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1.引言 隨著人們對生活品質(zhì)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(fā)展。與此同時，人們對高品質(zhì)電力的需求也在日益增加。盡管UPS技術(shù)的發(fā)展不像計算機技術(shù)那么迅猛，但也是今非昔比。UPS技術(shù)發(fā)展到今天，其功能已經(jīng)從最初單純的供電發(fā)展到今天的多功能并舉。現(xiàn)在的UPS不僅可以在計算機無人值守時定時開機關(guān)機，也可以在市電發(fā)生異常后通知計算機，還可按事先約定的順序關(guān)機，甚至還擁有通過聯(lián)網(wǎng)及遠程通訊進行遠程監(jiān)控的能力。目前UPS技術(shù)未來發(fā)展的趨勢是朝向網(wǎng)絡化，智能化和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。 2.UPS的冗余技術(shù) 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(shù)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(lián)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(lián)臺數(shù)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(tǒng)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(lián)臺數(shù)達到一定數(shù)量后，可靠性開始降低，這就是從量變到質(zhì)變。單從理論推導出來的結(jié)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(shù)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(zhì)量的系統(tǒng)，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(tǒng)中，如果因故造成個別機器出故障時，該UPS供電系統(tǒng)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(tǒng)必須繼續(xù)向用戶提供高質(zhì)量電源。由于在冗余式UPS供電系統(tǒng)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(xiàn)多臺UPS冗余供電的關(guān)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(lián)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(huán)節(jié)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(gòu)成了兩臺UPS熱備份冗余系統(tǒng)。在正常情況下由UPS1向負載供電，而UPS2處于熱備份狀態(tài)空載運行；當UPS1故障時，UPS2投入運行接替UPS1繼續(xù)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(guān)，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(tǒng)的輸出容量，尤其是兩臺不同容量的USP連接時，該系統(tǒng)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(lián)連接 UPS的并聯(lián)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(lián)是危險的，只有具備并聯(lián)功能的UPS才能并聯(lián)。 并聯(lián)連接的優(yōu)點在于它不但可以提高可靠性，而且過載、動態(tài)性能比熱備份方式好得多，并且可增容。并聯(lián)連接的方式有下述幾種： 2.2.1 主從式并聯(lián)系統(tǒng) 這種方式是并聯(lián)系統(tǒng)中有一臺UPS為主機，其它為從機。 2.2.2 無主從并聯(lián)系統(tǒng) 系統(tǒng)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(lián)冗余系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 無論那一種并聯(lián)冗余系統(tǒng)，都必須解決以下一些關(guān)鍵技術(shù)問題。 2.3.1 并聯(lián)運行的各單機或模塊的均流問題。實踐證明，并聯(lián)單機間的環(huán)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(lián)系統(tǒng)中的各UPS的負載電流均衡的方法主要有有功、無功環(huán)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(nèi)。 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(gòu)成了系統(tǒng)的故障瓶頸，電磁干擾或其它的物理毀損都會造成系統(tǒng)故障，所以，均流信號力求簡單，要采取強抗干擾編碼技術(shù)，互連線越少越好。 2.3.3 無互連線均流機理的研究與開發(fā)。UPS并聯(lián)冗余系統(tǒng)的最理想狀態(tài)是并聯(lián)單機間無任何控制信號連線，從而消除了并聯(lián)系統(tǒng)的故障瓶頸，國內(nèi)外關(guān)于這方面的工作已取得一些進展，有些已在產(chǎn)品中得到實現(xiàn)。 2.3.4 均流控制電路的冗余問題。既然有互連線并聯(lián)系統(tǒng)的故障瓶頸現(xiàn)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(shù)。對于模塊并聯(lián)系統(tǒng)，可以根據(jù)負載情況進行組件的熱插拔，以方便用戶進行系統(tǒng)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(shù) 3.1 優(yōu)越的功率因數(shù)指標 UPS有兩個功率因數(shù)指標： 3.1.1 UPS輸入功率因數(shù)。輸入功率因數(shù)是一個重要指標。提高此項指標不僅可以降低線路損耗，節(jié)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(zhì)量，獲得較大的經(jīng)濟效益及社會效益。傳統(tǒng)提高輸入功率因數(shù)的方法為無源功率因數(shù)校正技術(shù)，而現(xiàn)在發(fā)展為：單相市電輸入的UPS采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，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(shù)。最理想的輸入功率因數(shù)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(shù)。輸出功率因數(shù)是適應不同性質(zhì)負載的能力。