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1.引言 隨著人們對生活品質要求的提高，家庭、辦公室、工廠等均朝著信息化、自動化的方向發展。與此同時，人們對高品質電力的需求也在日益增加。盡管UPS技術的發展不像計算機技術那么迅猛，但也是今非昔比。UPS技術發展到今天，其功能已經從最初單純的供電發展到今天的多功能并舉。現在的UPS不僅可以在計算機無人值守時定時開機關機，也可以在市電發生異常后通知計算機，還可按事先約定的順序關機，甚至還擁有通過聯網及遠程通訊進行遠程監控的能力。目前UPS技術未來發展的趨勢是朝向網絡化，智能化和數據通信一體化發展。 2.UPS的冗余技術 在UPS的應用中，用戶為了提高運行中的可靠性，往往要求幾臺UPS冗余連接。UPS的冗余數目，從理論上講是是否越多越好，但在實際應用中并非如此簡單，單輸出均流這一項指標就帶來好多問題。在三相UPS中，若作到均流，就必須保證并聯的各UPS的對應相電壓和相位保持在一個最小的誤差值，并聯臺數越多，越不易達到一致，即使當時達到了一致，隨著時間的推移、溫度的變化，塵埃的侵入，器件的老化，冷卻系統造成的振動以及濕度和腐蝕性氣體的破壞等等因素都時刻在破壞著這種平衡，當并聯臺數達到一定數量后，可靠性開始降低，這就是從量變到質變。單從理論推導出來的結論是在一定的理想條件下作出的，它和實際一直在變化著的情況是有距離的。 就目前的UPS制造技術和工藝水平而言，已可使UPS的故障率大大降低。例如：中、小型UPS平均無故障工作時間（MTBF）已做到5～14萬小時，對大型UPS而言，它的MTBF可達24萬小時以上。然而，即使對于這樣高質量的系統，也不能確保它的故障率為零。在UPS中可采用具有容錯功能的冗余配置方案來解決這個問題。所謂“容錯”特性，是指在整個UPS供電系統中，如果因故造成個別機器出故障時，該UPS供電系統自動將有故障的機器“脫機”進行檢修的同時，整個UPS供電系統必須繼續向用戶提供高質量電源。由于在冗余式UPS供電系統中，采用了多臺UPS組合起來共同承擔向負載供電的任務，因此如何正確地解決好多臺UPS輸出的交流電源以同頻率、同相位和同幅度的方式運行是能否成功地實現多臺UPS冗余供電的關鍵。就目前所掌握的資料來看，有如下幾種冗余配置方案可供用戶選擇：主機－從機型的“熱備份”UPS供電方式；直接并聯供電方式；雙總線冗余供電方式。 2.1 USP熱備份連接 任何具有旁路環節的UPS都可以進行熱備份連接，兩臺UPS熱備份連接時，只需將一臺UPS1的旁路的輸入端與市電斷開，并連接到另一臺UPS2的輸出端，就構成了兩臺UPS熱備份冗余系統。在正常情況下由UPS1向負載供電，而UPS2處于熱備份狀態空載運行；當UPS1故障時，UPS2投入運行接替UPS1繼續向負載供電。只有當UPS2由于過載或逆變器故障時，才閉合旁路開關，負載改由市電供電。 這種UPS的熱備份連接一般不超過兩臺，它不能增加系統的輸出容量，尤其是兩臺不同容量的USP連接時，該系統的輸出容量不能超過其中容量較小的那一臺的功率。 2.2 UPS的并聯連接 UPS的并聯連接并不象熱備份連接那么容易。因為所有UPS的輸出阻抗不可能一樣，加之各逆變器的輸出電壓和市電電壓鎖相都具有正負誤差，則各個UPS的電壓即有相位差又有幅值差，因此用普通UPS直接并聯是危險的，只有具備并聯功能的UPS才能并聯。 