關於交流不間斷電源系統(UPS)完整版

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本文包含五方面內容：

一、關於交流不間斷電源系統（UPS）

二、UPS系統組成

三、UPS的分類

四、不間斷電源設備（UPS）運行的例子

五、不間斷電源設備（UPS）的配置類型

一、關於交流不間斷電源系統（UPS）

1.UPS的定義

不間斷電源系統（UPS，Uninterruptible Power System）的定義，根據我國國家標準GB/T 7260.3《不間斷電源設備（UPS） 第3部分：確定性能的方法和試驗要求》是指：由變流器、開關和儲能裝置（如蓄電池）組合構成的，在輸入電源故障時，用以維持負載電力連續性的電源設備。

事實上，不間斷電源系統（UPS，Uninterruptible Power System）是特指交流不間斷電源系統。因為對於直流電源同樣有不間斷電源系統，只是不用UPS來表示，所以，尤其是通信電源系統，我們常用「UPS」，來專指交流不間斷電源系統。

2.UPS的作用

早通信電源系統中，設置交流不間斷電源系統（UPS）的目的，是為了提高和保障專門使用交流電源的通信設備的供電可靠性，在一旦交流市電故障（斷供或異常）時，以確保通信設備仍有交流用電，使得通信設備不因交流市電故障而影響正常工作。在通信系統中，通常使用交流供電的有：通信計費系統伺服器及終端、網管監控伺服器及終端、數據通信機房伺服器及終端、衛星通信地球站的通信設備、IDC設備等等。

UPS的四大功能：

-交流穩壓功能-不需要增加交流穩壓器；

-具有瞬間電網斷網的保護功能，尤其是在線式UPS不存在逆變轉換時間；

-具有後備直流供電功能，可以保障用電設備在斷電期間的電源供給，維持設備的正常工作；

-淨化功能-具有一定的濾波功能，能夠濾除一些電網幹擾信號，起著淨化電源的作用。

UPS系統的基本要求

-必須是在線式。

-必須保證沒有任何幹擾信號的漏放， 確保不對電視設備的技術指標產生任何不良影響。

-必須有較高的可靠性和穩定性。

-4.配備一定的後備蓄電池組， 延長有效供電時間。

實際上，交流不間斷電源系統（UPS）只是提高了使用交流電源的通信設備的供電可靠性，在UPS系統運行正常時，解決了一旦市電斷供或市電異常時，可以用備用電池所提供的直流電壓逆變為交流電源來為通信設備供電。但是從下述的UPS系統的構成可知，系統可能存在逆變失效或蓄電池容量不足等缺陷，使供電系統的可靠性受到極大的挑戰。為了避免這種影響，不得不從系統的類型和配置方式來解決（從下述的UPS的類型和配置方式可以看出），結果又帶來了使得UPS系統整體組成複雜多變，既增加了建設費用，又增加了維護量和維護難度。因此，現代通信電源系統中，出現了高壓直流供電系統，大有其取代交流不間斷電源系統（UPS）的趨勢。

交流不間斷電源系統（UPS）的輸入和輸出均為交流電，其基本組成方框圖如下

UPS的基本組成方框圖

逆變器將直流電變成50Hz交流電（正弦波或方波）供給負載。對於蓄電池組，市電正常時處於浮充狀態，由整流器給它補充充電，使之儲存的電量充足；當市電異常（停電或超出允許變化範圍）時，蓄電池組向逆變器供電；市電恢復正常後整流器對它進行恆壓限流充電，然後自動轉為正常浮充狀態。蓄電池組用以保證市電異常後UPS不間斷地向負載供電至需要的備用時間。輸出轉換開關，進行由逆變器向負載供電或由市電向負載供電的自動轉換。其結構有帶觸點的開關（如繼電器或接觸器）和無觸點的開關（一般採用晶閘管即可控矽）兩類。後者沒有機械動作，因此通常稱為靜態開關。通信用交流不間斷電源系統（UPS）的分類方法通常有下述幾種：根據UPS電路結構配置的不同，按照國際電工委員會（IEC）標準IEC 62040-3《不間斷電源系統（UPS）-3部分：性能規定方法和測試要求》的規定，UPS分為三大類基本類型，即：冷備用UPS（也稱後備UPS）、雙變換UPS和互動UPS。

後備式UPS（也稱冷備用UPS），其基本工作原理是：輸入交流市電正常時，轉換開關自動接通「旁路」，市電經旁路通道向用電設備供電（後備式UPS的旁路通道中通常加裝對市電進行簡單穩壓處理的裝置）；充電器對蓄電池補充充電；此時逆變器停機（冷備用）。當市電異常時，蓄電池對逆變器供電，逆變器迅速開機，轉換開關自動接通逆變器，由逆變器輸出交流電壓向用電設備供電。

