电源：UPS的性能分类与标准化UPS系统结构
0 引言
不间断电源设备(UPS)是一种电子电源系统，其基本功能是当市电电源发生故障时，不间断地为用户设备提供符合规定的交流电源。当市电电源停电时，UPS将转换为由蓄电池供电的工作方式，在规定时间内向用户设备供电。当市电电源较长时间停电时，UPS需要由备用发电机组供电，继续不间断地为负载供电。此外，在市电正常的情况下，UPS将市电电源进行适当的变换和调节，从而抑制市电电源的各种干扰;为负载提供高质量的交流电源。因此，UPS还具有改善市电质量的功能。
UPS的负载是被视为关键性的或重点保护的设备。这些关键性负载包括数据处理、计算机和通信系统之类的设备等等。 为满足不同类型的负载对供电连续性和供电质量要求，现已开发出功率范围从不足百瓦至数兆瓦的各种型式的静态UPS。
静态UPS主要有三种典型的电路结构，长期以来被称为：在线UPS (on line UPS)、离线UPS(off line UPS)和在线互动UPS(line interactive UPS)。但是，这些UPS名称对其工作原理的表述是不准确的，很容易引起混淆。为了避免混淆，国际标准IEC62040-3 重新规定了UPS新的名称：双变换UPS (double conversion UPS)、冷备用UPS(passive standby UPS)、市电交互UPS(line interactive UPS)。
“离线UPS(off line UPS)”，其本来的含义是：逆变器在正常情况下，不向负载供电，而是由市电电源向负载供电。只有当市电交流输入电压超出允差时，逆变器才向负载供电。然而，术语“离线(off-line)”也有“不在市电电源上(not-on-the-mains)”之意，即正常情况下市电不向负载供电。而实际上，在正常情况下，负载是由市电电源供电的。为了防止这种定义的混淆，IEC62040-3明确提出，不使用“离线UPS(off line UPS)”这一术语，而使用“冷备用UPS(passive standby UPS)”术语。
“在线UPS(on line UPS)”，意思是不论市电交流输入电源情况如何，负载始终由逆变器供电。但是，术语“在线(on-line)”也可以理解为在市电电源上(on-the-mains)，即负载由市电供电(这与实际情况相反)。为了防止定义的混淆，IEC62040-3明确提出，应避免使用 “在线UPS”这一术语，而只使用“双变换UPS”术语。
在线互动UPS(line interactive UPS)的汉语名称与英语名称不符，因为line 不是on line ，所以不是“在线”。实际上line 是指市电(the mains)。因此，“line interactive UPS” 应译为“与市电交互UPS”，或“与市电互动UPS” 。
此外，由于双变换UPS (double conversion UPS)(即老名称“在线UPS”)被公认为实际性能最好的UPS 系统。在市场竞争中，出现了一些奇怪UPS的名称，例如，“准在线UPS(quasi online ups)”、“半在线UPS(semi online ups)”、“真在线UPS(true online ups)”、“在线均分技术(online-sharing technology)”等等。相关UPS厂家提出这些UPS名称的目的是试图让用户相信其UPS产品是双变换UPS。实际上，这些产品并不是双变换UPS，不能提供用户所希望的性能和可靠性。
针对这种情况，IEC62040-3 除了废除不科学、不适当的老的UPS名称、规定了新的UPS名称外，还提出了UPS 按性能分类的方法。这个分类方法基于UPS输出电压和输出频率与UPS 输入电源的参数的关系，提出了UPS 性能分类代码。按性能分类的目的是提供一个共同的基础，使用户可以在相同条件下，对额定功率相近的不同厂家的UPS产品进行比较。
符合IEC62040-3国际标准的UPS将由厂家按规定进行性能分类代码的标识。用户一般应避免采用未标识性能分类代码的UPS产品。
我国国标GB7260 已等效采用IEC62040-3国际标准，今后国产UPS 产品也应标识UPS 性能分类代码。在进行UPS 选型时应注意选用已标识UPS 性能分类代码的UPS。
本文阐述IEC62040-3(和GB7260)规定的UPS 的性能分类方法和标准化的UPS 系统结构。并介绍高可用度的并联冗余UPS 和分布冗余UPS。
1 UPS 性能分类代码
UPS 性能分类代码由三部分组成。(例如 VFI-SS-123 ，这是分类代码的一个例子)