并聯連接的優點在于它不但可以提高可靠性，而且過載、動態性能比熱備份方式好得多，并且可增容。并聯連接的方式有下述幾種： 2.2.1 主從式并聯系統 這種方式是并聯系統中有一臺UPS為主機，其它為從機。 2.2.2 無主從并聯系統 系統中任一臺UPS既是主機又是從機，哪一臺UPS先開機它就是主機。 2.3 并聯冗余系統的關鍵技術 無論那一種并聯冗余系統，都必須解決以下一些關鍵技術問題。 2.3.1 并聯運行的各單機或模塊的均流問題。實踐證明，并聯單機間的環流是造成UPS逆變器故障的主要原因，這個問題解決不好，不僅可靠性得不到提高，而且適得其反。目前控制并聯系統中的各UPS的負載電流均衡的方法主要有有功、無功環流控制法、電壓-頻率下垂特性控制法、主從模塊控制法、負載母線同步法等，模塊間的負荷電流不均衡性已可以控制在5%以內。 2.3.2 模塊間的均流控制信號的可靠傳送問題。模塊間的信號傳輸線實際上構成了系統的故障瓶頸，電磁干擾或其它的物理毀損都會造成系統故障，所以，均流信號力求簡單，要采取強抗干擾編碼技術，互連線越少越好。 2.3.3 無互連線均流機理的研究與開發。UPS并聯冗余系統的最理想狀態是并聯單機間無任何控制信號連線，從而消除了并聯系統的故障瓶頸，國內外關于這方面的工作已取得一些進展，有些已在產品中得到實現。 2.3.4 均流控制電路的冗余問題。既然有互連線并聯系統的故障瓶頸現象的存在，可以采取均流控制電路冗余來消除之。 2.3.5 熱插拔電路及接插件技術。對于模塊并聯系統，可以根據負載情況進行組件的熱插拔，以方便用戶進行系統擴容和組件的維修，并可在不停機的情況下添加或減少組件。 3.UPS的綠色技術 3.1 優越的功率因數指標 UPS有兩個功率因數指標： 3.1.1 UPS輸入功率因數。輸入功率因數是一個重要指標。提高此項指標不僅可以降低線路損耗，節約電能，消除火災隱患，還可以減少對市電的諧波污染，提高市電的供電質量，獲得較大的經濟效益及社會效益。傳統提高輸入功率因數的方法為無源功率因數校正技術，而現在發展為：單相市電輸入的UPS采用有源功率因數校正技術，三相市電輸入的UPS采用SPWM高頻整流來提高UPS輸入功率因數。最理想的輸入功率因數是1，表明輸入電壓和電流均為正弦波時其相位完全相同。 3.1.2 UPS輸出功率因數。輸出功率因數是適應不同性質負載的能力。輸出功率因數在2001年《YD/T 1095-2000通信用不間斷電源——UPS》標準中，使用了輸入功率因數的概念，在電氣性能技術要求中，分三個等級分別給出了指標，并提出了試驗方法。但是在定義部分沒有給出明確的解釋，也許是因為它已經廣泛應用，并約定俗成。 不過另一個概念，輸出功率因數的應用卻并非約定俗成，同樣沒有給出明確、清晰的定義。只在電氣性能技術要求中給出指標：輸出功率因數≤0.8。并在輸出功率因數的試驗方法中提到：“調節非線性負載的輸入功率因數在小范圍內變化，由電力多功能分析儀測得非線性負載的輸入功率因數應符合技術要求的規定，并使得UPS輸出達到額定容量，UPS能正常工作�！憋@然在這里測得的數據是UPS負載的功率因數，這個數據范圍的大小是用來衡量UPS輸出能力大小的。 但是由于“輸出功率因數”這個概念本身的模糊狀態，以及這個概念本身隱匿的邏輯上的矛盾，導致了理解這個概念時出現的諸多歧義。 首先，功率因數這個概念是針對負載而言的，非線性負載中，電流和電壓出現相位差，導致負載和電源間吞吐互換的無功功率出現，功率因數反映了負載從電源中獲取有功功率的能力。