UPS及EPS的应用技术与发展趋势

一般情况下，影响电池性能的主要因素是连续充电，电池连续充电大约要减少一半的使用寿命。目前国外使用一种ABM(Advanced Battery Management)三阶段电池管理方案，即充电分成三个阶段：第一阶段是恒流均衡充电，将电池容量充到90％；第二阶段是浮充充电，将电池容量充到100％，然后停止充电；第三阶段是自然放电，在这个阶段里，电池利用自身的漏电流放电，一直到规定的电压下限，再重复上述的三个阶段。这种方式改变了以前那种充满电后，仍使电池处于一天24h的浮充状态，因此延长了电池的寿命。

金属化镍氢电池具有高能量密度的优点，而且又无镍镉电池可能造成的镉污染，将其应用于UPS可以收到小型轻量化的优点。但其缺点是售价太高。美国Alupower公司研发的高功率铅－空气备用电源装置(RPU)，运行≥50h，功率从600W到6000W，电压有DC24V和48V两种，其能量密度是铅酸电池的十多倍，重量只有铅酸电池的1／10，所占空间只有铅酸电池的1／7，有望取代铅酸蓄电池应用于UPS。

3.3 UPS的冗余技术和在线维护（热插拔）

开关整流器的并联和热插拔已成为通信电源的基本运行方式，这种运行方式即所谓N＋1冗余供电方式，用于取代主备方式，使电源的可靠性大幅度提高。主备方式的备份电源的容量和主电源相同，因此使电源成本提高，而且在转换时还会造成电能中断。N＋1冗余供电方式不仅降低了电源成本，并且还保证了供电不中断。这种冗余供电方式的实质是通过并联平行操作的电源模块提供分布式电源，所有的模块并联运行并平均负担当前的负载，电源阵列比额定容量多配置一个功率模块，当一个模块出现故障时，特设的电路将故障模块从负载上断开，其它模块将立即支持所有负载，使其连续不间断地供电。替换模块后UPS的控制电路和蓄电池均能在线运行。这种灵活的模块化设计，用户可以自行堆叠电池模块，以增加UPS的输出功率，延长供电时间，大大增强了电源的可靠性。

UPS的并联和热插拔技术要比开关整流器的并联复杂得多，这是因为交流电的变量比直流电多，有相序、频率、相位、电压幅值和波形等5个变量，其任意一个与市电电源不一致，都不能使UPS投入电网。在投入电网后还必须不断地检测各台UPS输出的有功功率和无功功率，通过调节电压和相位实现各UPS输出有功功率和无功功率的平均分配。

由此可见，UPS的并联工作有3个方面。一是正常工作的UPS自动投入电网，二是并联运行的UPS之间，有功功率和无功功率的均匀分配，三是UPS退出并联，特别是在不干扰电网的情况下快速切除故障UPS。这3个要求的实现，也就解决了UPS的热插技术。

3.4 智能化UPS的管理系统

所谓智能化UPS，是指将传统UPS通过与计算机相连的硬件接口，结合特殊设计的软件，以提供计算机及数据资料的双重保护。当前UPS智能化技术有两个方面：一是加强UPS新功能，与服务器上的软件协同工作，使UPS除了完成最基本的不间断供电功能外，还能实现网络上事件记录、故障告警、参数自动测试分析和调节等；另一方面是加强UPS的节能功能。

智能化的UPS，除了完成一般UPS所能完成的全部工作外，还应具备的功能是：

1）对运行中的UPS进行监测，随时将采样点的状态信息送入计算机进行处理，一方面获取UPS工作的有关参数，另一方面监视电路各部的工作状态，从中分析电路各部分工作是否正常；

2）故障时，根据监测的结果进行故障诊断，指出故障部位，给出处理办法；

3）完成部分处理工作，除了实现对UPS工作的控制外，还能在发生故障时，根据需要采取必要的应急控制，此外通过对整流部分的控制，按照对不同蓄电池的不同要求，自动完成对蓄电池的分阶段充电；

