0、引言
不間斷電源設(shè)備(UPS)是一種電子電源系統(tǒng)，其基本功能是當市電電源發(fā)生故障時，不間斷地為用戶設(shè)備提供符合規(guī)定的交流電源。當市電電源停電時，UPS將轉(zhuǎn)換為由蓄電池供電的工作方式，在規(guī)定時間內(nèi)向用戶設(shè)備供電。當市電電源較長時間停電時，UPS需要由備用發(fā)電機組供電，繼續(xù)不間斷地為負載供電。此外，在市電正常的情況下，UPS將市電電源進行適當?shù)淖儞Q和調(diào)節(jié)，從而抑制市電電源的各種干擾；為負載提供高質(zhì)量的交流電源。因此，UPS還具有改善市電質(zhì)量的功能。
UPS的負載是被視為關(guān)鍵性的或重點保護的設(shè)備。這些關(guān)鍵性負載包括數(shù)據(jù)處理、計算機和通信系統(tǒng)之類的設(shè)備等等。 為滿足不同類型的負載對供電連續(xù)性和供電質(zhì)量要求，現(xiàn)已開發(fā)出功率范圍從不足百瓦至數(shù)兆瓦的各種型式的靜態(tài)UPS。
靜態(tài)UPS主要有三種典型的電路結(jié)構(gòu)，長期以來被稱為：在線UPS （on line UPS）、離線UPS（off line UPS）和在線互動UPS（line interactive UPS）。但是，這些UPS名稱對其工作原理的表述是不準確的，很容易引起混淆。為了避免混淆，國際標準IEC62040-3 重
新規(guī)定了UPS新的名稱：雙變換UPS （double conversion UPS）、冷備用UPS（passive standby UPS）、市電交互UPS（line interactive UPS）。
“離線UPS（off line UPS）”，其本來的含義是：逆變器在正常情況下，不向負載供電，而是由市電電源向負載供電。只有當市電交流輸入電壓超出允差時，逆變器才向負載供電。然而，術(shù)語“離線（off-line）”也有“不在市電電源上（not-on-the-mains）”之意，即正常情況下市電不向負載供電。而實際上，在正常情況下，負載是由市電電源供電的。為了防止這種定義的混淆，IEC62040-3明確提出，不使用“離線UPS（off line UPS）”這一術(shù)語，而使用“冷備用UPS（passive standby UPS）”術(shù)語。
“在線UPS（on line UPS）”，意思是不論市電交流輸入電源情況如何，負載始終由逆變器供電。但是，術(shù)語“在線（on-line）”也可以理解為"在市電電源上（on-the-mains）"，即負載由市電供電（這與實際情況相反）。為了防止定義的混淆，IEC62040-3明確提出，應(yīng)避免使用 “在線UPS”這一術(shù)語，而只使用“雙變換UPS”術(shù)語。
在線互動UPS（line interactive UPS）的漢語名稱與英語名稱不符，因為line 不是on line ，所以不是“在線”。實際上line 是指市電（the mains）。因此，“line interactive UPS” 應(yīng)譯為“與市電交互UPS”，或“與市電互動UPS” 。
此外，由于雙變換UPS （double conversion UPS）（即老名稱“在線UPS”）被公認為實際性能最好的UPS 系統(tǒng)。在市場競爭中，出現(xiàn)了一些奇怪UPS的名稱，例如，“準在線UPS（quasi online ups）”、“半在線UPS（semi online ups）”、“真在線UPS（true online ups）”、“在線均分技術(shù)（online-sharing technology）”等等。相關(guān)UPS廠家提出這些UPS名稱的目的是試圖讓用戶相信其UPS產(chǎn)品是雙變換UPS。實際上，這些產(chǎn)品并不是雙變換UPS，不能提供用戶所希望的性能和可靠性。
針對這種情況，IEC62040-3 除了廢除不科學、不適當?shù)睦系腢PS名稱、規(guī)定了新的UPS名稱外，還提出了UPS 按性能分類的方法。這個分類方法基于UPS輸出電壓和輸出頻率與UPS 輸入電源的參數(shù)的關(guān)系，提出了UPS 性能分類代碼。按性能分類的目的是提供一個共同的基礎(chǔ)，使用戶可以在相同條件下，對額定功率相近的不同廠家的UPS產(chǎn)品進行比較。
符合IEC62040-3國際標準的UPS將由廠家按規(guī)定進行性能分類代碼的標識。用戶一般應(yīng)避免采用未標識性能分類代碼的UPS產(chǎn)品。
我國國標GB7260 已等效采用IEC62040-3國際標準，今后國產(chǎn)UPS 產(chǎn)品也應(yīng)標識UPS 性能分類代碼。在進行UPS 選型時應(yīng)注意選用已標識UPS 性能分類代碼的UPS。
本文闡述IEC62040-3（和GB7260）規(guī)定的UPS 的性能分類方法和標準化的UPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并介紹高可用度的并聯(lián)冗余UPS 和分布冗余UPS。 1、UPS 性能分類代碼
UPS 性能分類代碼由三部分組成。（例如 VFI-SS-123 ，這是分類代碼的一個例子）
