从标准角度看机房UPS供电方案设计考虑点

    近几年来随着通信行业的迅猛发展，各种通信设备和系统对不间断电源的需求日益加大，而在通信机房中安装UPS供电系统也变得越来越普遍。一个设计良好的UPS供电系统能给负载提供优质电源，然而在实际应用中，许多问题又往往是UPS供电系统本身引起的。因此，如何实际一个合理的供电方案，也成为大家关注的问题。在具体设计一个UPS供电方案时，必须将行业标准的规范要求和实际需求结合起来，综合考虑多方面因素，下面仅从标准角度出发将几点需要考虑的方面进行简单分析。  

    1、输入电压的可变范围  

    通信行业标准YD/T1095-2000《通信用不间断电源——UPS》规定输入电压分为三类：第一类为±25%;第二类为±20%;第三类为10%——15%。总体来讲，输入电压可变范围越宽，则负载由电池逆变供电的机会越少，可以有效地延长电视的使用寿命。但后备式及互动式UPS其电路拓扑决定它的输入电压范围不可能很宽，否则其输出电压稳定精度就很差。一般地将，大容量UPS主机输入电压范围为380±15%。电压过低，将使UPS后备电池频繁放电，最终因长期处于欠压充电状态而大大缩短它的使用寿命，相反，电压过高，则容易引起逆变器损坏。对于旁路输入，其电压和频率波动也有一定的范围，一般为额定电压±10%，额定频率±15%，如果前级电源变化范围过大，就会导致逆变器和旁路电源之间的切换被禁止或者有间断。因此，如果通信机房的前级电网在带你呀范围上达不到要求，应在UPS前级配置合适的抗干扰交流稳压电源。  

    2、输入电压频率  

    标准规定：输入频率范围为50Hz±4%。在要求的输入频率范围内，负载由市电变换后供电，当频率超出范围时由电池逆变供电。因此输入频率范围越宽则启用电池工作的机会越少，可以延长电池的寿命。特别是市电停后供电油机的频率变化范围是很宽的。目前市场上较好的UPS输入频率范围可达50±5Hz。  

    3、输入功率因数  

    标准规定分为三类：第一类为≥0.95，第二类为≥±0.90，第三类为≥0.85。UPS作为供电系统中的中间环节，它本身具有双重性格：对于上一级供电设备(电网)，它是一个交流负载;而对于下一级负载，它是一个交流电源，是电网的一部分。如果把UPS与UPS的负载当成一个整体，作为上一级电网的交流负载出现时，它的功率因数由两部分决定：UPS负载的功率因数和UPS的电路结构形式。这时的功率因数，叫做“UPS输入功率因数”。  

    后备式和在线互动式UPS的输入功率因数等于UPS输出负载的功率因数，他们本身不生产附加的功率因数失真。传统双变换在线式UPS由于输入侧的变换器是整流滤波电路，它的输入功率因数较低，小于0.8，并且和UPS输出端的负载性质无关。双变换式UPS附加有源功率因数校正电路(PFC)后，输入功率因数可达0.99，且不受UPS输出端负载性质影响。  

    输入低功率因数PF太低是供电电网不允许的，输入功率因数低，意味着输入无功功率大，输入谐波电流污染市网，以脉动的继续方式向电网索取电流，这种脉动电流在外电网沿路阻抗上形成脉动电压叠加在电网电压的正弦波上，造成电压失真，这就是所谓的电力公害。

    标准规定分为三类：第一类为<5%;第二类为<15%，第三类为<25%。输入电流谐波成分THD(TotalHarmonicDistortion)是指输入电流中非基次电流占总电流的百分比，谐波成分越少表示及其性能越优，这是一个非常重要的指标要求。另功率因数PF与电流谐波THD有一定的联系。在输入电压无失真的条件下，且像移角为0°，实际还是有一定的相差特别是传统在线式，因此在同样的PF值时，THD值比表1中的要小。　　  

