UPS的性能分类与标准化UPS系统结构

　　B. 市电电压高于PBP点的电压时，市电输入电流仍控制为保持市电电压为额定值时的电流，此时的市电输入功率大于负载需要的功率。负载仅从市电吸取所需要的功率，其剩余功率流过Delta变压器原边耦合到副边，再经Delta 变换器内部的回扫二极管整流到达DC母线，给蓄电池充电。（2）市电停电时或电压变化超出±15%，负载由蓄电池经主逆变器供电。此时主静态开关断开。（3）Delta 变换UPS 系统故障时，负载经旁路由市电直接供电。

　　2.4、双变换UPS （Double conversion UPS）

　　双变换UPS如图7所示，由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等所组成。双变换UPS有正常、储能和旁路三种工作方式。

　　在正常工作方式下，整流器将市电交流电整流为直流电，供给逆变器，同时给蓄电池充电。逆变器将直流电逆变为交流电供给负载。因为将负载功率进行了整流和逆变两次变换，故这种UPS称为双变换UPS。

　　当市电电源停电时或电压和频率指标超出允差时，双变换UPS将转入储能方式，由蓄电池经逆变器不间断地为负载继续供电。

　　当UPS 的功能部件故障时或UPS 过载时，静态转换开关将负载直接连接到市电电源（旁路电源），由市电电源供电，即工作于旁路方式。

　　双变换UPS的优点：

　　（1）双变换UPS的优点是实现了负载与市电电源干扰的完全隔离，在任何情况下都能为负载提供电压和频率稳定交流电源；

　　（2）市电电源停电时UPS 转换至储能方式的过程中无供电中断；（3）允许很宽的输入电压变动范围；（4）输出电压精度很高；

　　双变换UPS的缺点是在正常方式下将100%负载的负载功率进行了整流、逆变两次变换，损耗较大，影响了系统效率的提高。

　　
图7 双变换UPS

2.5、UPS 的性能分类与抑制市电电源干扰的能力

　　如前所述，UPS性能分类代码表示的是电源质量，包括：（1）UPS输出电压、输出频率与市电输入电源的电压、频率的关系；（2）UPS输出电压波形；（3）UPS输出的动态特性。此外，符合IEC62040规定的性能分类代码的各种UPS还具有不同程度的抑制市电电源干扰的能力。

　　最常见的市电电源干扰主要有以下10种：（1）电源停电（2）电压下降（3）短时过压（4）欠压（5）雷电（6）过压（7）电压瞬变（8）频率波动（9）电压波形失真（10）电压谐波。

　　图8示出性能分类代码为VFI、VI和VFD的UPS可以抑制的电源干扰。

　　最简单的UPS是VFD级UPS，即冷备用UPS。它能抑制前三种电源干扰，但在电源转换过程中有供电中断。因此只能用于允许短时供电中断的负载。

　　对电压稳定度要求较高的负载需要能抑制前五种电源干扰的VI级的UPS，这就是市电交互UPS。

　　对电源质量和电压稳定度要求最高的负载需要能抑制所有的市电电源干扰的VFI级UPS，这就是双变换UPS。

　　
图8 市电电源干扰和UPS性能分类代码

　　3 冗余UPS 的系统结构

　　3.1 概述

　　IEC62040规定的各种单机UPS系统，从可靠性和功能性上来看，可以分别满足不同应用场合的需要。在小功率的应用场合，各种单机UPS系统都可以采用。在中、

大功率的应用场合，可以采用双变换UPS 系统。应该指出，仅仅满足可靠性和功能性的要求还是不够的，对于要求高可用度的应用场合，还应满足可维性和故障容限的要求，以提高系统的可用度。

　　VFI级的双变换UPS是性能最好、可靠性最高的UPS。但是，当UPS、蓄电池需要进行预防性维护时，负载将被转换到未经调节的市电电源上，此时负载没有与市电电源的各种各样干扰隔离。一般来说，双变换UPS单机系统的预防性维护需要的时间是每年约2～4小时。因此，对于不能承受市电的各种干扰的负载而言，UPS的可用度仅为99.95% 。

　　此外，双变换UPS单机系统没有容量的冗余，不能保护内部模块本身的故障。也不能保护设备的故障。因此，UPS 内部模块、系统和配电均不能同时维护； 内部模块和配电均无故障容限。