最前面的三個字符規(guī)定在正常工作方式下的電源質(zhì)量。表示UPS輸出電壓和頻率與交流輸入電源（市電）電壓和頻率的關(guān)系。
中間的兩個字符規(guī)定在正常工作方式（包括暫時的靜態(tài)旁路工作）和儲能方式下的輸出電壓波形。表示是正弦波或非正弦波。
最后三個字符規(guī)定在不同條件下UPS瞬態(tài)輸出電壓性能。表示是否符合標準規(guī)定的瞬態(tài)電壓性能。
1.1 電源質(zhì)量的分類選項(三個字符或兩個字符）
以下各選項均表示在正常工作方式下的電源質(zhì)量。可以為VFI，VFD，VI。
•VFI： 表示這種UPS的輸出與市電電源的電壓和頻率無關(guān)。
•VFD： 表示這種UPS的輸出取決于與市電電源的電壓和頻率變化。
•VI： 表示這種UPS的輸出（頻率）取決于市電電源的頻率變化。輸出電壓與市電電壓無關(guān)
1.2 輸出電壓波形的分類選項（兩個字符）
第一個字符表示在正常和旁路方式下的輸出電壓波形。可以為S，X，Y。
第二個字符表示在儲能方式下的輸出電壓波形。可以為S，X，Y。
•S： 表示在所有線性和基準非線性負載條件下，輸出波形均為正弦波，其總諧波失真因數(shù) D小于0.08 。
•X： 表示在線性負載條件下，輸出波形均為正弦波（與S相同），在非線性負載條件下（如果超過規(guī)定的極限），其總諧波失真因數(shù) D大于0.08 。
•Y： 輸出波形是非正弦波。
1.3 瞬態(tài)電壓性能的分類選項（三個字符）
第一個字符表示改變工作方式時的輸出電壓瞬態(tài)性能。可以為1，2，3。
第二個字符表示在正常/儲能方式下，帶線性階躍負載時的輸出電壓瞬態(tài)性能（最不利的情況） 。可以為1，2，3。
第三個字符表示正常/儲能方式下，帶基準非線性階躍負載時的輸出電壓瞬態(tài)性能（最不利的情況） 。可以為1，2，3。
•1： 表示瞬態(tài)電壓≤ 圖 1 的1類輸出動態(tài)性能數(shù)據(jù)（無中斷或無零電壓出現(xiàn)）。
•2： 表示瞬態(tài)電壓≤ 圖2 的2類輸出動態(tài)性能數(shù)據(jù)（輸出電壓為零持續(xù)1ms）。
•3： 表示瞬態(tài)電壓≤ 圖3 的3類輸出動態(tài)性能數(shù)據(jù)（輸出電壓為零持續(xù)10ms）。
圖1 1類輸出動態(tài)性能
圖2 2類輸出動態(tài)性能
圖3 3類輸出動態(tài)性能
1.4 完整的UPS分類代碼
下面是典型的UPS完整的分類代碼：
電源質(zhì)量 輸出波形 輸出動態(tài)性能
VFI — SS — 111
VI — SX — 222
VFD — SY — 333
實際的UPS產(chǎn)品的性能分類代碼舉例：
Powerware 9370 ：VFI-SS-111
Powerware PB4000（BORRI 4000）：VFI-SS-111
Socomec DELPHYS MP：VFI-SS-111
AEG/SAFT SVS Power System：VFI-SS-111
2、UPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 UPS性能分類代碼與UPS內(nèi)部結(jié)構(gòu)
綜上所述，UPS 按性能分類，可分為三類，用代碼表示為：
VFI （UPS的輸出與市電電源的電壓和頻率無關(guān)）
VFD （UPS的輸出電壓和頻率取決于與市電電源的電壓和頻率）。
VI （UPS的輸出（頻率）取決于市電電源的頻率變化。輸出電壓與市電電壓無關(guān)）
然而，實際上，UPS按性能分類的VFI、VI、VFD與按UPS內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)分類的雙變換、市電交互、冷備用單機UPS系統(tǒng)是密切相關(guān)的。
UPS性能分類代碼表示的是UPS輸出電壓和頻率與市電電源的關(guān)系、輸出波形和動態(tài)性能，這些性能和功能指標都是與UPS單機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)的。
在前面給出的完整UPS性能分類代碼的例子中 ，VFI-SS-111，VI-SX-222，VFD-SY-333和單機UPS系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系如下：
2.1.1、VFI-SS-111，雙變換UPS
性能分類代碼VFI-SS-111表示UPS輸出電壓和頻率與市電電壓、頻率無關(guān)。要達到這個要求，必須在正常方式下，通過直流中間環(huán)節(jié)再生一個交流電源。這種UPS技術(shù)就是雙變換UPS，它也能滿足對正弦波輸出波形和1類輸出動態(tài)性能（圖1）的要求。 2.1.2、VI-SX-222，市電交互UPS
性能分類代碼VI-SX-122表示UPS輸出電壓與市電電源電壓無關(guān)，但輸出頻率與市電頻率有關(guān)。
這種UPS技術(shù)就是市電交互UPS。其輸出電壓可以調(diào)節(jié)到某個極限內(nèi)，可以認為UPS 輸出與市電電壓無關(guān)，但輸出頻率取決于市電頻率。這種UPS在正常方式下不需要直流中間環(huán)節(jié)。這種UPS在工作方式轉(zhuǎn)換時不能滿足1類輸出動態(tài)性能的要求，只能滿足輸出2類動態(tài)性能（圖2）的要求。
