冗余式UPS技術發(fā)展趨勢

   隨著我國通信事業(yè)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡的規(guī)模越來越大，業(yè)務種類越來越多。與之相應的通信網(wǎng)絡對交流供電的可靠性、靈活性、智能化、免維護方面的要求越來越高。

   作為通信網(wǎng)絡主要交流供電設備之一的交流不間斷供電系統(tǒng)——UPS（UninterruptiblePowerSupply），就成為不可或缺的電力保障和凈化設備正在發(fā)揮越來越重要的作用，提高其可靠性、靈活性、智能化、免維護等方面的性能已成為廣泛關注的問題。由于傳統(tǒng)單機UPS存在諸多弊端，冗余式UPS逐漸得到了發(fā)展，其技術革新一直倍受關注。

   單機UPS系統(tǒng)弊端
   一般的UPS供電系統(tǒng)為單機結構，根據(jù)IEC62040-3標準規(guī)定，UPS的內部系統(tǒng)主要有以下三種結構形式：冷備用UPS(PassiveStandbyUPS)；市電交互UPS(LineInteractiveUPS)；雙變換UPS(DoubleConversionUPS)。

   1冷備用UPS系統(tǒng)

   冷備用UPS系統(tǒng)是最簡單的UPS，如圖1所示。在這種UPS系統(tǒng)中，逆變器與市電并聯(lián)連接，作為市電的備用；充電機只用來給蓄電池充電，不用來給逆變器供電。
                                       

                                                           圖1冷備用UPS系統(tǒng)

   冷備用UPS的缺點：

   1)負載沒有真正與交流輸入電源的干擾隔離，交流輸入電源的干擾仍會影響關鍵負載。

   (2)由于沒有采用靜態(tài)開關，交流輸入電源故障時，將負載從交流輸入電源轉換至逆變器所需的轉換時間較長，不能滿足復雜的靈敏負載的需要。

   (3)正常方式下，沒有輸出電壓和頻率調節(jié)，系統(tǒng)輸出電壓和頻率取決于交流輸入電源的電壓和頻率。

   (4)如果交流輸入電源質量較差時，蓄電池就會頻繁放電且得不到充電，其存儲的能量可能會完全釋放，當交流電源故障或停電時，UPS則不能保護負載。

   (5)冷備用UPS僅使用于單相小容量(小于2kVA)系統(tǒng)，一般不用于大功率場合。

   2市電交互UPS
   市電交互UPS如圖1.2所示。在這種UPS系統(tǒng)中，交流輸入電源(市電電源)和負載之間串聯(lián)了電感，這個電感在逆變器與交流輸入電源間相互作用，穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓。該UPS系統(tǒng)有一個4象限逆變器，可以雙向通過功率，沒有單獨的充電機。
                                  
                                                          圖2市電交互UPS系統(tǒng)

   市電交互UPS的缺點：
   (1)系統(tǒng)中的4象限逆變器必須跟蹤交流輸入電源的頻率，當市電電源的頻率頻繁變化將會引起蓄電池的頻繁放電，這不但減短蓄電池的壽命，而且可能造成蓄電池的儲能放完而未能及時充電，當市電停電時不能有效地保護負載。

   (2)負載沒有真正與交流輸入電源的干擾隔離，交流輸入電源的干擾會影響關鍵負載。尤其對于電壓尖峰或過壓的保護性能較差。

   (3)系統(tǒng)沒有輸出頻率調節(jié)，完全取決于交流電源的輸入頻率，輸出電壓調節(jié)性能不高。

   (4)系統(tǒng)工作在非線性負載時，效率較低。

   3雙變換UPS
   
   雙變換UPS系統(tǒng)如圖3所示。在這種UPS系統(tǒng)由整流器/充電機、逆變器、蓄電池和轉換開關組成，整流器/充電機－逆變器串聯(lián)連接在交流輸入電源和負載之間，無論交流輸入電源正常與否，負載始終由逆變器供電。
                         
