中心議題：

•  單機UPS係統弊端
• 發展冗餘式UPS的必然性
• 冗餘式UPS技術發展趨勢

解決方案：

• 提高單台UPS的逆變器設計容量
• 將多台UPS組成“n＋1”型功率均分冗餘模塊

隨著我國通信事業的發展，通信網絡的規模越來越大
，業務種類越來越多。與之相應的通信網絡對交流供電的可靠性、靈活性
、智能化


、免維護方麵的要求越來越高。

作為通信網絡主要交流供電設備之一的交流不間斷供電係統——UPS（UninterruptiblePowerSupply），就成為不可或缺的電力保障和淨化設備正在發揮越來越重要的作用，提高其可靠性、靈活性
、智能化、免維護等方麵的性能已成為廣泛關注的問題。由於傳統單機UPS存在諸多弊端，冗餘式UPS逐漸得到了發展，其技術革新一直倍受關注。

 單機UPS係統弊端
一般的UPS供電係統為單機結構，根據IEC62040-3標準規定，UPS的內部係統主要有以下三種結構形式：冷備用UPS(PassiveStandbyUPS)；市電交互UPS(LineInteractiveUPS)
；雙變換UPS(DoubleConversionUPS)。

1冷備用UPS係統

冷備用UPS係統是最簡單的UPS，如圖1所示。在這種UPS係統中，逆變器與市電並聯連接，作為市電的備用；充電機隻用來給蓄電池充電，不用來給逆變器供電。
                                       

                                                           圖1冷備用UPS係統

冷備用UPS的缺點：

1)負載沒有真正與交流輸入電源的幹擾隔離
，交流輸入電源的幹擾仍會影響關鍵負載。

(2)由於沒有采用靜態開關，交流輸入電源故障時，將負載從交流輸入電源轉換至逆變器所需的轉換時間較長
，不能滿足複雜的靈敏負載的需要。

(3)正常方式下
，沒有輸出電壓和頻率調節

，係統輸出電壓和頻率取決於交流輸入電源的電壓和頻率。

(4)如果交流輸入電源質量較差時，蓄電池就會頻繁放電且得不到充電，其存儲的能量可能會完全釋放，當交流電源故障或停電時，UPS則不能保護負載。

(5)冷備用UPS僅使用於單相小容量(小於2kVA)係統，一般不用於大功率場合。
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2市電交互UPS
市電交互UPS如圖1.2所示。在這種UPS係統中，交流輸入電源(市電電源)和負載之間串聯了電感
，這個電感在逆變器與交流輸入電源間相互作用
，穩定係統輸出電壓。該UPS係統有一個4象限逆變器，可以雙向通過功率

，沒有單獨的充電機。
                                  
                                                          圖2市電交互UPS係統

市電交互UPS的缺點：
(1)係統中的4象(xiang)限(xian)逆(ni)變(bian)器(qi)必(bi)須(xu)跟(gen)蹤(zong)交(jiao)流(liu)輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)的(de)頻(pin)率(lv)，當(dang)市(shi)電(dian)電(dian)源(yuan)的(de)頻(pin)率(lv)頻(pin)繁(fan)變(bian)化(hua)將(jiang)會(hui)引(yin)起(qi)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)頻(pin)繁(fan)放(fang)電(dian)，這(zhe)不(bu)但(dan)減(jian)短(duan)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)壽(shou)命(ming)，而(er)且(qie)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)儲(chu)能(neng)放(fang)完(wan)而(er)未(wei)能(neng)及(ji)時(shi)充(chong)電(dian)，當(dang)市(shi)電(dian)停(ting)電(dian)時(shi)不(bu)能(neng)有(you)效(xiao)地(di)保(bao)護(hu)負(fu)載(zai)。

(2)負載沒有真正與交流輸入電源的幹擾隔離，交流輸入電源的幹擾會影響關鍵負載。尤其對於電壓尖峰或過壓的保護性能較差。

(3)係統沒有輸出頻率調節，完全取決於交流電源的輸入頻率，輸出電壓調節性能不高。

(4)係統工作在非線性負載時
，效率較低。

3雙變換UPS

雙變換UPS係統如圖3所示。在這種UPS係統由整流器/充電機、逆變器
、蓄電池和轉換開關組成，整流器/充電機－逆變器串聯連接在交流輸入電源和負載之間，無論交流輸入電源正常與否
，負載始終由逆變器供電。
                         