2.1.3、VFD-SY-333，冷備用UPS
性能分類代碼VFD-SY-333表示UPS輸出電壓和頻率取決于市電電源電壓和頻率。在正常方式下，市電電源的各種干擾都會影響到負載。這種UPS技術(shù)就是冷備用UPS。這種UPS在市電故障時，啟動逆變器，負載由機械開關(guān)轉(zhuǎn)換到逆變器供電，轉(zhuǎn)換時間大約4～8ms。因此，只能滿足3類輸出動態(tài)性能（圖3）的要求。
VFI-SS-111，VI-SX-222，VFD-SY-333對應(yīng)的單機UPS系統(tǒng)及其特點如表1 所示。
表1 IEC 62040規(guī)定的UPS分類與其對應(yīng)UPS 系統(tǒng)
下面簡單介紹這三種標準化單機UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點。
2.2 冷備用UPS （passive standby UPS）
冷備用UPS如圖4所示。這種UPS 有正常和儲能兩種工作方式。
在正常工作方式下，負載由市電電源經(jīng)UPS開關(guān)直接供電。也可以采用一些附加設(shè)備（例如鐵磁諧振變壓器或自動改變抽頭的變壓器）對輸入電源進行簡單的調(diào)節(jié)后為負載供電。整流器給蓄電池充電。
當交流輸入
電源指標超出UPS的預(yù)定允差時， UPS轉(zhuǎn)入儲能工作方式，啟動逆變器，負載由蓄電池經(jīng)逆變器直接或通過UPS開關(guān)（電子開關(guān)或機械開關(guān)）供電。從市電供電向蓄電池供電的轉(zhuǎn)換過程將引起4～8ms 的中斷時間。
蓄電池/逆變器組合將一直為負載供電到蓄電池放電終止。或者供電到交流輸入電源恢復(fù)，負載轉(zhuǎn)換回由輸入交流電源供電。（以先到者為準）
這種UPS是最簡單、最經(jīng)濟的UPS。
但是有一些嚴重的缺點，（1）負載沒有與市電電源的干擾隔離。（2）市電停電時負載轉(zhuǎn)換為由逆變器供電的過程中供電中斷時間較長，對許多重要的應(yīng)用場合（特別是IT系統(tǒng)）是不適合的。（3）在正常工作方式下輸出電壓和頻率沒有調(diào)節(jié)，取決于市電的電壓和頻率。
因此這種UPS僅適用于小容量系統(tǒng)。
圖4 冷備用UPS
2.3 市電交互UPS （line interactive UPS）
2.3.1 典型的市電交互UPS
市電交互UPS如圖5所示，系統(tǒng)由電源接口電路、逆變器、蓄電池、UPS開關(guān)等所組成。接口電路包括靜態(tài)開關(guān)和電感（扼流圈）。逆變器是雙向變換器，即有市電時將市電交流電整流為直流電給蓄電池充電；市電停電時將蓄電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟姙樨撦d供電。
市電交互UPS有三種工作方式：正常方式、儲能方式和旁路方式。
在正常方式下，交流輸入電源（市電）與逆變器并聯(lián)、相互作用向負載供電，逆變器進行輸出電壓的調(diào)節(jié)，交流輸入電源（市電）供給負載電流，并給蓄電池充電。系統(tǒng)輸出頻率等于交流輸入電源的頻率。因為逆變器的輸出頻率必須與市電頻率相同，才能通過控制逆變器與市電之間的相位角，使兩者相互作用，向負載提供穩(wěn)定的電源，并實現(xiàn)對蓄電池的充電。因此，稱為市電交互UPS。
當交流輸入電源電壓超出UPS預(yù)定的允差時，UPS工作在儲能方式。
在儲能方式下，負載由蓄電池通過逆變器繼續(xù)為負載供電。此時電源接口電路中的靜態(tài)開關(guān)斷開，以防止逆變器電源反饋到市電電源。蓄電池/逆變器組合一直為負載供電到蓄電池放電終止。或者供電到交流輸入電源恢復(fù)，負載轉(zhuǎn)換回由輸入交流電源供電。
旁路方式是指在UPS故障或過載時，負載切換到由旁路電源供電。
市電交互UPS的優(yōu)點是成本較低，提供了輸出電壓的調(diào)節(jié)。
市電交互UPS的缺點：（1）負載沒有與市電電源的干擾真正的隔離。（2）不能進行輸出頻率的控制，輸出頻率取決于市電頻率。（3）輸出電壓調(diào)節(jié)性能一般，因為輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過市電與逆變器并聯(lián)完成的。
圖5 市電交互UPS
2.3.2 Delta 變換UPS（Delta conversion UPS）
Delta 變換UPS是20世紀90年代研制開發(fā)的一種性能優(yōu)良的，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電能變換上引入了新的概念，在某些技術(shù)性能指標上獲得了突破性進展的UPS。該項技術(shù)至今在國際上仍有爭議，IEC62040 也沒有明確規(guī)定Delta 變換UPS。