輸出功率因數(shù)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(shù)的概念，在電氣性能技術(shù)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(jīng)廣泛應用，并約定俗成。 不過另一個概念，輸出功率因數(shù)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(shù)要求中給出指標：輸出功率因數(shù)≤0.8。并在輸出功率因數(shù)的試驗方法中提到：“調(diào)節(jié)非線性負載的輸入功率因數(shù)在小范圍內(nèi)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(shù)應符合技術(shù)要求的規(guī)定，并使得UPS輸出達到額定容量，UPS能正常工作。”顯然在這里測得的數(shù)據(jù)是UPS負載的功率因數(shù)，這個數(shù)據(jù)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(shù)”這個概念本身的模糊狀態(tài)，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(xiàn)的諸多歧義。 首先，功率因數(shù)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(xiàn)相位差，導致負載和電源間吞吐互換的無功功率出現(xiàn)，功率因數(shù)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(shù)反映了UPS從電網(wǎng)中獲取有功功率的能力，也可以衡量UPS對電網(wǎng)的污染程度。功率因數(shù)越大，獲取有功功率的能力越強，對電網(wǎng)的污染程度越小。 但是UPS的“輸出功率因數(shù)”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(xiàn)的，而“功率因數(shù)”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(zhì)。于是我們借用“功率因數(shù)”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(shù)”的大小是由UPS負載的功率因數(shù)決定的，我們認為負載功率因數(shù)越大，它獲得有功功率的能力越強，但是由負載功率因數(shù)決定的“輸出功率因數(shù)”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(shù)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(shù)作為UPS的輸出功率因數(shù)指標，約定≤0.8。既然UPS輸出功率因數(shù)的大小由負載的功率因數(shù)決定，那么直接用“負載功率因數(shù)”的概念來衡量UPS的輸出能力更為清晰。 現(xiàn)代概念的UPS強調(diào)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(wǎng)的環(huán)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(wǎng)的影響更加突出，這方面有著嚴格的指標要求。 傳統(tǒng)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(cè)的無源濾波器，最高可使輸入功率因數(shù)提高到0.9，電流諧波THD＜5%，再想提高輸入功率因數(shù)、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(wǎng)側(cè)設置由電力電子電路構(gòu)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(wǎng)側(cè)電流THD＜9%，輸入功率因數(shù)提高到0.92左右。但是，系統(tǒng)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(cè)電容濾波。這種電路的網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)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(qū)動部分。但是，網(wǎng)側(cè)的諧波卻沒有降低，仍必須增設網(wǎng)側(cè)濾波器。另外，為給蓄電池充放電，直流側(cè)必須設置雙向直流變換器。 要使UPS整流器對電網(wǎng)的影響小，最好采用高頻整流技術(shù)。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(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1；又由于高頻化，網(wǎng)側(cè)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(xiàn)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(wǎng)電壓的峰值，要么增加蓄電池串聯(lián)數(shù)量，結(jié)果使故障率增高；要么采用降壓變壓器，結(jié)果使整機的效率降低，而且采用高頻整流器的技術(shù)難度比高頻逆變器的技術(shù)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(fā)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(jié)構(gòu)上進行改進，避免傳統(tǒng)的整流加逆變的串級級聯(lián)模式，也可以克服功率龐大的相控整流器對電網(wǎng)的干擾和影響，甚至可以對電網(wǎng)起到一定的調(diào)節(jié)作用。例如，曾經(jīng)一度被冷落的三端口式UPS若采用PWM高頻變換器技術(shù)，既可以實現(xiàn)輸入電流的正弦化和輸出電壓的穩(wěn)壓作用，又對電網(wǎng)的諧波干擾非常小，系統(tǒng)的運行效率也很高，只是在穩(wěn)定輸出交流電壓的前提下對功率因數(shù)進行校正比較困難。采用類似于電力潮流控制器的串聯(lián)功率變換器加并聯(lián)功率變換器結(jié)構(gòu)的UPS，在降低對電網(wǎng)干擾方面既可以實現(xiàn)輸入電流的正弦化又可以使輸入功率因數(shù)為1或為所需的任意值，系統(tǒng)運行效率也較高，此種UPS接入電網(wǎng)不僅不會造成電網(wǎng)的無功電流的增加，而且還可以適量地對電網(wǎng)無功進行調(diào)節(jié)。但是這兩種結(jié)構(gòu)的UPS都存在固有的不足，即一旦電網(wǎng)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(tài)。 總之，在降低對電網(wǎng)的干擾影響方面可采取的技術(shù)措施和電路結(jié)構(gòu)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(shù)，對于大中功率的UPS采用高頻PWM整流器尚有開關(guān)損耗不易解決的問題，采用串聯(lián)功率變換器加并聯(lián)功率變換器結(jié)構(gòu)則比較適合于三相大功率UPS，具有較廣闊的發(fā)展應用前景。 4.