                                                       圖3雙變換UPS係統

雙變換UPS係統的缺點：

(1)輸出的負載功率完全要經過整流和逆變兩次電力變換

，損耗較大，係統總效率較低。

(2)雙變換UPS輸shu入ru端duan一yi般ban采cai用yong相xiang控kong整zheng流liu器qi，相xiang控kong整zheng流liu器qi產chan生sheng的de輸shu入ru諧xie波bo電dian流liu對dui交jiao流liu輸shu入ru電dian源yuan造zao成cheng嚴yan重zhong幹gan擾rao，特te別bie在zai由you備bei用yong發fa電dian機ji組zu供gong電dian時shi影ying響xiang大da，需xu要yao配pei置zhi至zhi少shao2～3倍UPS容量的柴油發電機組。

雙變換UPS係統在可維性和故障容限方麵也存在著一定的局限性：

(1)內部模塊、係統和配電均不能同時維護。

(2)內部模塊和配電均無故障容限。

總之，單機UPS總是存在很多的缺點，集中表現為：容量小
、擴容性差、可靠性較低
、可維護性能差等缺點。

發展冗餘式UPS的必然性

單機UPS擴容性差，一旦安裝後很難擴充容量。雖然單機UPS的平均無故障時間（MTBF）較長，但對於很多用戶（例如醫療
、銀行、金融
、通信、國防等行業）而言，還是不能滿足其對電源保障可靠性的要求。為解決單機UPS的眾多缺點，人們開始研究冗餘式UPS。
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1電力係統擴容需求

伴隨通信用電設備不斷增加
，對UPS的容量要求也越來越高。采用大功率開關器件的各類電源供電係統中
，當因負載的增加而需加大UPS容量時，可以通過兩個途徑來實現:一是提高單台UPS的逆變器設計容量;二是以現有型號UPS的兩台或多台電源模塊進行並聯工作，共同分擔電力負荷以提高電網容量。相對於前一方案
，第二種方案具有成本低

、可靠性高以及可有效提高元件壽命的優點。因此
，多模塊並聯技術的研究正逐漸受到重視，成為電源技術的發展方向之一。

另外，多模塊並聯，可以靈活構成各種功率容量，以模塊化取代係列化，從而縮短研製、生產周期和降低成本，提高各類電源的標準化程度、可(ke)維(wei)護(hu)性(xing)和(he)互(hu)換(huan)性(xing)等(deng)。為(wei)了(le)提(ti)高(gao)供(gong)電(dian)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，在(zai)冗(rong)餘(yu)並(bing)聯(lian)技(ji)術(shu)問(wen)世(shi)前(qian)常(chang)采(cai)用(yong)熱(re)備(bei)份(fen)串(chuan)聯(lian)連(lian)接(jie)的(de)方(fang)式(shi)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)的(de)特(te)點(dian)是(shi)應(ying)用(yong)靈(ling)活(huo)，不(bu)外(wai)加(jia)設(she)備(bei)，即(ji)使(shi)不(bu)同(tong)廠(chang)家(jia)
、不同型號的UPS，隻要有靜態旁路
，而且容量一樣，就可以做這種連接，而且具有冗餘的功能。

並(bing)聯(lian)冗(rong)餘(yu)方(fang)案(an)的(de)推(tui)出(chu)，有(you)效(xiao)地(di)解(jie)決(jue)了(le)增(zeng)容(rong)和(he)冗(rong)餘(yu)的(de)問(wen)題(ti)
，直(zhi)到(dao)現(xian)在(zai)仍(reng)然(ran)是(shi)一(yi)種(zhong)最(zui)佳(jia)方(fang)案(an)。它(ta)不(bu)但(dan)可(ke)以(yi)準(zhun)確(que)地(di)實(shi)現(xian)負(fu)載(zai)均(jun)分(fen)
，而(er)且(qie)還(hai)有(you)著(zhe)成(cheng)倍(bei)的(de)過(guo)載(zai)能(neng)力(li)。