                                                       圖3雙變換UPS系統(tǒng)

   雙變換UPS系統(tǒng)的缺點：

   (1)輸出的負載功率完全要經過整流和逆變兩次電力變換，損耗較大，系統(tǒng)總效率較低。

   (2)雙變換UPS輸入端一般采用相控整流器，相控整流器產生的輸入諧波電流對交流輸入電源造成嚴重干擾，特別在由備用發(fā)電機組供電時影響大，需要配置至少2～3倍UPS容量的柴油發(fā)電機組。

   雙變換UPS系統(tǒng)在可維性和故障容限方面也存在著一定的局限性：

   (1)內部模塊、系統(tǒng)和配電均不能同時維護。

   (2)內部模塊和配電均無故障容限。

   總之，單機UPS總是存在很多的缺點，集中表現(xiàn)為：容量小、擴容性差、可靠性較低、可維護性能差等缺點。

   發(fā)展冗余式UPS的必然性

   單機UPS擴容性差，一旦安裝后很難擴充容量。雖然單機UPS的平均無故障時間（MTBF）較長，但對于很多用戶（例如醫(yī)療、銀行、金融、通信、國防等行業(yè)）而言，還是不能滿足其對電源保障可靠性的要求。為解決單機UPS的眾多缺點，人們開始研究冗余式UPS。
 

   1電力系統(tǒng)擴容需求

   伴隨通信用電設備不斷增加，對UPS的容量要求也越來越高。采用大功率開關器件的各類電源供電系統(tǒng)中，當因負載的增加而需加大UPS容量時，可以通過兩個途徑來實現(xiàn):一是提高單臺UPS的逆變器設計容量;二是以現(xiàn)有型號UPS的兩臺或多臺電源模塊進行并聯(lián)工作，共同分擔電力負荷以提高電網(wǎng)容量。相對于前一方案，第二種方案具有成本低、可靠性高以及可有效提高元件壽命的優(yōu)點。因此，多模塊并聯(lián)技術的研究正逐漸受到重視，成為電源技術的發(fā)展方向之一。

   另外，多模塊并聯(lián)，可以靈活構成各種功率容量，以模塊化取代系列化，從而縮短研制、生產周期和降低成本，提高各類電源的標準化程度、可維護性和互換性等。為了提高供電的可靠性，在冗余并聯(lián)技術問世前常采用熱備份串聯(lián)連接的方式，這種方式的特點是應用靈活，不外加設備，即使不同廠家、不同型號的UPS，只要有靜態(tài)旁路，而且容量一樣，就可以做這種連接，而且具有冗余的功能。

   并聯(lián)冗余方案的推出，有效地解決了增容和冗余的問題，直到現(xiàn)在仍然是一種最佳方案。它不但可以準確地實現(xiàn)負載均分，而且還有著成倍的過載能力。

   2供電可靠性需求

   隨著電力電子器件、控制技術及能源變換技術的發(fā)展，進一步提高UPS供電可靠性技術已成為可能，也促使了UPS組成“n＋1”型功率均分冗余并機技術的誕生。

   目前，為了提高UPS的可靠性，主要采用主從結構的UPS“1＋1”并聯(lián)備份，如圖4所示。雖然這樣在一定程度上提高了供電可靠性，但是不便于離線維護、擴容，同時也造成設備利用不充分、缺乏靈活性等方面的缺陷。對于一些不能夠停電的用戶（例如醫(yī)療、銀行、金融、通信、國防等行業(yè)），UPS“1＋1”并聯(lián)備份，還是存在很大的電力系統(tǒng)癱瘓隱患。
                         
                                                       圖4“1＋1”型UPS冗余結構
   人們期望將多臺UPS組成“n＋1”型功率均分冗余模塊化方式整機冗余，類似于開關電源“n＋1”冗余結構即冗余式交流不間斷供電系統(tǒng)（即，冗余式UPS）結構。將每個單臺UPS做為單個獨立的模塊，各自在工作時可以自動均流；單臺出現(xiàn)故障時，可以在不停機的狀態(tài)下“熱插拔”故障UPS模塊；輸出功率在一定范圍內可以任意擴容。
                                            
