。UPS按工