冗余式UPS技术发展趋势

中心议题：

• 单机UPS系统弊端
• 发展冗余式UPS的必然性
• 冗余式UPS技术发展趋势

解决方案：

• 提高单台UPS的逆变器设计容量
• 将多台UPS组成“n＋1”型功率均分冗余模块

随着我国通信事业的发展，通信网络的规模越来越大，业务种类越来越多。与之相应的通信网络对交流供电的可靠性、灵活性、智能化、免维护方面的要求越来越高。

作为通信网络主要交流供电设备之一的交流不间断供电系统——UPS（UninterruptiblePowerSupply），就成为不可或缺的电力保障和净化设备正在发挥越来越重要的作用，提高其可靠性、灵活性、智能化、免维护等方面的性能已成为广泛关注的问题。由于传统单机UPS存在诸多弊端，冗余式UPS逐渐得到了发展，其技术革新一直倍受关注。

单机UPS系统弊端
一般的UPS供电系统为单机结构，根据IEC62040-3标准规定，UPS的内部系统主要有以下三种结构形式：冷备用UPS(PassiveStandbyUPS)；市电交互UPS(LineInteractiveUPS)；双变换UPS(DoubleConversionUPS)。

1冷备用UPS系统

冷备用UPS系统是最简单的UPS，如图1所示。在这种UPS系统中，逆变器与市电并联连接，作为市电的备用；充电机只用来给蓄电池充电，不用来给逆变器供电。

图1冷备用UPS系统

冷备用UPS的缺点：

1)负载没有真正与交流输入电源的干扰隔离，交流输入电源的干扰仍会影响关键负载。

(2)由于没有采用静态开关，交流输入电源故障时，将负载从交流输入电源转换至逆变器所需的转换时间较长，不能满足复杂的灵敏负载的需要。

(3)正常方式下，没有输出电压和频率调节，系统输出电压和频率取决于交流输入电源的电压和频率。

(4)如果交流输入电源质量较差时，蓄电池就会频繁放电且得不到充电，其存储的能量可能会完全释放，当交流电源故障或停电时，UPS则不能保护负载。

(5)冷备用UPS仅使用于单相小容量(小于2kVA)系统，一般不用于大功率场合。
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2市电交互UPS
市电交互UPS如图1.2所示。在这种UPS系统中，交流输入电源(市电电源)和负载之间串联了电感，这个电感在逆变器与交流输入电源间相互作用，稳定系统输出电压。该UPS系统有一个4象限逆变器，可以双向通过功率，没有单独的充电机。

图2市电交互UPS系统

市电交互UPS的缺点：
(1)系统中的4象限逆变器必须跟踪交流输入电源的频率，当市电电源的频率频繁变化将会引起蓄电池的频繁放电，这不但减短蓄电池的寿命，而且可能造成蓄电池的储能放完而未能及时充电，当市电停电时不能有效地保护负载。

(2)负载没有真正与交流输入电源的干扰隔离，交流输入电源的干扰会影响关键负载。尤其对于电压尖峰或过压的保护性能较差。

(3)系统没有输出频率调节，完全取决于交流电源的输入频率，输出电压调节性能不高。

(4)系统工作在非线性负载时，效率较低。

3双变换UPS

双变换UPS系统如图3所示。在这种UPS系统由整流器/充电机、逆变器、蓄电池和转换开关组成，整流器/充电机－逆变器串联连接在交流输入电源和负载之间，无论交流输入电源正常与否，负载始终由逆变器供电。

图3双变换UPS系统

双变换UPS系统的缺点：

(1)输出的负载功率完全要经过整流和逆变两次电力变换，损耗较大，系统总效率较低。

(2)双变换UPS输入端一般采用相控整流器，相控整流器产生的输入谐波电流对交流输入电源造成严重干扰，特别在由备用发电机组供电时影响大，需要配置至少2～3倍UPS容量的柴油发电机组。