對UPS來說，UPS的輸入功率因數反映了UPS從電網中獲取有功功率的能力，也可以衡量UPS對電網的污染程度。功率因數越大，獲取有功功率的能力越強，對電網的污染程度越小。 但是UPS的“輸出功率因數”這個概念是衡量UPS輸出能力的一個指標。顯然，這里UPS是作為負載的供電設備出現的，而“功率因數”這個概念是專為負載量身定做的，它反映的是負載的某些性質。于是我們借用“功率因數”的概念加上“輸出”兩字，來描述作為供電設備的UPS的輸出能力。這種前后矛盾的組合導致了很多理解上的歧義和邏輯上的混亂。 例如，UPS的“輸出功率因數”的大小是由UPS負載的功率因數決定的，我們認為負載功率因數越大，它獲得有功功率的能力越強，但是由負載功率因數決定的“輸出功率因數”越大，表示UPS的輸出能力越小。 另外，作為一項衡量UPS輸出能力的技術指標，“由于UPS輸出能力有限，不可能滿足任意非線性負載的要求，約定以計算機類負載的輸入功率因數作為UPS的輸出功率因數指標，約定≤0.8。既然UPS輸出功率因數的大小由負載的功率因數決定，那么直接用“負載功率因數”的概念來衡量UPS的輸出能力更為清晰。 現代概念的UPS強調的不僅僅是對其保護的負載提供純正的正弦電壓，而且越來越注重對公共電網的環境保護意識，尤其是中大功率的UPS，在諧波污染、無功損耗等方面對電網的影響更加突出，這方面有著嚴格的指標要求。 傳統的UPS整流器、充電器大多采用晶閘管相控整流電路外加輸入側的無源濾波器，最高可使輸入功率因數提高到0.9，電流諧波THD＜5%，再想提高輸入功率因數、降低諧波含量其濾波器的體積和成本難以令人接受。因此，對中大功率的三相UPS可以在其網側設置由電力電子電路構成的有源濾波器來吸收諧波和無功進行補償。近年來，12脈波整流器在中大功率的三相UPS中得到較多的采用。通過多相整流及其變壓器的作用，在無輸入濾波器的情況下可以使網側電流THD＜9%，輸入功率因數提高到0.92左右。但是，系統的成本比較高、體積比較大，控制也比較復雜。 解決UPS整流器無功問題的另一個措施是采用不可控整流電路外加直流側電容濾波。這種電路的網側輸入功率因數可達到0.99以上，同時也省掉了繁雜的可控整流電路的控制驅動部分。但是，網側的諧波卻沒有降低，仍必須增設網側濾波器。另外，為給蓄電池充放電，直流側必須設置雙向直流變換器。 要使UPS整流器對電網的影響小，最好采用高頻整流技術。高頻整流器通過高頻PWM控制，可使輸入電流與輸入電壓同相位，網側功率因數為1；又由于高頻化，網側只需要高頻濾波器，該濾波器的體積可以非常小，只要載波的頻率足夠高，就可以利用線路雜散電感和很小的電容進行濾波，實現輸入電流正弦化。當然，在UPS中采用高頻整流器也不是十全十美，直流電壓高出電網電壓的峰值，要么增加蓄電池串聯數量，結果使故障率增高；要么采用降壓變壓器，結果使整機的效率降低，而且采用高頻整流器的技術難度比高頻逆變器的技術難度要高，控制不當極易造成器件的損壞，但無論如何，采用高頻整流器將成為今后UPS整流器的主要發展方向之一，高頻整流器的一些性能指標將會得到改進與提高。 此外，在UPS結構上進行改進，避免傳統的整流加逆變的串級級聯模式，也可以克服功率龐大的相控整流器對電網的干擾和影響，甚至可以對電網起到一定的調節作用。