                                                          圖5“n＋x”型UPS冗余結構

   如圖5將多臺UPS并聯(lián)組成“n＋x”系統(tǒng)，其可靠性更高。該冗余度為n＋x，其中n的含義是并聯(lián)系統(tǒng)中UPS單機的總臺數(shù)，x的含義是并聯(lián)系統(tǒng)中允許出故障的UPS單機臺數(shù)。正常時這n＋x臺UPS并聯(lián)工作，而其中任一部分故障時都不會影響整個系統(tǒng)的正常運行，而且也不會留下任何隱患。這種設計從根本上解決提高UPS可靠性、靈活性、智能化、免維護等方面的問題。

   冗余式UPS技術發(fā)展趨勢

   世界上許多國家(如日本、美國、德國、荷蘭等國家)的UPS公司在UPS的并聯(lián)冗余控制技術方面已經做了大量的工作，并有一系列的產品投入了實用。目前，這些品牌的UPS并聯(lián)控制技術的特點及發(fā)展表現(xiàn)在以下幾個方面:

   1  可并聯(lián)單元數(shù)增多，以多種途徑實現(xiàn)高可靠并聯(lián)運行，進入模塊化時代

   目前，幾種知名品牌的UPS如梅蘭日蘭、Exide、Victron、西力、西門子、三菱、東芝、APC等公司可以實現(xiàn)并聯(lián)運行，但最大并聯(lián)單元數(shù)不超過10個；而PKElectronics公司聲稱可并聯(lián)100個以上，因而并聯(lián)單元數(shù)的增多是今后的發(fā)展趨勢。而并聯(lián)系統(tǒng)控制方式呈現(xiàn)多樣化，其中僅Exide公司為無互連線獨立控制的并聯(lián)方式，而其他公司多以主從控制或分散邏輯控制方式為主。
 

   2  在小功率UPS電源中用較低成本實現(xiàn)較先進的并聯(lián)策略
   目前可并聯(lián)UPS電源多為三相中、大功率UPS，因此為實現(xiàn)并聯(lián)運行，控制電路成本的增加一些對總成本影響不大。而普通小功率UPS的控制電路一般較簡單，特性也不如大功率UPS電源好，因此要實現(xiàn)并聯(lián)運行，電路的設計要綜合考慮控制電路特性和成本的關系。在這方面各大公司都有一些獨特的經驗，如采用同一規(guī)格的電源模塊和控制電路以適應不同容量的客戶要求以及實現(xiàn)不同的控制功能。 

   3  采用高頻鏈結構技術 

   為完成UPS的并聯(lián)、提高UPS的性能和減小UPS模塊的體積，各公司大多采用高頻鏈結構技術。高頻鏈式大容量UPS簡稱高頻機，由于UPS內省去了工頻變壓器，裝置的體積重量大為減輕，同時也節(jié)約了成本，減少了裝置的復雜性。高頻機的輸入端一般采用高頻整流，因此可以獲得較高的功率因數(shù)及較低的電流諧波，具有很好的輸入特性。 

   4  全數(shù)字化控制技術 

   模擬控制簡單、技術成熟、易于實現(xiàn)，而且響應速度快、模型連續(xù)，至今仍在各種裝置的控制中扮演著重要的角色。但是其缺點也是顯而易見的，大量的分立元件和電路板使得制造成本高、電路復雜、參數(shù)易漂移、元件老化、系統(tǒng)的調試、故障檢測維修困難、易受干擾等。

   因此，數(shù)字化是大事所趨。數(shù)字化不僅是指在系統(tǒng)中應用了數(shù)字器件，同時也是指整個系統(tǒng)應用了數(shù)字化的控制思想和方法。數(shù)字控制可以用軟件的手段實現(xiàn)控制算法，能很好的解決控制系統(tǒng)元器件老化和溫飄帶來的問題，抗干擾能力也大大增強。