根據(jù)國際標準IEC62040-3關(guān)于UPS性能分類的規(guī)定，國際上UPS 行業(yè)多數(shù)意見認為Delta 變換UPS屬于市電交互UPS，或者是市電交互UPS的一種變形，因為其輸出頻率取決于市電電源的頻率，性能分類代碼為VI。 Delta 變換UPS的系統(tǒng)組成如圖6所示，包括兩個逆變器、交流輸入開關(guān)、Delta 變壓器和旁路開關(guān)等。其中一個逆變器稱為Delta 逆變器，另一個稱為主逆變器。Delta 逆變器的額定容量為負載容量的30%，主逆變器的額定容量為負載容量的100%。Delta 變壓器的原邊繞組串聯(lián)接在市電和UPS 輸出之間。Delta 逆變器和主逆變器都是雙向變換器，它們可以將交流電變?yōu)橹绷麟姡瑫r有可以將直流電變?yōu)榻涣麟姟?/p>
主逆變器是恒壓源，它精確控制功率平衡點（PBP）的電壓大小和電壓波形。因此在Delta 變壓器的原邊繞組兩端的電壓等于市電交流輸入電壓和功率平衡點上的固定電壓的差值。Delta 變壓器原邊繞組的電壓控制副邊繞組的電壓。
Delta逆變器是可變電流源。Delta 變壓器 邊繞組的電流取決于Delta逆變器輸出電流。Delta 變壓器 邊電流是由副邊電流調(diào)節(jié)的。原邊電流的波形還取決于副邊電流的波形。
Delta 逆變器的作用是在Delta變壓器副邊繞組中產(chǎn)生適當?shù)碾娏鳎钥刂剖须娸斎氲皆吚@組的電流。Delta 逆變器還可以控制市電輸入電流波形，使之為正弦波且與電壓同相位，因此可以將輸入功率因數(shù)控制到接近1。負載電流中的諧波電流由主逆變器供給。
Delta 變換UPS 的工作方式如下：
（1）在正常情況下（市電電壓的變化在額定電壓的±15%以內(nèi)）負載由市電經(jīng)Delta 變壓器的原邊繞組供電，主逆變器將PBP平衡點的電壓控制到額定電壓。根據(jù)市電電壓變化范圍，有下面三種不同的情況。
A．當市電電壓等于PBP處的電壓時，Delta 變壓器的原邊和副邊繞組電壓均等于零，無任何功率變換。
B．市電電壓低于PBP的電壓時（例如-15%），Delta 變換UPS從系統(tǒng)輸出端吸取一定的功率經(jīng)主逆變器、Delta 逆變器進行整流、逆變兩次變換，以控制Delta 變壓器的副邊繞組的電流，使從市電輸入的電流增大，以滿足負載的功率需求。在這種情況下Delta 變壓器的原副邊都有電壓和電流，因此有功率變換。這個變換是從副邊至原邊的變換。
圖6 Delta 變換UPS
C．市電電壓高于PBP的電壓時（例如+15%），為了保持功率平衡，Delta 逆變器應(yīng)減小輸入電流。但是負載經(jīng)PBP從市電得到的功率不能滿足負載需要。Delta 變換UPS從Delta 變壓器吸取一定的功率經(jīng)Delta 逆變器、主逆變器進行整流、逆變兩次變換，最后經(jīng)PBP供給負載。由直接市電供給的功率和經(jīng)變換后供給負載的功率正好滿足負載的需要。在這種情況下Delta 變壓器的原副邊都有電壓和電流，因此有功率變換。這個變換是從原邊至副原邊的變換。
蓄電池充電的情況：市電電壓在±15%范圍內(nèi)變化時，都可以給蓄電池充電。控制方法如下：A. 市電電壓等于或低于PBP點的電壓時，控制Delta變壓器副邊電流，使從市電吸取的、送到PBP的電流比負載需要的大，多余的電流即通過主逆變器內(nèi)部的回掃二極管到達DC母線，給蓄電池充電。
B. 市電電壓高于PBP點的電壓時，市電輸入電流仍控制為保持市電電壓為額定值時的電流，此時的市電輸入功率大于負載需要的功率。負載僅從市電吸取所需要的功率，其剩余功率流過Delta變壓器原邊耦合到副邊，再經(jīng)Delta 變換器內(nèi)部的回掃二極管整流到達DC母線，給蓄電池充電。（2）市電停電時或電壓變化超出±15%，負載由蓄電池經(jīng)主逆變器供電。此時主靜態(tài)開關(guān)斷開。（3）Delta 變換UPS 系統(tǒng)故障時，負載經(jīng)旁路由市電直接供電。
2.4、雙變換UPS （Double conversion UPS）
雙變換UPS如圖7所示，由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開關(guān)等所組成。雙變換UPS有正常、儲能和旁路三種工作方式。
在正常工作方式下，整流器將市電交流電整流為直流電，供給逆變器，同時給蓄電池充電。逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┙o負載。因為將負載功率進行了整流和逆變兩次變換，故這種UPS稱為雙變換UPS。
當市電電源停電時或電壓和頻率指標超出允差時，雙變換UPS將轉(zhuǎn)入儲能方式，由蓄電池經(jīng)逆變器不間斷地為負載繼續(xù)供電。
當UPS 的功能部件故障時或UPS 過載時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)將負載直接連接到市電電源（旁路電源），由市電電源供電，即工作于旁路方式。
雙變換UPS的優(yōu)點：
（1）雙變換UPS的優(yōu)點是實現(xiàn)了負載與市電電源干擾的完全隔離，在任何情況下都能為負載提供電壓和頻率穩(wěn)定交流電源；
（2）市電電源停電時UPS 轉(zhuǎn)換至儲能方式的過程中無供電中斷；（3）允許很寬的輸入電壓變動范圍；（4）輸出電壓精度很高；