新一代UPS 4.1 全數(shù)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(shù)步入嶄新的時代——全數(shù)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(shù)實現(xiàn)整流高頻化（AC/DC）。一方面減少直流側(cè)濾波器尺寸，改善直流側(cè)調(diào)節(jié)性能,提高市電電壓允許變化范圍；另一方面在控制技術(shù)中采用數(shù)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(xiàn)UPS高輸入功率因數(shù)（PF≈1），消除對市電的諧波“污染”，達到環(huán)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(xiàn)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(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)。 在逆變器控制電路中采用正弦波直接反饋技術(shù)，使其調(diào)節(jié)高速化，遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)式模擬反饋技術(shù)，再加上小的輸出濾波器和20KHZ以上的SPWM調(diào)制，使UPS動態(tài)響應特性非常好。在逆變器保護電路中采用性能優(yōu)良的過流保護技術(shù)，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(tǒng)式逆變器輸出變壓器，不僅噪音低而且效率高。全數(shù)字化UPS是新一代UPS，它除具有高質(zhì)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(tǒng)運行狀態(tài)自動識別和控制、系統(tǒng)故障自診斷、蓄電池自動監(jiān)測管理、智能化內(nèi)部信息檢測與顯示等。UPS的異地遠程監(jiān)控包括系統(tǒng)專用遠程監(jiān)控控制盤、RS232/485通信口與監(jiān)控PC機間的交互控制、將UPS系統(tǒng)作為網(wǎng)絡的一個節(jié)點的網(wǎng)絡交互控制等。 UPS的智能化主要是通過系統(tǒng)的控制軟件實現(xiàn)的。在系統(tǒng)運行狀態(tài)識別與控制方面，通過內(nèi)部傳感器和狀態(tài)邏輯及時識別系統(tǒng)所處的運行狀態(tài)，判定系統(tǒng)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(jù)負載被切換到旁路的時間和次數(shù)以及切換時的輸入輸出參數(shù)等判定系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)運行的狀態(tài)參數(shù)識別外部指令，決定執(zhí)行外部指令的方式，包括系統(tǒng)功能和運行參數(shù)的調(diào)整。 4.2.3 快速準確的判定系統(tǒng)的故障狀態(tài)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(shù)報警等。 4.2.4 歷史事件的記錄并根據(jù)歷史記錄和當前運行參數(shù)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(tǒng)的熱待機到帶載運行的自動判定與轉(zhuǎn)換。 所有這些都簡化了外部操作程序，有效的防止了系統(tǒng)的誤操作對系統(tǒng)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(nèi)的監(jiān)控軟件實現(xiàn)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(guān)平臺的UPS監(jiān)控軟件，由PC機定時發(fā)送查詢指令，UPS則在規(guī)定的時間內(nèi)返回運行參數(shù)信息。由PC機進一步對UPS的運行狀態(tài)、故障的具體部位等進行判斷，并在必要時對UPS發(fā)出指令進行運行干預和提醒現(xiàn)場維護人員。 4.3 UPS網(wǎng)絡化 在計算機網(wǎng)絡及通信事業(yè)迅猛發(fā)展的推動下，當今的UPS已在大量引進微處理監(jiān)控技術(shù)的基礎上發(fā)展成為一種能在UPS和計算機網(wǎng)絡之間建立起雙向通信調(diào)控管理功能。UPS的網(wǎng)絡化有兩方面的含義。一是UPS及其監(jiān)控系統(tǒng)與其所保護的負載——計算機或局域網(wǎng)絡間的交互作用。當電源出現(xiàn)異常時，UPS內(nèi)部的微控制器會及時把異常信息發(fā)送給它所保護的計算機或局域網(wǎng)，并由監(jiān)控軟件在相應計算機上發(fā)出告警信息，提醒操作員或網(wǎng)絡管理員及時處理，并在UPS供電時間結(jié)束前自動中止計算機或局域網(wǎng)的運行，并將現(xiàn)場信息自動存盤，通過MODEM向有關(guān)人員發(fā)出EMAIL、BP-CALL等。在這個意義上UPS是其保護的網(wǎng)絡的一個接點。另一方面的含義是把UPS當作廣域網(wǎng)絡的一個獨立節(jié)點并裝上通訊適配器，給UPS分配獨立的IP地址。這樣，網(wǎng)管員或被授權(quán)人可在網(wǎng)絡的任何地方通過網(wǎng)絡象管理計算機一樣對UPS的情況進行實時遠程監(jiān)控，利用這種控制功能用戶可在計算機網(wǎng)絡終端上實時監(jiān)控UPS的運行參數(shù)（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(guān)的故障、報警信息）。此外，用戶還可在計算機網(wǎng)絡終端上對UPS的輸出執(zhí)行定時的自動開機、自動關(guān)機操作。在自動完成將程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入磁盤操作之后，再自動“關(guān)閉操作系統(tǒng)”。這樣有序的關(guān)機操作，將確保用戶的軟件和數(shù)據(jù)的安全可靠。 UPS生產(chǎn)廠家也可以直接通過網(wǎng)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(tǒng)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(xiàn)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(zhí)行計算機網(wǎng)控管理功能的UPS來說，還應配置簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議 SNMP （SINGLE NETWORK MANAGEMENT PROTOCOL）卡，才能配套運行。 5.結(jié)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(shù)，進一步增強了UPS的容量和可靠性，而網(wǎng)絡智能化UPS技術(shù)不僅提供完全可靠的網(wǎng)絡電源管理，也為節(jié)能提供了一種最佳的解決方案。可以說UPS技術(shù)總的發(fā)展趨勢是逐步向小型網(wǎng)絡智能化和具有長延時方向發(fā)展，隨著科技進步，UPS技術(shù)在不久的將來也將開辟一個更新的領域。 |