    5、输出电压稳压精度  

    标准规定：输出电压稳压精度分为三类：第一类为±1%，第二类为±3%，第三类为5%。用电设备的不同，对输出电压的精度也有不同的要求，如路由器、服务器等高端用电设备就对输出电压稳压精度有较高的要求，目前市场上采用双变换在线式电路拓扑，及运用DSP(DisgitalSignalPSrocessingTechnolgy)技术，稳压精度大大提高，可以达到≤1%。

    6、输出波形失真度

    标准规定：输出波形失真度分为三类：第一类为≤2%;第二类为≤3%;第三位为≤5%(线性负载)。波形失真度是谐波成分与谐波、基波之和的百分比，该指标越小越好。目前运行方式为后备式及互动式的UPS系统该指标在第三类左右，而采用DSP控制的在线式UPS能有效地降低波形失真度，精度较高，目前应用以比较普遍。

    7、输出功率因数

    标准规定，输出功率因数≤0.8。

    UPS的“输出功率因数”这个概念是衡量UPS输出能力的一个指标。显然，这里UPS是作为负载的供电设备出现的，而“功率因数”这个概念是专为负载量身定做的，它反映的是负载的某些性质。于是我们借用“功率因数”的概念加上“输出”两字，来表述作为供电设备的UPS的输出能力。

    UPS的“输出功率因数”的大小是由UPS负载的功率因数决定的，我们认为负载功率因数越大，它获得有功功率的能力越强，但是由负载功率因数决定的“输出功率因数”越大，表示UPS的输出能力越小，由于UPS不可能满足任意非线性负载的要求，故约定以计算机类负载的输入功率因数作为UPS的输出功率因数指标，约定≤0.8。用一个由UPS负载性质决定，而不是由它本身决定的技术指标，来衡量UPS输出能力的好坏，而又以计算机类设备为默认的负载，那么输出功率因数≤0.8这个指标的意义就不难理解了。充分理解这个指标的含义后，我们在根据负载容量决定UPS系统总容量时要充分考虑这个指标。

    8、切换时间

    有两个切换：一个市电电池间切换时间，标准规定分为三类：第一类为0ms，第二类为<4ms，第三类为大于4ms。电路拓扑结构不同，则市电电池却换时间不同。一般在线式UPS因市电及电池都变换为一个中间直流电压，而这个中间直流电压都有比较大的电解电容，因此在线式UPS市电电池见切换时间为0ms。而后备式或互动式是通过继电器进行切换，一般存在一个几个毫秒的切换时间。这个切换只要市电不良就会发生。

    另一切换时间就是逆变旁路切换时间，标准规定分为三类，I类分为1ms，II类分为<4ms，III类分为>4ms。在线式UPS一般在开机瞬间或过载或过温或整流逆变通路故障造成输出电压不正常时，USP会切换到旁路供电。应该说这个转换发生的概率小于上面因市电不良而切换的概率。对于小功率UPS，这个切换一般采用继电器便能完全满足要求，但在大功率中因大继电器动作时间长，一般采用SCR实现。

    在选择UPS系统时，对低端用电设备如普通计算机来讲，上述指标没有太大的意义，不会直接影响到设备的运行，但对于高端设备如服务器来说，后备式和互动式系统的供电质量是远远不够的，必须选用在线式系统。

    9、电池组智能管理功能

    标准规定：UPS应具有定期对电池组进行自动浮充、均充转换，电池组自动温度补偿及电池组放电记录功能。

    蓄电池是UPS重要组成部分，也是UPS中的薄弱环节。由于蓄电池的成本可能超过USP主机本身，且其运行稳定与否直接影响到整个系统的工作。目前UPS出现的故障，很大比例是电池故障或由电池引起。因此如何提高电池的寿命是大家所关注的。UPS中电池绝大部分采用铅酸免维护密封电池，其寿命及放电容量与温度有很大的关系，先限流后恒压的充电管理方式是很大部分厂家在设计中较为广泛采用的，并根据温度来调节充电电压的高低。这一功能在系统的整体运行中也很重要，也是做设计方案选型时需要考虑的一个方面。