   為提高系統(tǒng)的控制性能和完成并聯(lián)控制的復雜算法，UPS的控制一般應用全數(shù)字化控制方案，如應用單片機和DSP完成系統(tǒng)的檢測、運算和控制。控制系統(tǒng)的升級也可以通過改變軟件實現(xiàn)，代價較小。同時借助于數(shù)字控制芯片的發(fā)展，許多復雜的控制算法得以實現(xiàn)，使UPS的性能提高，功能更全面。
　　 
   5  通過軟開關設計，實現(xiàn)高效率 

   采用高頻鏈技術的必然結果使開關損耗顯著增加。傳統(tǒng)的諧振變換軟開關技術一定程度上可以減少開關損耗，但仍存在的不足。在90年代初，美國弗基尼亞電力電子研究中心主任李澤元教授提出了“軟開關PWM”概念，即功率開關器件只是在開關轉換前后的一個小區(qū)間與線路外加 LC元件工作在諧振狀態(tài)，以構成電壓或電流的過零點來實現(xiàn)功率器件的軟開關，在開關全周期仍工作在PWM模式。由于“開通”、“關斷”都是零電壓，因此又稱 “零電壓轉換”（ZVT，Zero Voltage Transition）。這種電路結構在高頻電能變換中，即組成各種高頻冗余式UPS中，將得到廣泛應用。 

   軟開關技術理論上可使開關損耗為零；實際上，可使目前的各種電源模塊的變換效率由 80％提高到90％以上，達到了高效率的功率變換。 

   6  采用遠程監(jiān)測和控制技術，使UPS智能化 

   現(xiàn)在UPS的功能越來越完善，運行中UPS狀態(tài)的檢測、UPS出現(xiàn)故障的及時發(fā)現(xiàn)和處理、無人值守實現(xiàn)UPS的自動開關機，遠程監(jiān)測和控制UPS的運行狀態(tài)等都成為UPS研制和生產所追求的目標。這些功能采用一般的硬件和控制方法是無法實現(xiàn)的，通常借助于普通UPS加上微機系統(tǒng)。

   例如，將各并聯(lián)UPS之間通過并聯(lián)控制單元及控制器局部網(wǎng)(CAN, Controller Area Network)總線互聯(lián)，通過CAN總線進行數(shù)據(jù)交換，可以實現(xiàn)UPS冗余并聯(lián)控制時的監(jiān)控，從而最大程度的保證了UPS冗余并聯(lián)及對負載供電的可靠性。這種系統(tǒng)通過網(wǎng)絡和通訊構成智能化UPS,采集并報告各種信息數(shù)據(jù)，分析并給出處理方法，便于及時維護。 

   7  通過電磁兼容（EMC）設計，實現(xiàn)電磁環(huán)境綠色化 

   冗余式UPS的電磁兼容問題有其特殊性。功率半導體開關管在高頻開關過程中產生高的di/dt和dv/dt，會引起強大的傳導電磁干擾和諧波干擾。研究表明，冗余式UPS裝置中的電磁噪音源，主要來自主開關器件的開關作用所產生的電壓、電流變化。變化速度越快，電磁噪音越大。

   有些高頻大功率裝置還會引起強電磁場(通常是近場)輻射。不但嚴重污染周圍電磁環(huán)境，對附近的電氣設備造成電磁干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時，冗余式UPS的內部控制電路也必須能承受開關動作產生的EMI及應用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾。 

   本文簡單分析了單機UPS的弊端，進而闡述了冗余式UPS發(fā)展的必然性及發(fā)展趨勢。由于冗余式UPS的可擴展性、冗余性、熱插拔性和可交互性，更能適應日后的拓展需求，其漸進式擴展方式，使系統(tǒng)能夠伴隨用戶的成長而發(fā)展。■