雙變換UPS的缺點是在正常方式下將100%負載的負載功率進行了整流、逆變兩次變換，損耗較大，影響了系統(tǒng)效率的提高。
圖7 雙變換UPS
2.5、UPS 的性能分類與抑制市電電源干擾的能力
如前所述，UPS性能分類代碼表示的是電源質(zhì)量，包括：（1）UPS輸出電壓、輸出頻率與市電輸入電源的電壓、頻率的關(guān)系；（2）UPS輸出電壓波形；（3）UPS輸出的動態(tài)特性。此外，符合IEC62040規(guī)定的性能分類代碼的各種UPS還具有不同程度的抑制市電電源干擾的能力。
最常見的市電電源干擾主要有以下10種：（1）電源停電（2）電壓下降（3）短時過壓（4）欠壓（5）雷電（6）過壓（7）電壓瞬變（8）頻率波動（9）電壓波形失真（10）電壓諧波。
圖8示出性能分類代碼為VFI、VI和VFD的UPS可以抑制的電源干擾。
最簡單的UPS是VFD級UPS，即冷備用UPS。它能抑制前三種電源干擾，但在電源轉(zhuǎn)換過程中有供電中斷。因此只能用于允許短時供電中斷的負載。
對電壓穩(wěn)定度要求較高的負載需要能抑制前五種電源干擾的VI級的UPS，這就是市電交互UPS。
對電源質(zhì)量和電壓穩(wěn)定度要求最高的負載需要能抑制所有的市電電源干擾的VFI級UPS，這就是雙變換UPS。
圖8 市電電源干擾和UPS性能分類代碼
3 冗余UPS 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.1 概述
IEC62040規(guī)定的各種單機UPS系統(tǒng)，從可靠性和功能性上來看，可以分別滿足不同應(yīng)用場合的需要。在小功率的應(yīng)用場合，各種單機UPS系統(tǒng)都可以采用。在中、
大功率的應(yīng)用場合，可以采用雙變換UPS 系統(tǒng)。應(yīng)該指出，僅僅滿足可靠性和功能性的要求還是不夠的，對于要求高可用度的應(yīng)用場合，還應(yīng)滿足可維性和故障容限的要求，以提高系統(tǒng)的可用度。
VFI級的雙變換UPS是性能最好、可靠性最高的UPS。但是，當UPS、蓄電池需要進行預(yù)防性維護時，負載將被轉(zhuǎn)換到未經(jīng)調(diào)節(jié)的市電電源上，此時負載沒有與市電電源的各種各樣干擾隔離。一般來說，雙變換UPS單機系統(tǒng)的預(yù)防性維護需要的時間是每年約2～4小時。因此，對于不能承受市電的各種干擾的負載而言，UPS的可用度僅為99.95% 。
此外，雙變換UPS單機系統(tǒng)沒有容量的冗余，不能保護內(nèi)部模塊本身的故障。也不能保護設(shè)備的故障。因此，UPS 內(nèi)部模塊、系統(tǒng)和配電均不能同時維護； 內(nèi)部模塊和配電均無故障容限。
所以，雙變換UPS單機系統(tǒng)僅適用于允許UPS停機2～4小時進行維護，在此期間可以由帶有各種干擾的市電電源直接供電的負載。對于要求更高的可用度的應(yīng)用場合，雙變換UPS單機系統(tǒng)就不適用了。
為了提高UPS的可維護性和故障容限，應(yīng)采用冗余UPS系統(tǒng)。冗余UPS系統(tǒng)有并聯(lián)冗余、備用冗余和隔離冗余UPS系統(tǒng)和分布冗余等。
值得說明的是，UPS性能分類代碼不反映UPS系統(tǒng)可用度的情況，因此，UPS 性能分類代碼只與UPS單機系統(tǒng)有對應(yīng)關(guān)系。如果要求較高的可用度，應(yīng)采用由單機UPS組成的冗余UPS系統(tǒng)。冗余UPS性能分類代碼與組成此冗余UPS 的單機UPS的性能分類代碼相同。
下面僅介紹廣泛應(yīng)用的并聯(lián)冗余UPS和正在不斷發(fā)展的分布冗余UPS。
3.2 并聯(lián)冗余UPS
并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)由兩個或多個單機UPS系統(tǒng)組成，各單機UPS系統(tǒng)的輸出并聯(lián)連接到一個公共的配電系統(tǒng)。系統(tǒng)一般按N+1個單機UPS系統(tǒng)配置，其中N個單機UPS系統(tǒng)就足以供給系統(tǒng)全部負載，再增加一個作為備用。因此，如果只有一個單機系統(tǒng)故障，N+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)仍能正常工作。并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)的可用度比單機UPS 系統(tǒng)的高得多。假設(shè)單機系統(tǒng)的可用度為三個9（0.999），則1+1 并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可用度可達到六個9（0.999999）。廠家一般承諾可以6臺UPS 并聯(lián)。但是，當并聯(lián)的單機UPS 系統(tǒng)的數(shù)目增大時，并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可用度的提高的幅度會減小。N很大時，并聯(lián)冗余系統(tǒng)可用度的提高并不明顯。而且，在實際應(yīng)用中，N 較大的N+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的故障率較高。所以，在投資允許的情況下應(yīng)盡量采用1+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)。如果系統(tǒng)容量很大，必須采用N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)時，應(yīng)注意并聯(lián)的單機臺數(shù)不宜太多，建議N≤3。