雙變換UPS

雙變換UPS，所謂雙變換，是指這種UPS正常工作時，電能經過了AC/DC、DC/AC兩次變換供給負載。其基本工作原理是：無論市電是否正常，均由逆變器經相應的靜態開關向負載供電。市電正常時，整流器向逆變器供給直流電，並由整流器或另設的充電器對蓄電池組補充充電；當市電異常時，蓄電池組放電向逆變器供給直流電。

由整流器/逆變器組合向負載供電，稱為正常運行方式；由蓄電池/逆變器組合向負載供電，稱為儲能供電運行方式。在這兩種運行方式的轉換過程中，逆變器的輸入直流電壓不間斷，因此UPS的輸出電壓保持連續，不會中斷。

雙變換UPS有帶輸出隔離變壓器和不帶輸出隔離變壓器之分。帶輸出隔離變壓器的機型在逆變器的輸出側接有隔離變壓器，其可靠性較好，能做到零線對地線電壓小於1V（數據機房通常要求零線對地線電壓控制在1V以內）；但體積較大，質量較重，效率稍低。不帶輸出隔離變壓器的機型在逆變器的輸出側沒有隔離變壓器，其體積較小，質量較輕，效率稍高；但可靠性不如前者，同時不易獲得很低的零線對地線電壓。

（忽略在線式的叫法-雙變換）

互動UPS

互動運行UPS類型，也有稱線路交互UPS或市電交互UPS，過去也有稱在線互動式UPS，有多種型式的電路，Delta變換UPS是屬於這種類型的比較新穎的產品。其中的逆變器是雙向變換器，既能將輸入交流電整流為直流電給蓄電池充電，又能將蓄電池的直流電逆變為交流電給負載供電，這兩種工作狀態在一定條件下自動轉換。Delta變換UPS工作原理簡述為，

在市電正常時：

串聯補償-逆變器1（Delta雙向變換器）是可變電流源，其輸出電壓補償輸入市電電壓的變化，使輸出電壓穩定，並使輸入電流波形為正弦波，所需補償功率小；

並聯補償-逆變器2（主雙向變換器）是電壓源，它使輸出電壓為正弦波，並提供輸出電流的諧波和無功電流，這時所需補償功率小，可同時對蓄電池組充電，一個變換器具有整流和逆變兩種用途。

市電異常時，由逆變器2提供輸出；當逆變器發生故障時，靜態開關迅速切換為由市電旁路供電。

（互動式）

2.根據UPS工作模式的不同分類

根據UPS工作模式的不同，依照我國通信行業標準YD/T 1095《通信用交流不間斷電源（UPS）》的規定，其UPS的工作模式分為：正常工作模式（又包括在線式UPS、互動式UPS和後備式UPS）、電池逆變工作模式、旁路工作模式和ECO模式。

正常操作模式

旁路工作模式

電池逆變模式

根據UPS適用環境的不同分類，依照我國通信行業標準YD/T 1970.4-2009《通信局（站）電源系統維護技術要求 第4部分：不間斷電源（UPS）系統》的規定，其UPS的類型分為Ⅰ型（Type Ⅰ）和Ⅱ型（Type Ⅱ）。

在GB/T 7260.3-2003的附錄B《不間斷電源設備（UPS）運行的例子》中，對這三種基本類型用方框圖的方式敘述了典型電路配置和每一種電路的運行方式。除了三種基本類型外，此外，還給出了帶旁路的UPS雙變換和帶旁路的UPS互動運行的例子。附錄中給出了各種類型的UPS電路的典型配置，並詳細介紹了其運行方式。另外，對於「雙變換UPS」過去常使用「在線（on line）UPS」這一術語，IEC 62040-3明確提出應避免使用，只使用「雙變換」這一術語。這是為了避免某些互動UPS與雙變換UPS的混淆。對於後備式UPS，也有稱冷備用UPS。

2.帶旁路的UPS雙變換

五、不間斷電源設備（UPS）的配置類型

由於不間斷電源設備（UPS）是一種電子電源系統，其基本功能是當正常電源局部的或全部的發生故障時，通常作為局部電源，為用戶設備提供符合規定連續性和質量的電力。當公用電源較長時間不能用或不合要求時， 通過實施轉換某種蓄電池供電方式，在規定時間內向用戶設備供電。目前已開發出功率範圍從不足百瓦至數兆瓦，能滿足使用者不同類型負載對供電連續性和供電質量要求的各種型式UPS。