4）自动显示所检测的参数，在异常或发生故障时，可以自动记录有关异常或故障的信息；

5）按照技术说明书给出的指标，自动定期地进行自检，并形成自检记录文件；

6）能够用程序控制UPS的启动或停机，实现无人值守的自动操作；

7）具有交换信息功能，可以随时向计算机输入信息或从计算机获取信息；

8）通过通信接口与计算机互联，实现网络化监控管理。

推动UPS技术发展的主要动力在于全球计算机网络的迅速发展。为了使UPS能够更好地适应网络环境的要求，UPS正在向网络化管理和控制方向发展。新型的网络UPS采用一个集成的SNMP适配器，掉电期间，即使UPS不能通过网络传递信息，用户也可以依靠UPS通过串行端口适时关闭服务器，适配器接到UPS通信端口上，以实现网络可维持局部停机控制。网络管理人员通过网络中的网管平台，将UPS作为一个网络设备来管理，实时处理电源故障及UPS状态报警。SNMP适配器和管理软件相配合可以同时向任何管理站发出电源故障及UPS状态报警。在无人值守的情况下，当市电中断时，软件会发出告警信息，并开始倒计时，当倒计时计数到零时或电池耗尽前，软件即关闭应用程序，并将现场资料存盘后关闭系统，向UPS发出关机命令，切断UPS，当市电恢复后可自动启动UPS。

智能化的网络UPS最基本功能是在长时间断电的情况下，能安全、自动地关闭网络，确保网络系统及数据的安全性。此外，通过远程控制装置，用户也可以在远方通过电话遥控UPS，有些UPS还可将UPS状态或报警信息通过电子邮件、传真机或手机等通知外出网络管理人员。

3.5 提高UPS的可用性

从20世纪90年代中期开始，随着信息技术的高速发展和网络时代的到来，对UPS可用性的要求越来越高。所谓UPS的可用性，其物理概念是，在规定的使用期间内，UPS的正常运行时间与整个时间的比例。根据这个定义要提高UPS的可用性有两个办法：一是提高UPS的平均无故障时间MTBF，二是降低UPS的平均修复时间MTTR。提高UPS本身MTBF的传统做法是，提高功率开关器件的规格和档次；改进控制技术，提高逻辑控制组件的规格和档次；使用更先进的主电路结构；提高智能管理和通信功能；严格生产工艺，加强质量管理(ISO9000)等。但当MTBF提高到一定程度后其效果就不明显了。用降低MTTR的办法，效果是非常明显的。降低UPS的MTTR的做法有如下几种。

1）一般的做法是加强对UPS，特别是其中的关键部件的维护；充足的备件并保证其完好性；加强对维护人员操作技能的培训，特别是用户在采购UPS时就要求厂家对售后服务(包括备件提供、反应时间和修复速度)条件做出严格承诺。

2）UPS的模块化＋冗余配置，把整个UPS按电路功能分成几部分，并在结构上设计成可以插拔的模块，例如功率模块(包括整流器和逆变器)、电池模块、智能管理和通信功能模块。

3）UPS的冗余并机配置，在UPS中，可以把控制电路集中起来作为一个独立的可插拔模块，也可以把功率变换部分集中在一个结构中，作为一个可以热插拔的模块。为了适应多台UPS并联供电，也可以把每台UPS看作一个模块，在冗余热备份配置的情况下，同样可以做到故障后热插拔修复，或者使每台UPS都具备直接并机的功能。

4）用集成设计提高UPS的可用性，以适应由多种设备组成供电系统的需要。集成化UPS供电系统的基本思想和原则是，供电设备制造和供应的统一化和标准化；系统中供电设备和包括负载机架结构的一体化和连接的规范化；系统中各供电设备和环节（包括负载机架中的PDU）电源状态管理的集中化；系统中各供电设备和环节结构的模块化和连接的热插拔功能。

一个完整的供电系统的组成，除UPS设备外，还有输入配电柜、ATS转换开关、变压器、瞬态电压浪涌抑制器、负载配电开关柜、柴油发电机、交流稳压器、电池系统、各种开关、断路器、熔断器、转插板，上百乃至几百个连接点和相应的传输线。对于一个复杂的供电系统如何提高其可用性呢?仅仅解决UPS设备的可靠性显然是不够的，根据系统实际运行的故障数据表明，直接由于UPS故障引起系统宕机的比例毕竟是较少的，由于系统中其他设备和环节以及人为事故造成的故障，或者由此引发的UPS故障占大多数。但是模块化、冗余配置、热插拔修复等设计原则还是适用的。当然，系统中各种设备和管理的标准化、统一化和集中化，减少单路径故障点和大面积掉电的隐患，加快建设速度和安装的规范化、对环境和负载变化的适应性和系统的可扩展性、降低维护管理的难度和减少人为事故的几率等问题，也是要研究和解决的重点。