并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)有四種工作方式：
（1） 正常方式
在正常工作時，所有N+1個單機UPS系統(tǒng)都同步運行并均分負載。如果一個單機UPS 系統(tǒng)故障自動與并聯(lián)冗余系統(tǒng)上斷開或或人為使其脫離系統(tǒng)進行維護時，其余單機UPS系統(tǒng)可以不間斷地給負載供電。
（2） 儲能方式
市電停電時，各個UPS都由蓄電池放電供給逆變器，各個逆變器繼續(xù)并聯(lián)運行，不間斷地為負載供電。
（3）旁路方式
當UPS過載時，負載通過集中的靜態(tài)開關(guān)或分散的靜態(tài)開關(guān)被轉(zhuǎn)換到由旁路電源供電。 （4）維修旁路
如果UPS需要停機進行維護，通過維修旁路開關(guān)將負載轉(zhuǎn)換到由旁路電源供電。
并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)主要有兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，即直接并聯(lián)（分散的旁路）和通過并機柜并聯(lián)（集中的旁路），如圖9A和圖9B 所示。此外，集中旁路還有幾種不同的形式，例如冗余旁路、雙旁路和多旁路等，本文不詳述。
圖9A 并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)（分散的旁路）
圖9B 并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)（集中的旁路）
3.3、 分布冗余UPS
3.3.1 分布冗余UPS 的基本組成
上面介紹的各種冗余UPS系統(tǒng)與單機UPS系統(tǒng)相比已經(jīng)相當可靠了，但是電源系統(tǒng)的冗余只是集中在UPS 設(shè)備，對于每個負載設(shè)備，其輸入電源仍然沒有冗余。在實際運行中，UPS輸出端至負載之間的配電電路（包括開關(guān)和線路）的故障往往多于UPS本身的故障。因此，最重要的不是保證UPS輸出端的電源可靠，而是保證負載輸入端的電源可靠。基于這種考慮，提出了分布冗余UPS。
分布冗余UPS的目的是將電源系統(tǒng)的冗余擴展到每一個負載設(shè)備，而且應(yīng)使電源系統(tǒng)的冗余盡可能接近負載設(shè)備的輸入端。
如圖10所示，分布冗余UPS系統(tǒng)中有兩個獨立的UPS系統(tǒng)，每個獨立的UPS系統(tǒng)都能為全部重要負載供電，構(gòu)成雙母線供電系統(tǒng)。通過適當?shù)呐潆婋娐罚梢詾閱坞娫摧斎牒碗p電源輸入的各種負載設(shè)備供電。
假設(shè)負載需要400kva的UPS系統(tǒng)，構(gòu)成冗余供電系統(tǒng)的常規(guī)方法是：將兩個400kva的UPS連接成并聯(lián)冗余或
隔離冗余系統(tǒng)或備用冗余UPS系統(tǒng)。如采用分布冗余，可將同樣的兩個400kva的UPS用做兩個獨立的UPS。正常時，400kva負載的一半接在其中一臺UPS輸出上（負載母線 1），另一半負載接在另一個UPS輸出上（負載母線 2）。
如后文所述，采用適當?shù)呐潆婋娐罚涂梢栽谒械呢撦d設(shè)備輸入端上（不是在UPS輸出端上）得到了冗余電源系統(tǒng)。即電源系統(tǒng)的冗余已分散到各個負載設(shè)備，因此稱為“分布冗余”。正常時，兩個獨立的UPS系統(tǒng)（兩個負載母線）分別承擔一半負載的供電。當其中一臺UPS故障時，另一臺UPS就會自動地承擔起全部負載的供電。因此，故障UPS可以脫離負載進行維修。
分布冗余UPS 系統(tǒng)的兩個獨立的UPS系統(tǒng)可以采用并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)，也可以采用單機UPS 系統(tǒng)。采用1+1并聯(lián)冗余UPS組成的分布冗余UPS 的可靠性和可用度非常高，但成本為普通的1+1并聯(lián)冗余UPS 的兩倍。采用單機UPS 的分布冗余UPS 系統(tǒng)與1+1并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)的成本基本相同，但其可用度和可靠性比1+1并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)的要高。因此，這種所謂單機分布冗余UPS（或稱為單機雙母線UPS）更為經(jīng)濟適用，更容易為用戶接受。