為此，我國國家標準GB/T 7260.3-2003《不間斷電源設備（UPS） 第3部分：確定性能的方法和試驗要求》的附錄A中，給出了不間斷電源設備（UPS）的配置類型。包括了各種 UPS的配置圖形，其範圍包括簡單的設備直至附加有負載電力安全保障的十分複雜的設備。UPS的各種配置圖形用以達到各種負載電力連續性要求和/或增加輸出功率的額定值。並闡述了常用的一些典型配置及每種配置的主要特徵。

1.單臺UPS

最簡單的配置是單臺UPS。它分為以下情形：

(1).無旁路單臺UPS

只要在其技術規範內連續運行，單臺UPS能保證負載電力的連續性。

(2).逆變器和蓄電池共用一個整流器的單臺UPS

負載總是由逆變器供電，而逆變器由交流輸入經整流器或由蓄電池供電，如下圖所示。整流器必須是可控的以便蓄電池再充電，並使蓄電池保持在充電狀態。

在交流輸入電源故障時，由蓄電池在直流電壓不斷降低的情況下供電，直至低到不能滿足逆變器輸出要求為止。蓄電池的類型和容量將決定系統在沒有交流輸入電源供電時，尚能運行的時間值。UPS的輸入、輸出可有不同的頻率、相數和電壓等級。其設計的輸出特性能滿足比許多一般電源更嚴格的技術要求。亦即更窄的電壓和頻率允差，更小的瞬態偏差，以及更好的輸入電源故障保護等等。

(3）有獨立蓄電池充電器的單臺UPS

整流器作為逆變器輸入電源和給蓄電池充電的要求可能互相矛盾，所以UPS可設計成具有獨立的蓄電池充電器，如下圖。從使用者的觀點看，上述對單臺UPS的說明也適用於這種系統。

(4）可輸出直流和交流的單臺UPS

某些用途既需要有不間斷的直流電，又需要不間斷的交流電，並可能是組合設備。如下圖給出的例子。在某些情況下，直流環節電壓的選擇受所需直流輸出的限制。本部分適用於間接交流變流器系統，因此本部分所含蓋的僅是這種系統的交流輸出部分。

(5).帶旁路的單臺UPS

1）雙變換：通過增設旁路，藉助轉換開關在下表所示情況下投切旁路，可改善負載電力的連續性。

2）互動運行：在互動運行時，交流輸入通過旁路向負載供電（逆變器作空載運行），而當輸入電源故障時，逆變器和蓄電池保持負載電力的連續性。雙變換類所述的所有限制也適用於此。

3）後備運行：在後備運行時，交流輸入通過旁路向負載供電，而當輸入電源故障時，起動逆變器，與蓄電池一起保持負載電力的連續性。雙變換類所述的所有限制也適用於此。

2.並聯UPS

（1）無旁路的並聯UPS

如果使用並聯UPS單元或並聯局部單元，應把系統作為一個UPS看待。局部並聯和並聯UPS的兩個例子如下圖所示。

局部並聯的UPS（只逆變器並聯）

並聯UPS（UPS單元並聯）

（2）帶旁路的並聯UPS

當並聯UPS作為單臺UPS運行時，則上述第一項第5種中的全部說明全都適用於此。

3.冗餘UPS

（1）備用冗餘UPS

當運行的UPS單元故障時，備用UPS投入運行，將負載全部接受過來，並斷開故障的UPS。

1）無旁路備用冗餘UPS：如下圖，該系統保留了上述第一項所示的各項特性，它提供了一種改善負載電力連續性的一個方法。

2）帶旁路的備用冗餘：如下圖,為了更進一步改善如上述第一項第5種所述那樣的負載電力的連續性，UPS可包含一個旁路電路，此外，可使負載從一個UPS轉移到另外一個。旁路具有低的阻抗，能流過滿載電流而輸出電壓無明顯下降。

（2）並聯冗餘UPS

並聯冗餘UPS由許多共同分擔負載電流的UPS單元組成。並聯冗餘UPS的總容量超出負載所需容量的值應至少等於一個UPS單元的容量，如此，斷開其中的一個或幾個UPS單元，其餘UPS仍可保持負載電力的連續性。

1）旁路並聯冗餘UPS：如下圖，如果一個UPS單元故障，它必須被隔離，以避免幹擾其他UPS單元，使剩餘的UPS單元得以連續向全部負載供電。此外，在這些系統中要求分擔負載的各電路必須同步。注意：並聯冗餘UPS中的某些部分可能為所有單元共用，像這樣的共用部分的故障，可導致失去負載電力的連續性。

2）帶旁路的並聯冗餘UPS：如上述那樣的系統，可在周圍連接一個或多個旁路，以提供第二項第2種所述的性能。

對於通信用不間斷電源系統（UPS），為了獲得較高的可靠性，其設備配置類型選擇的是並聯冗餘（有N+1並聯冗餘和雙總線並聯冗餘）