例如，曾經一度被冷落的三端口式UPS若采用PWM高頻變換器技術，既可以實現輸入電流的正弦化和輸出電壓的穩壓作用，又對電網的諧波干擾非常小，系統的運行效率也很高，只是在穩定輸出交流電壓的前提下對功率因數進行校正比較困難。采用類似于電力潮流控制器的串聯功率變換器加并聯功率變換器結構的UPS，在降低對電網干擾方面既可以實現輸入電流的正弦化又可以使輸入功率因數為1或為所需的任意值，系統運行效率也較高，此種UPS接入電網不僅不會造成電網的無功電流的增加，而且還可以適量地對電網無功進行調節。但是這兩種結構的UPS都存在固有的不足，即一旦電網頻率超出UPS輸出頻率指標要求范圍就只有進入蓄電池供電的逆變運行狀態。 總之，在降低對電網的干擾影響方面可采取的技術措施和電路結構種類比較多，其中對于小功率的UPS主要采用PFC整流器和高頻PWM整流器及其相應的控制技術，對于大中功率的UPS采用高頻PWM整流器尚有開關損耗不易解決的問題，采用串聯功率變換器加并聯功率變換器結構則比較適合于三相大功率UPS，具有較廣闊的發展應用前景。 4.新一代UPS 4.1 全數字化的UPS 功率MOSFET及IGBT的問世為UPS開拓出一條光輝燦爛之路，使UPS技術步入嶄新的時代——全數字化時代。 首先，UPS的輸入部分取消了用于與市電隔離的工頻變壓器或為降壓用的自耦變壓器,而采用SPWM技術實現整流高頻化（AC/DC）。一方面減少直流側濾波器尺寸，改善直流側調節性能,提高市電電壓允許變化范圍；另一方面在控制技術中采用數字信號處理器DSP （DIGITAL SIGNAL PROCESSOR）控制，使輸入電流正弦化，并與市電電壓同相，從而實現UPS高輸入功率因數（PF≈1），消除對市電的諧波“污染”，達到環保目的，大幅度減少無功損耗，明顯降低了運行成本。 其次，取消了UPS逆變器中的工頻變壓器，用高頻變壓器來實現UPS與市電的隔離，而UPS的輸出級采用SPWM變換方式(不用變壓器直接逆變)輸出工頻電壓。逆變器中的功率MOSFET或IGBT工作頻率在20KHZ以上，因此輸出濾波器小而簡單，而且輸出的正弦波非常光滑。 對于UPS內部的蓄電池組采取高頻變換降壓方式（DC/DC）充電，當市電停電，UPS轉換為由蓄電池給逆變器供電時亦采取高頻變換降壓方式（DC/DC）實現。 在逆變器控制電路中采用正弦波直接反饋技術，使其調節高速化，遠遠優于傳統式模擬反饋技術，再加上小的輸出濾波器和20KHZ以上的SPWM調制，使UPS動態響應特性非常好。在逆變器保護電路中采用性能優良的過流保護技術，使逆變器不僅具有較強的過載能力，允許100％負載不平衡（指三相逆變器），而且具有強有力的自身保護。也正是在上述條件保證下，拋棄了傳統式逆變器輸出變壓器，不僅噪音低而且效率高。全數字化UPS是新一代UPS，它除具有高質量、高可靠、高指標、多功能等特點。 4.2 智能化UPS UPS的智能化包括系統運行狀態自動識別和控制、系統故障自診斷、蓄電池自動監測管理、智能化內部信息檢測與顯示等。UPS的異地遠程監控包括系統專用遠程監控控制盤、RS232/485通信口與監控PC機間的交互控制、將UPS系統作為網絡的一個節點的網絡交互控制等。 UPS的智能化主要是通過系統的控制軟件實現的。在系統運行狀態識別與控制方面，通過內部傳感器和狀態邏輯及時識別系統所處的運行狀態，判定系統運行程序和運行是否正常，主要包括以下幾個方面： 4.2.1 根據負載被切換到旁路的時間和次數以及切換時的輸入輸出參數等判定系統的運行模式即旁路運行還是主機運行、充電運行還是放電運行等。 