　　所以，双变换UPS单机系统仅适用于允许UPS停机2～4小时进行维护，在此期间可以由带有各种干扰的市电电源直接供电的负载。对于要求更高的可用度的应用场合，双变换UPS单机系统就不适用了。

　　为了提高UPS的可维护性和故障容限，应采用冗余UPS系统。冗余UPS系统有并联冗余、备用冗余和隔离冗余UPS系统和分布冗余等。

　　值得说明的是，UPS性能分类代码不反映UPS系统可用度的情况，因此，UPS 性能分类代码只与UPS单机系统有对应关系。如果要求较高的可用度，应采用由单机UPS组成的冗余UPS系统。冗余UPS性能分类代码与组成此冗余UPS 的单机UPS的性能分类代码相同。

　　下面仅介绍广泛应用的并联冗余UPS和正在不断发展的分布冗余UPS。

　　3.2 并联冗余UPS

　　并联冗余UPS系统由两个或多个单机UPS系统组成，各单机UPS系统的输出并联连接到一个公共的配电系统。系统一般按N+1个单机UPS系统配置，其中N个单机UPS系统就足以供给系统全部负载，再增加一个作为备用。因此，如果只有一个单机系统故障，N+1并联冗余系统仍能正常工作。并联冗余UPS 系统的可用度比单机UPS 系统的高得多。假设单机系统的可用度为三个9（0.999），则1+1 并联冗余系统的可用度可达到六个9（0.999999）。厂家一般承诺可以6台UPS 并联。但是，当并联的单机UPS 系统的数目增大时，并联冗余系统的可用度的提高的幅度会减小。N很大时，并联冗余系统可用度的提高并不明显。而且，在实际应用中，N 较大的N+1并联冗余系统的故障率较高。所以，在投资允许的情况下应尽量采用1+1并联冗余UPS系统。如果系统容量很大，必须采用N+1并联冗余UPS系统时，应注意并联的单机台数不宜太多，建议N≤3。

　　并联冗余UPS系统有四种工作方式：

　　（1） 正常方式

　　在正常工作时，所有N+1个单机UPS系统都同步运行并均分负载。如果一个单机UPS 系统故障自动与并联冗余系统上断开或或人为使其脱离系统进行维护时，其余单机UPS系统可以不间断地给负载供电。

　　（2） 储能方式

　　市电停电时，各个UPS都由蓄电池放电供给逆变器，各个逆变器继续并联运行，不间断地为负载供电。

　　（3）旁路方式

　　当UPS过载时，负载通过集中的静态开关或分散的静态开关被转换到由旁路电源供电。 （4）维修旁路

　　如果UPS需要停机进行维护，通过维修旁路开关将负载转换到由旁路电源供电。

　　并联冗余UPS系统主要有两种不同的系统结构形式，即直接并联（分散的旁路）和通过并机柜并联（集中的旁路），如图9A和图9B 所示。此外，集中旁路还有几种不同的形式，例如冗余旁路、双旁路和多旁路等，本文不详述。

　　
图9A 并联冗余UPS系统（分散的旁路）

　　
图9B 并联冗余UPS系统（集中的旁路）

　　3.3、 分布冗余UPS

　　3.3.1 分布冗余UPS 的基本组成

　　上面介绍的各种冗余UPS系统与单机UPS系统相比已经相当可靠了，但是电源系统的冗余只是集中在UPS 设备，对于每个负载设备，其输入电源仍然没有冗余。在实际运行中，UPS输出端至负载之间的配电电路（包括开关和线路）的故障往往多于UPS本身的故障。因此，最重要的不是保证UPS输出端的电源可靠，而是保证负载输入端的电源可靠。基于这种考虑，提出了分布冗余UPS。

　　分布冗余UPS的目的是将电源系统的冗余扩展到每一个负载设备，而且应使电源系统的冗余尽可能接近负载设备的输入端。

　　如图10所示，分布冗余UPS系统中有两个独立的UPS系统，每个独立的UPS系统都能为全部重要负载供电，构成双母线供电系统。通过适当的配电电路，可以为单电源输入和双电源输入的各种负载设备供电。