双变换UPS系统在可维性和故障容限方面也存在着一定的局限性：

(1)内部模块、系统和配电均不能同时维护。

(2)内部模块和配电均无故障容限。

总之，单机UPS总是存在很多的缺点，集中表现为：容量小、扩容性差、可靠性较低、可维护性能差等缺点。

发展冗余式UPS的必然性

单机UPS扩容性差，一旦安装后很难扩充容量。虽然单机UPS的平均无故障时间（MTBF）较长，但对于很多用户（例如医疗、银行、金融、通信、国防等行业）而言，还是不能满足其对电源保障可靠性的要求。为解决单机UPS的众多缺点，人们开始研究冗余式UPS。
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1电力系统扩容需求

伴随通信用电设备不断增加，对UPS的容量要求也越来越高。采用大功率开关器件的各类电源供电系统中，当因负载的增加而需加大UPS容量时，可以通过两个途径来实现:一是提高单台UPS的逆变器设计容量;二是以现有型号UPS的两台或多台电源模块进行并联工作，共同分担电力负荷以提高电网容量。相对于前一方案，第二种方案具有成本低、可靠性高以及可有效提高元件寿命的优点。因此，多模块并联技术的研究正逐渐受到重视，成为电源技术的发展方向之一。

另外，多模块并联，可以灵活构成各种功率容量，以模块化取代系列化，从而缩短研制、生产周期和降低成本，提高各类电源的标准化程度、可维护性和互换性等。为了提高供电的可靠性，在冗余并联技术问世前常采用热备份串联连接的方式，这种方式的特点是应用灵活，不外加设备，即使不同厂家、不同型号的UPS，只要有静态旁路，而且容量一样，就可以做这种连接，而且具有冗余的功能。

并联冗余方案的推出，有效地解决了增容和冗余的问题，直到现在仍然是一种最佳方案。它不但可以准确地实现负载均分，而且还有着成倍的过载能力。

2供电可靠性需求

随着电力电子器件、控制技术及能源变换技术的发展，进一步提高UPS供电可靠性技术已成为可能，也促使了UPS组成“n＋1”型功率均分冗余并机技术的诞生。

目前，为了提高UPS的可靠性，主要采用主从结构的UPS“1＋1”并联备份，如图4所示。虽然这样在一定程度上提高了供电可靠性，但是不便于离线维护、扩容，同时也造成设备利用不充分、缺乏灵活性等方面的缺陷。对于一些不能够停电的用户（例如医疗、银行、金融、通信、国防等行业），UPS“1＋1”并联备份，还是存在很大的电力系统瘫痪隐患。

图4“1＋1”型UPS冗余结构
人们期望将多台UPS组成“n＋1”型功率均分冗余模块化方式整机冗余，类似于开关电源“n＋1”冗余结构即冗余式交流不间断供电系统（即，冗余式UPS）结构。将每个单台UPS做为单个独立的模块，各自在工作时可以自动均流；单台出现故障时，可以在不停机的状态下“热插拔”故障UPS模块；输出功率在一定范围内可以任意扩容。

图5“n＋x”型UPS冗余结构

如图5将多台UPS并联组成“n＋x”系统，其可靠性更高。该冗余度为n＋x，其中n的含义是并联系统中UPS单机的总台数，x的含义是并联系统中允许出故障的UPS单机台数。正常时这n＋x台UPS并联工作，而其中任一部分故障时都不会影响整个系统的正常运行，而且也不会留下任何隐患。这种设计从根本上解决提高UPS可靠性、灵活性、智能化、免维护等方面的问题。

冗余式UPS技术发展趋势

世界上许多国家(如日本、美国、德国、荷兰等国家)的UPS公司在UPS的并联冗余控制技术方面已经做了大量的工作，并有一系列的产品投入了实用。目前，这些品牌的UPS并联控制技术的特点及发展表现在以下几个方面:

1可并联单元数增多，以多种途径实现高可靠并联运行，进入模块化时代

目前，几种知名品牌的UPS如梅兰日兰、Exide、Victron、西力、西门子、三菱、东芝、APC等公司可以实现并联运行，但最大并联单元数不超过10个；而PKElectronics公司声称可并联100个以上，因而并联单元数的增多是今后的发展趋势。而并联系统控制方式呈现多样化，其中仅Exide公司为无互连线独立控制的并联方式，而其他公司多以主从控制或分散逻辑控制方式为主。
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2在小功率UPS电源中用较低成本实现较先进的并联策略
目前可并联UPS电源多为三相中、大功率UPS，因此为实现并联运行，控制电路成本的增加一些对总成本影响不大。而普通小功率UPS的控制电路一般较简单，特性也不如大功率UPS电源好，因此要实现并联运行，电路的设计要综合考虑控制电路特性和成本的关系。在这方面各大公司都有一些独特的经验，如采用同一规格的电源模块和控制电路以适应不同容量的客户要求以及实现不同的控制功能。