4.2.2 根據系統運行的狀態參數識別外部指令，決定執行外部指令的方式，包括系統功能和運行參數的調整。 4.2.3 快速準確的判定系統的故障狀態并采取相應的故障處理措施，如封閉功率變換器、輸出故障參數報警等。 4.2.4 歷史事件的記錄并根據歷史記錄和當前運行參數預測蓄電池的后備時間等。 4.2.5 智能化的人機對話控制操作面板包括圖形顯示等。 4.2.6 并機系統的熱待機到帶載運行的自動判定與轉換。 所有這些都簡化了外部操作程序，有效的防止了系統的誤操作對系統自身和負載所帶來的危害，提高了UPS的可靠性。UPS的智能化的另一個方面是通過運行于PC機內的監控軟件實現的。通過RS232C等接口將UPS與PC機串口連接，并在PC機上運行相關平臺的UPS監控軟件，由PC機定時發送查詢指令，UPS則在規定的時間內返回運行參數信息。由PC機進一步對UPS的運行狀態、故障的具體部位等進行判斷，并在必要時對UPS發出指令進行運行干預和提醒現場維護人員。 4.3 UPS網絡化 在計算機網絡及通信事業迅猛發展的推動下，當今的UPS已在大量引進微處理監控技術的基礎上發展成為一種能在UPS和計算機網絡之間建立起雙向通信調控管理功能。UPS的網絡化有兩方面的含義。一是UPS及其監控系統與其所保護的負載——計算機或局域網絡間的交互作用。當電源出現異常時，UPS內部的微控制器會及時把異常信息發送給它所保護的計算機或局域網，并由監控軟件在相應計算機上發出告警信息，提醒操作員或網絡管理員及時處理，并在UPS供電時間結束前自動中止計算機或局域網的運行，并將現場信息自動存盤，通過MODEM向有關人員發出EMAIL、BP-CALL等。在這個意義上UPS是其保護的網絡的一個接點。另一方面的含義是把UPS當作廣域網絡的一個獨立節點并裝上通訊適配器，給UPS分配獨立的IP地址。這樣，網管員或被授權人可在網絡的任何地方通過網絡象管理計算機一樣對UPS的情況進行實時遠程監控，利用這種控制功能用戶可在計算機網絡終端上實時監控UPS的運行參數（例如：輸入、輸出的電壓、電流和頻率，UPS電池組的充電、放電和電壓值顯示，UPS的輸出功率及有關的故障、報警信息）。此外，用戶還可在計算機網絡終端上對UPS的輸出執行定時的自動開機、自動關機操作。在自動完成將程序和數據轉入磁盤操作之后，再自動“關閉操作系統”。這樣有序的關機操作，將確保用戶的軟件和數據的安全可靠。 UPS生產廠家也可以直接通過網絡了解分布在世界各地的UPS的運行情況，便于向用戶提供系統診斷和維修等的售后服務，提高了服務的快速性和準確性。為實現上述控制功能，在目前市售的先進的UPS上可向用戶提供RS232，DB9、RS485通信接口。對于要求能執行計算機網控管理功能的UPS來說，還應配置簡單網絡管理協議 SNMP （SINGLE NETWORK MANAGEMENT PROTOCOL）卡，才能配套運行。 5.結語 UPS使用MOSFET及IGBT功率元件，使其走向高頻化、小型化、高效率，也延長了蓄電池的壽命；采用冗余技術，進一步增強了UPS的容量和可靠性，而網絡智能化UPS技術不僅提供完全可靠的網絡電源管理，也為節能提供了一種最佳的解決方案�？梢哉fUPS技術總的發展趨勢是逐步向小型網絡智能化和具有長延時方向發展，隨著科技進步，UPS技術在不久的將來也將開辟一個更新的領域。 |