图7是集成化UPS供电系统示意图，虚线框内是集成化所包含的内容。

图7 集成化UPS供电系统示意图

集成化UPS系统的特点如下：

（1）由单机模块化＋冗余的UPS系统组成双总线系统，是可用性等级最高的UPS供电系统；

（2）UPS供电系统与数据中心一体化机架式结构，整个系统只有电网进线与外接线；

（3）PDU作为基本组合的一个子系统，直接配置在标准的负载机架中；

（4）该系统结构的基本组合机柜上的服务器提供了整套基础设施，这种基础设施包括IT机柜中的冷却设施、布线设施和配电设施；基础组件包含在4个子系统中，即IT机柜、机架安装PDU、环境监控以及电源和数据电缆布线。

3.6 绿色化

各种用电设备及电源装置产生的谐波电压和谐波电流，对市电电源是一种污染，随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色UPS的呼声越来越高。要求UPS做到使用户负载既不受已污染的市电电源的影响，同时用户负载产生的谐波电压和谐波电流也不要污染市电。对于串并联补偿式UPS，它已经具备了这种功能，对于传统双变换UPS，除在输入端加装高效输入滤波器外，还应在输入整流器部分采用数控有源功率因数校正技术(PFC)，这样就可以提高输入功率因数，减少对市电电源的污染。

3.7 EPS的发展趋势

由于EPS所带负载类型的复杂性和环境的相对固定性，针对不同场合、不同负载，可对EPS功能做得更贴近现实应用。其中包括以下几方面。

1）结构组成普通EPS为了更好地结合实际应用，往往采用“多合一”的结构设计，但由于负载及环境的复杂性，也由此带来设备标准化和设计院所、用户选型的困难。解决的办法是采用模块化设计，将主机与输入或输出配电分离开来。主机模块完成主要的能量转换及通讯控制功能；配电模块实现丰富的配电管理功能。主机模块通过标准控制接口实现对配电模块的管理，如双电源自动切换功能，多回路输出功能，消防联动功能均应在配电模块中实现。

2）配电模块应增加功能EPS用于紧急负载的供电，其负载往往为非单一的负载，而这些负载在紧急情况下的关键程度不尽相同，因此，对于EPS来说，某些配电管理功能至关重要。

（1）顺序启动功能诸如，EPS的负载很大一部分是感性冲击负载，具有较大的启动电流，在选型时必须加大EPS容量，从而造成设备资源的浪费以及用户成本的增加。实际上，由于EPS负载供电的可间断性，EPS可增加一个8路或16路的可编程配电管理接口，通过对负载启动的顺序、时间进行控制，可在很大程度上解决启动冲击电流和加大选型容量的问题。

（2）部分卸载功能由EPS负载性质决定，当过载发生时，需要EPS尽可能继续工作，而不能象UPS那样进行保护性关机，因此，同样可通过配电管理接口卸除次要负载。

3）电池管理由于EPS的使用环境一般较UPS恶劣，为尽可能延长蓄电池的使用寿命，充电器应同时具备以下功能：

（1）可设定充电限流；

（2）可设定电池放电终止电压；

（3）具有自动浮充功能，充电机制应符合DIN41773标准；

（4）具有浮充电压温度补偿功能；

（5）智能电池检测功能；

（6）深放电保护(可强制应急)。

4）变频起动功能目前变频起动型EPS的设计，如图8所示，主要着眼于解决较大电动机，如电梯、水泵、风机等负载的起动冲击问题，但更为合理的设计，应该是在线式UPS与变频器技术的完美结合。在线式UPS具有成熟的整流、电池管理技术；变频器具有成熟的变频控制技术，两者的有机结合才是这一应用领域的最终发展方向。

图8 变频起动

4 鸣谢

本文摘引近两年《UPS应用》杂志曾发表过的文章，谨向原文作者表示感谢。