分布冗余UPS也可以擴容，對于較大應(yīng)用系統(tǒng)，每個獨立的UPS系統(tǒng)可以采用較大容量N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)，也可以采用并聯(lián)無冗余UPS系統(tǒng)（僅為擴大容量而并聯(lián)）。
圖10 分布冗余UPS （雙母線供電系統(tǒng)）
3.3.2 分布冗余UPS的同步問題
對于雙電源負載設(shè)備，只要任何一個輸入電源正常，負載設(shè)備就可以正常工作。當兩個UPS給雙電源負載設(shè)備供電時，只需將兩個UPS電源直接接到雙電源負載設(shè)備的輸入端，當其中一個UPS 出現(xiàn)故障時也不必進行電源轉(zhuǎn)換。因此兩個UPS是完全獨立的，其輸出不必同步。這種配電電路最簡單。
對于單電源負載設(shè)備，其輸入電源是不允許停電的。當兩個UPS給單電源輸入的負載設(shè)備供電時，應(yīng)采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，正常時由其中一個UPS為負載供電，當供電的UPS 故障時或需要維護時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)將負載不間斷地轉(zhuǎn)換到由另一UPS供電。
目前，雙電源輸入的負載設(shè)備正在不斷增加，還有三電源負載設(shè)備。但是大部分負載設(shè)備還是單電源輸入的。因此，分布冗余UPS的配電系統(tǒng)必須考慮兩個UPS 的同步和相互之間轉(zhuǎn)換的問題。
在分布冗余UPS中，兩個UPS的同步是非常重要的問題，兩個UPS 必須在全部時間內(nèi)保持同步。同步不僅可以縮短兩個UPS之間的轉(zhuǎn)換時間，減少單電源輸入的負載設(shè)備供電中斷時間，而且可以有效地保護電源設(shè)備和負載設(shè)備，避免事故發(fā)生。因為如果兩個UPS不同步，進行了不同相位的轉(zhuǎn)換，兩個電源之間就會出現(xiàn)環(huán)流，損壞電源設(shè)備。而且還會損壞負載設(shè)備。例如，對于交流磁性負載（比如變壓器、繼電器線圈和電動機等），交流電源相位的突變會產(chǎn)生非常大的再磁化電流，致使電源設(shè)備過載或使過流保護裝置動作、開關(guān)跳閘。當兩個不同步的電源進行相互轉(zhuǎn)換時，一定要進行中斷的轉(zhuǎn)換。
兩個UPS在正常情況下一般是同步的，因為兩者都同步于同一個旁路電源（市電）。但是在市電故障時（同步源消失），如果兩個UPS都同步于各自的內(nèi)部時鐘，兩者就不會同步。為此，應(yīng)配置了 “負載母線同步電路（LBS）”，以保證在市電停電時，兩個UPS都工作于儲能方式，或者兩個UPS工作于兩個獨立的發(fā)電機組時，也能可靠地同步。 LBS 連續(xù)檢測兩個UPS 的輸出之間的相位關(guān)系，如果失步超過預(yù)定的時間（0.5～5s），LBS 就使指定為“從系統(tǒng)（DSS）”的UPS 同步于指定為“主系統(tǒng)（DMS）”的UPS。在此期間LBS 連續(xù)監(jiān)視兩個系統(tǒng)的旁路輸入電壓的質(zhì)量和同步情況。一旦恢復(fù)正常，LBS就將兩個系統(tǒng)恢復(fù)為同步到各自的旁路輸入電源。
值得順便一提的是，分布冗余UPS 系統(tǒng)中的兩個獨立的UPS 必須在任何時間保持同步，雙變換UPS通過LBS就能做得到。市電交互UPS 和 Delta 變換UPS 正常運行時只能同步于為其供電的市電交流輸入電源，不能進行輸出頻率的控制。這種UPS構(gòu)成分布冗余UPS時，要求所有獨立的UPS的輸入電源（獨立的備用發(fā)電機組）同步運行。每個獨立的UPS模塊還需要有一個內(nèi)部系統(tǒng)同步單元用于蓄電池供電時各獨立UPS模塊的同步。
3.3.3分布冗余UPS的配電電路
1）分布冗余UPS常用配電電路
圖11示出雙母線分布冗余UPS供電系統(tǒng)的常用的配電電路。UPS1和UPS2經(jīng)各自的輸出配電屏為雙電源負載和單電源負載供電。
（1）雙電源負載設(shè)備，只要任何一個輸入電源正常，負載設(shè)備就可以正常工作。因此。只需將兩個UPS輸出經(jīng)UPS輸出配電屏、分配電屏（）直接接到雙電源負載設(shè)備的輸入端，就可以在負載輸入端得
到冗余的電源。當其中一個UPS 出現(xiàn)故障時負載設(shè)備仍能正常工作，不需要靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)進行電源轉(zhuǎn)換。考慮到分布冗余UPS系統(tǒng)還有單電源負載設(shè)備，仍配置了LBS，以保證兩個UPS的同步。這種配電電路完全實現(xiàn)了將電源系統(tǒng)的冗余擴展到負載設(shè)備的電源輸入端。
（2）單電源負載需經(jīng)UPS輸出配電屏、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）轉(zhuǎn)換后再經(jīng)分配電屏（列頭柜）供電。靜態(tài)開關(guān)采用快速先斷后合（break before make）的轉(zhuǎn)換技術(shù)，可確保兩個UPS電源的獨立性，既保證電源切換時不影響負載正常工作，又防止了一個UPS的故障影響另一個UPS。