3 采用高频链结构技术

为完成UPS的并联、提高UPS的性能和减小UPS模块的体积，各公司大多采用高频链结构技术。高频链式大容量UPS简称高频机，由于UPS内省去了工频变压器，装置的体积重量大为减轻，同时也节约了成本，减少了装置的复杂性。高频机的输入端一般采用高频整流，因此可以获得较高的功率因数及较低的电流谐波，具有很好的输入特性。

4 全数字化控制技术

模拟控制简单、技术成熟、易于实现，而且响应速度快、模型连续，至今仍在各种装置的控制中扮演着重要的角色。但是其缺点也是显而易见的，大量的分立元件和电路板使得制造成本高、电路复杂、参数易漂移、元件老化、系统的调试、故障检测维修困难、易受干扰等。

因此，数字化是大事所趋。数字化不仅是指在系统中应用了数字器件，同时也是指整个系统应用了数字化的控制思想和方法。数字控制可以用软件的手段实现控制算法，能很好的解决控制系统元器件老化和温飘带来的问题，抗干扰能力也大大增强。

为提高系统的控制性能和完成并联控制的复杂算法，UPS的控制一般应用全数字化控制方案，如应用单片机和DSP完成系统的检测、运算和控制。控制系统的升级也可以通过改变软件实现，代价较小。同时借助于数字控制芯片的发展，许多复杂的控制算法得以实现，使UPS的性能提高，功能更全面。
　　
5 通过软开关设计，实现高效率

采用高频链技术的必然结果使开关损耗显著增加。传统的谐振变换软开关技术一定程度上可以减少开关损耗，但仍存在的不足。在90年代初，美国弗基尼亚电力电子研究中心主任李泽元教授提出了“软开关PWM”概念，即功率开关器件只是在开关转换前后的一个小区间与线路外加 LC元件工作在谐振状态，以构成电压或电流的过零点来实现功率器件的软开关，在开关全周期仍工作在PWM模式。由于“开通”、“关断”都是零电压，因此又称 “零电压转换”（ZVT，Zero Voltage Transition）。这种电路结构在高频电能变换中，即组成各种高频冗余式UPS中，将得到广泛应用。

软开关技术理论上可使开关损耗为零；实际上，可使目前的各种电源模块的变换效率由 80％提高到90％以上，达到了高效率的功率变换。

6 采用远程监测和控制技术，使UPS智能化

现在UPS的功能越来越完善，运行中UPS状态的检测、UPS出现故障的及时发现和处理、无人值守实现UPS的自动开关机，远程监测和控制UPS的运行状态等都成为UPS研制和生产所追求的目标。这些功能采用一般的硬件和控制方法是无法实现的，通常借助于普通UPS加上微机系统。

例如，将各并联UPS之间通过并联控制单元及控制器局部网(CAN, Controller Area Network)总线互联，通过CAN总线进行数据交换，可以实现UPS冗余并联控制时的监控，从而最大程度的保证了UPS冗余并联及对负载供电的可靠性。这种系统通过网络和通讯构成智能化UPS,采集并报告各种信息数据，分析并给出处理方法，便于及时维护。

7 通过电磁兼容（EMC）设计，实现电磁环境绿色化

冗余式UPS的电磁兼容问题有其特殊性。功率半导体开关管在高频开关过程中产生高的di/dt和dv/dt，会引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰。研究表明，冗余式UPS装置中的电磁噪音源，主要来自主开关器件的开关作用所产生的电压、电流变化。变化速度越快，电磁噪音越大。

有些高频大功率装置还会引起强电磁场(通常是近场)辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，冗余式UPS的内部控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。

本文简单分析了单机UPS的弊端，进而阐述了冗余式UPS发展的必然性及发展趋势。由于冗余式UPS的可扩展性、冗余性、热插拔性和可交互性，更能适应日后的拓展需求，其渐进式扩展方式，使系统能够伴随用户的成长而发展。