    10、供电靠行

    标准中提到，为了提高UPS供电的可靠性，可采用多种UPS冗余连接方式来提高可靠性，各种方式都有优缺点。考虑方案时要根据实际负载情况，选择合适的模式。当前冗余连接方式大致有一下三种：

    (1) 双机主从式热备份。将作为从机的UPS1输出接到另一台作为主机的UPS2的旁路输入，正常运行时由USP2供电，UPS1处于备份。当UPS2故障时，负载切换至UPS2旁路，由USP1承担负载供给任务。此系统结构及控制简单，但存在以下缺点：主机长时间工作，从而机处于长期待机状态，两机的元件老化程度不均匀;在从机供电的状态下，主机静态旁路故障时将导致系统供电失败;系统负载不能超过单机容量且以后无法扩容。

    (2) 功率均分并联备份。该系统将两台或多台UPS逆变单元并联运行，正常时两台(或多台)逆变器同时向负载均分供电，当其中一台故障时，该UPS从系统中脱离，用户所需负载电流，由剩余逆变器按新的份额重新供电。此种方式目前有两种结构，一种是UPS通过外加并机柜方式并联，并机柜提供同步及多机均流控制，同时提供并联系统的总静态旁路;另一种是在每台UPS内安装一套逻辑控制板，控制各台及其的同步及均流输出。此方案的优点是易于扩容，通过冗余备份提高供电可靠性，但也存在缺点：

    a) 采用并机柜方式的，并机柜成为系统的公共瓶颈点，一旦它内部时空或故障，会导致整个系统供电失败。

    (3) 并联热备份。该系统将两台UPS的电池组输入，整流器输出及逆变器输出并联，并共用旁路，正常时两台整流器同时向两逆变器供电，并向两组电流充电，通过逆变器输出静态开关选择其中一台逆变器向负载供电，两台整流器和逆变器分别互为备用，只有当两台逆变器同时故障时，系统将负载切至共同静态旁路，由市电继续向负载供电。该方案没有瓶颈故障点，任何一台UPS局部或整体故障，系统仍能继续向负载供电，由于真正输出只有一台逆变器，故也不存在逆变器见的环流，但由于此模式类似单机运行模式，带载能力相对差且不容易扩容。以上三种方案的选择，需要根据实际情况综合考虑来决定。

    11、系统设备的智能性

    标准中还有其它指标如电源效率、噪声等等，对系统所具备的智能性也提出了规范和要求。为了保证供电系统能长时间不断运行，UPS必须具有智能性，对运行中的UPS状态自动检测，对UPS故障及时发现、诊断和处理，并大大减少因故障或检修而造成的间断，同时，作为通信机房动力系统的一部分，应提供通信协议，以便纳入动力环境集中监控系统。因此，在系统设计时，我们应考虑到这些因素。

    一般来说，作为智能性的UPS应具备下列功能：

    (1) 实时监测功能。监视电路中各部分状态，随时获取主机工作时的有关参数。

    (2) 人机交互功能。可按实际运行情况，通过程序修改，重新设置UPS内部的各种临界工作点阀值，也可读取UPS电源各种工作参数。

    (3) 故障诊断功能。对监测到的不正常参数及时分析，及早发现故障苗头，显示其性质、部位，给出处理方法，并自动记录有关信息。

    (4) 远程监控功能。提供一个远程计算机接口，能通过RS232或RS485接口经调制解调器实现与异地计算机终端通讯，达到遥测和遥信的目的。

    要设计一套完整的UPS供电方案，除去上面结合标准提到的一些考虑因素外，还有考虑系统与前级供电系统中的应急供电发电机组的匹配兼容问题、前级供电系统中不应当带有别的频率启动负载、系统总容量如何确定、蓄电池如何配备、及电气隔离和接地等等，在设计通信机房UPS供电系统时，我们既要考虑节省投资，有要考虑系统的可靠性、灵活性，以及不同用电设备对供电系统的各项指标和数据要求，综合考虑个方面因素，才能设计一套最佳的UPS供电方案。■