最前面的三个字符规定在正常工作方式下的电源质量。表示UPS输出电压和频率与交流输入电源(市电)电压和频率的关系。
中间的两个字符规定在正常工作方式(包括暂时的静态旁路工作)和储能方式下的输出电压波形。表示是正弦波或非正弦波。
最后三个字符规定在不同条件下UPS瞬态输出电压性能。表示是否符合标准规定的瞬态电压性能。
1.1 电源质量的分类选项(三个字符或两个字符)
以下各选项均表示在正常工作方式下的电源质量。可以为VFI，VFD，VI。
• VFI： 表示这种UPS的输出与市电电源的电压和频率无关。
• VFD： 表示这种UPS的输出取决于与市电电源的电压和频率变化。
• VI： 表示这种UPS的输出(频率)取决于市电电源的频率变化。输出电压与市电电压无关
1.2 输出电压波形的分类选项(两个字符)
第一个字符表示在正常和旁路方式下的输出电压波形。可以为S，X，Y。
第二个字符表示在储能方式下的输出电压波形。可以为S，X，Y。
• S： 表示在所有线性和基准非线性负载条件下，输出波形均为正弦波，其总谐波失真因数 D小于0.08 。
• X： 表示在线性负载条件下，输出波形均为正弦波(与S相同)，在非线性负载条件下(如果超过规定的极限)，其总谐波失真因数 D大于0.08 。
• Y： 输出波形是非正弦波。
1.3 瞬态电压性能的分类选项(三个字符)
第一个字符表示改变工作方式时的输出电压瞬态性能。可以为1，2，3。
第二个字符表示在正常/储能方式下，带线性阶跃负载时的输出电压瞬态性能(最不利的情况) 。可以为1，2，3。
第三个字符表示正常/储能方式下，带基准非线性阶跃负载时的输出电压瞬态性能(最不利的情况) 。可以为1，2，3。
• 1： 表示瞬态电压≤ 图 1 的1类输出动态性能数据(无中断或无零电压出现)。
• 2： 表示瞬态电压≤ 图2 的2类输出动态性能数据(输出电压为零持续1ms)。
• 3： 表示瞬态电压≤ 图3 的3类输出动态性能数据(输出电压为零持续10ms)。
图1 1类输出动态性能
图2 2类输出动态性能
图3 3类输出动态性能
1.4 完整的UPS分类代码
下面是典型的UPS完整的分类代码：
电源质量 输出波形 输出动态性能
VFI — SS — 111
VI — SX — 222
VFD — SY — 333
实际的UPS产品的性能分类代码举例：
Powerware 9370 ：VFI-SS-111
Powerware PB4000(BORRI 4000)：VFI-SS-111
Socomec DELPHYS MP：VFI-SS-111
AEG/SAFT SVS Power System：VFI-SS-111
2 UPS 系统结构
2.1 UPS性能分类代码与UPS内部结构
综上所述，UPS 按性能分类，可分为三类，用代码表示为：
VFI (UPS的输出与市电电源的电压和频率无关)
VFD (UPS的输出电压和频率取决于与市电电源的电压和频率)。
VI (UPS的输出(频率)取决于市电电源的频率变化。输出电压与市电电压无关)
然而，实际上，UPS按性能分类的VFI、VI、VFD与按UPS内部电路结构分类的双变换、市电交互、冷备用单机UPS系统是密切相关的。
UPS性能分类代码表示的是UPS输出电压和频率与市电电源的关系、输出波形和动态性能，这些性能和功能指标都是与UPS单机系统结构有关的。
在前面给出的完整UPS性能分类代码的例子中 ，VFI-SS-111，VI-SX-222，VFD-SY-333和单机UPS系统的对应关系如下：
2.1.1 VFI-SS-111，双变换UPS
性能分类代码VFI-SS-111表示UPS输出电压和频率与市电电压、频率无关。要达到这个要求，必须在正常方式下，通过直流中间环节再生一个交流电源。这种UPS技术就是双变换UPS，它也能满足对正弦波输出波形和1类输出动态性能(图1)的要求。
2.1.2 VI-SX-222，市电交互UPS
性能分类代码VI-SX-122表示UPS输出电压与市电电源电压无关，但输出频率与市电频率有关。
这种UPS技术就是市电交互UPS。其输出电压可以调节到某个极限内，可以认为UPS 输出与市电电压无关，但输出频率取决于市电频率。这种UPS在正常方式下不需要直流中间环节。这种UPS在工作方式转换时不能满足1类输出动态性能的要求，只能满足输出2类动态性能(图2)的要求。
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