（3）如果不配置LBS，只能構(gòu)成非同步的雙母線分布冗余UPS供電系統(tǒng)，此時雙電源負載的配電電路與前述相同。而單電源負載就只能接在一個母線上，不再是雙母線供電了。當全部負載都是雙電源負載，或者雙電源負載多，單電源負載很少時，這種不同步的雙母線供電系統(tǒng)方案也是可行的。
圖11 雙母線分布冗余UPS的常用配電電路
2）超高可用度的分布冗余UPS配電電路
圖12 示出一種可用度非常高的雙母線分布冗余UPS配電電路。在此電路中，UPS1和UPS2構(gòu)成雙母線分布冗余UPS系統(tǒng)。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS1和STS2的兩個輸入電源均引自UPS1的輸出配電屏1和UPS2的輸出配電屏2。STS1整定為UPS1為主用，其輸出接到分配電屏1（列頭柜1），STS2整定為UPS2為主用，其輸出接到分配電屏2（列頭柜2）。各個雙電源負載的兩路輸入電源均引自分配電屏1和分配電屏2。單電源負載再經(jīng)“使用點轉(zhuǎn)換開關(guān)”供電，“使用點轉(zhuǎn)換開關(guān)”的兩個輸入電源也引自分配電屏1和分配電屏2。
在正常情況下，UPS1和UPS2 各帶一部分負載，因此避免了其中一個UPS 故障時需要進行100%的負荷轉(zhuǎn)換。這種配電電路的成本很高，因為雙電源負載也增加了STS ，單電源負載增加了“使用點轉(zhuǎn)換開關(guān)”（采用機械開關(guān)）。但是，整個供電系統(tǒng)，從UPS設(shè)備直到雙電源負載的電源輸入端和單電源負載的使用點轉(zhuǎn)換開關(guān)之前的電路，都可以脫離系統(tǒng)進行維護。
分布冗余UPS還可以組成三母線、四母線等供電系統(tǒng)，本文不贅述。
圖12 超高可用度的雙母線分布冗余UPS配電電路
分布冗余UPS系統(tǒng)與單機、并聯(lián)冗余或隔離冗余相比，可維護性和故障容限得到了很大的提高。采用雙母線配電，可以將負載全部轉(zhuǎn)換到一個母線上（不必象并聯(lián)冗余UPS那樣轉(zhuǎn)換到旁路），由一個UPS 供電。而另一個UPS 及其斷路器、配電設(shè)備都可以脫離系統(tǒng)進行維護。因此可以得到連續(xù)的可用度。
分布冗余UPS系統(tǒng)比并聯(lián)冗余或隔離冗余系統(tǒng)簡單、便宜。最普通的方法是用兩臺單機UPS和LBS構(gòu)成雙母線分布冗余UPS系統(tǒng)。不需要增加系統(tǒng)級控制設(shè)備。由于采用了雙母線和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，使單電源負載也具有類似于雙電源負載的功能性。因此，分布冗余UPS系統(tǒng)在進行預(yù)防性定期維護時的風險較小。 4 結(jié)束語
由于國際上UPS 的名稱尚未統(tǒng)一，有些UPS 的名稱容易引起混淆；而且，其性能與其名稱不符。 IEC62040 規(guī)定了新的標準化UPS 名稱和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及UPS性能分類方法。UPS 性能分類代碼表示的是UPS 電源的質(zhì)量，包括UPS 輸出電壓和頻率與其交流輸入電源（市電）的關(guān)系，輸出電壓波形和動態(tài)特性。UPS 性能分類代碼是評價UPS 性能的最簡單、最直觀的方法。不同的性能分類代碼對應(yīng)于不同的標準化UPS 系統(tǒng)。但性能分類代碼不反映UPS 系統(tǒng)的可用度。冗余UPS 的性能分類代碼與組成冗余系統(tǒng)的單機系統(tǒng)的性能分類代碼是相同的。
UPS 產(chǎn)品應(yīng)由廠家按照標準規(guī)定進行性能分類代碼的標識。用戶應(yīng)采用已標識性能分類代碼的UPS產(chǎn)品。對于尚未標識性能分類代碼的UPS 產(chǎn)品，用戶應(yīng)要求廠家做出解釋。
本文闡述了IEC62040 規(guī)定的UPS 性能分類方法和標準化UPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并介紹了高可用度的冗余UPS系統(tǒng)，其中包括目前廣泛應(yīng)用的并聯(lián)冗余UPS 系統(tǒng)和正在不斷發(fā)展的分布冗余UPS 系統(tǒng)（雙母線UPS供電系統(tǒng)）。并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)具有UPS模塊的冗余，在一定程度上提高可維護性和故障容限；改善了系統(tǒng)可用度，適用于電信系統(tǒng)各種負載。分布冗余UPS系統(tǒng)具有UPS模塊、UPS系統(tǒng)和UPS配電的冗余；因此具有UPS模塊、UPS系統(tǒng)和UPS配電同時維護和故障容限的性能，可達到連續(xù)的（100%）可用度。這種分布冗余UPS系統(tǒng)技術(shù)正在發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴大；預(yù)計不久將會成為用于電信等重要負載的主流UPS 系統(tǒng)。