冗余式UPS技術發展趨勢

   隨著我國通信事業的發展，通信網絡的規模越來越大，業務種類越來越多。與之相應的通信網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。

   作為通信網絡主要交流供電設備之一的交流不間斷供電系統——UPS（UninterruptiblePowerSupply），就成為不可或缺的電力保障和凈化設備正在發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。由于傳統單機UPS存在諸多弊端，冗余式UPS逐漸得到了發展，其技術革新一直倍受關注。

   單機UPS系統弊端
   一般的UPS供電系統為單機結構，根據IEC62040-3標準規定，UPS的內部系統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

   冷備用UPS系統是最簡單的UPS，如圖1所示。在這種UPS系統中，逆變器與市電并聯連接，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

   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，系統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，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系統中，交流輸入電源(市電電源)和負載之間串聯了電感，這個電感在逆變器與交流輸入電源間相互作用，穩定系統輸出電壓。該UPS系統有一個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

   市電交互UPS的缺點：
   (1)系統中的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)系統沒有輸出頻率調節，完全取決于交流電源的輸入頻率，輸出電壓調節性能不高。

   (4)系統工作在非線性負載時，效率較低。

   3雙變換UPS
   
   雙變換UPS系統如圖3所示。在這種UPS系統由整流器/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

   雙變換UPS系統的缺點：

   (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容量的柴油發電機組。

   雙變換UPS系統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，集中表現為：容量小、擴容性差、可靠性較低、可維護性能差等缺點。

   發展冗余式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（例如醫療、銀行、金融、通信、國防等行業）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:一是提高單臺UPS的逆變器設計容量;二是以現有型號UPS的兩臺或多臺電源模塊進行并聯工作，共同分擔電力負荷以提高電網容量。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點。因此，多模塊并聯技術的研究正逐漸受到重視，成為電源技術的發展方向之一。

   另外，多模塊并聯，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，在冗余并聯技術問世前常采用熱備份串聯連接的方式，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。

   并聯冗余方案的推出，有效地解決了增容和冗余的問題，直到現在仍然是一種最佳方案。它不但可以準確地實現負載均分，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（例如醫療、銀行、金融、通信、國防等行業），UPS“1＋1”并聯備份，還是存在很大的電力系統癱瘓隱患。
                         
                                                       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（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；單臺出現故障時，可以在不停機的狀態下“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并聯組成“n＋x”系統，其可靠性更高。該冗余度為n＋x，其中n的含義是并聯系統中UPS單機的總臺數，x的含義是并聯系統中允許出故障的UPS單機臺數。正常時這n＋x臺UPS并聯工作，而其中任一部分故障時都不會影響整個系統的正常運行，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并聯控制技術的特點及發展表現在以下幾個方面:

   1  可并聯單元數增多，以多種途徑實現高可靠并聯運行，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等公司可以實現并聯運行，但最大并聯單元數不超過10個；而PKElectronics公司聲稱可并聯100個以上，因而并聯單元數的增多是今后的發展趨勢。而并聯系統控制方式呈現多樣化，其中僅Exide公司為無互連線獨立控制的并聯方式，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較先進的并聯策略
   目前可并聯UPS電源多為三相中、大功率UPS，因此為實現并聯運行，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，因此要實現并聯運行，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不同的控制功能。 

   3  采用高頻鏈結構技術 

   為完成UPS的并聯、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及較低的電流諧波，具有很好的輸入特性。 

   4  全數字化控制技術 

   模擬控制簡單、技術成熟、易于實現，而且響應速度快、模型連續，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、參數易漂移、元件老化、系統的調試、故障檢測維修困難、易受干擾等。

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

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

   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間與線路外加 LC元件工作在諧振狀態，以構成電壓或電流的過零點來實現功率器件的軟開關，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  采用遠程監測和控制技術，使UPS智能化 

   現在UPS的功能越來越完善，運行中UPS狀態的檢測、UPS出現故障的及時發現和處理、無人值守實現UPS的自動開關機，遠程監測和控制UPS的運行狀態等都成為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的，通常借助于普通UPS加上微機系統。

   例如，將各并聯UPS之間通過并聯控制單元及控制器局部網(CAN, Controller Area Network)總線互聯，通過CAN總線進行數據交換，可以實現UPS冗余并聯控制時的監控，從而最大程度的保證了UPS冗余并聯及對負載供電的可靠性。這種系統通過網絡和通訊構成智能化UPS,采集并報告各種信息數據，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，實現電磁環境綠色化 

   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發展的必然性及發展趨勢。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，使系統能夠伴隨用戶的成長而發展。■