2供電可靠性需求

隨著電力電子器件
、控製技術及能源變換技術的發展，進一步提高UPS供電可靠性技術已成為可能

，也促使了UPS組成“n＋1”型功率均分冗餘並機技術的誕生。

目前，為了提高UPS的可靠性
，主要采用主從結構的UPS“1＋1”並聯備份，如圖4所示。雖然這樣在一定程度上提高了供電可靠性，但是不便於離線維護

、擴容

，同時也造成設備利用不充分、缺乏靈活性等方麵的缺陷。對於一些不能夠停電的用戶（例如醫療、銀行、金融、通信、國防等行業），UPS“1＋1”並聯備份
，還是存在很大的電力係統癱瘓隱患。
                         
                                                       圖4“1＋1”型UPS冗餘結構
人們期望將多台UPS組成“n＋1”型功率均分冗餘模塊化方式整機冗餘，類似於開關電源“n＋1”冗餘結構即冗餘式交流不間斷供電係統（即，冗餘式UPS）結構。將每個單台UPS做為單個獨立的模塊，各自在工作時可以自動均流
；單台出現故障時，可以在不停機的狀態下“熱插拔”故障UPS模塊
；輸出功率在一定範圍內可以任意擴容。
                                            
                                                          圖5“n＋x”型UPS冗餘結構

如圖5將多台UPS並聯組成“n＋x”係統
，其可靠性更高。該冗餘度為n＋x，其中n的含義是並聯係統中UPS單機的總台數
，x的含義是並聯係統中允許出故障的UPS單機台數。正常時這n＋x台UPS並聯工作，而其中任一部分故障時都不會影響整個係統的正常運行，而且也不會留下任何隱患。這種設計從根本上解決提高UPS可靠性

、靈活性
、智能化、免維護等方麵的問題。

冗餘式UPS技術發展趨勢

世界上許多國家(如日本、美國、德國、荷蘭等國家)的UPS公司在UPS的並聯冗餘控製技術方麵已經做了大量的工作，並有一係列的產品投入了實用。目前，這些品牌的UPS並聯控製技術的特點及發展表現在以下幾個方麵:

1可並聯單元數增多
，以多種途徑實現高可靠並聯運行，進入模塊化時代

目前，幾種知名品牌的UPS如梅蘭日蘭、Exide
、Victron、西力

、西門子、三菱、東芝、APC等公司可以實現並聯運行，但最大並聯單元數不超過10個；而PKElectronics公司聲稱可並聯100個以上，因而並聯單元數的增多是今後的發展趨勢。而並聯係統控製方式呈現多樣化
，其中僅Exide公司為無互連線獨立控製的並聯方式，而其他公司多以主從控製或分散邏輯控製方式為主。
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2在小功率UPS電源中用較低成本實現較先進的並聯策略
目前可並聯UPS電源多為三相中、大功率UPS，因此為實現並聯運行
，控製電路成本的增加一些對總成本影響不大。而普通小功率UPS的控製電路一般較簡單，特性也不如大功率UPS電dian源yuan好hao，因yin此ci要yao實shi現xian並bing聯lian運yun行xing，電dian路lu的de設she計ji要yao綜zong合he考kao慮lv控kong製zhi電dian路lu特te性xing和he成cheng本ben的de關guan係xi。在zai這zhe方fang麵mian各ge大da公gong司si都dou有you一yi些xie獨du特te的de經jing驗yan
，如ru采cai用yong同tong一yi規gui格ge的de電dian源yuan模mo塊kuai和he控kong製zhi電dian路lu以yi適shi應ying不bu同tong容rong量liang的de客ke戶hu要yao求qiu以yi及ji實shi現xian不bu同tong的de控kong製zhi功gong能neng。

3 采用高頻鏈結構技術

為完成UPS的並聯、提高UPS的性能和減小UPS模塊的體積，各公司大多采用高頻鏈結構技術。高頻鏈式大容量UPS簡稱高頻機
，由於UPS內nei省sheng去qu了le工gong頻pin變bian壓ya器qi，裝zhuang置zhi的de體ti積ji重zhong量liang大da為wei減jian輕qing，同tong時shi也ye節jie約yue了le成cheng本ben，減jian少shao了le裝zhuang置zhi的de複fu雜za性xing。高gao頻pin機ji的de輸shu入ru端duan一yi般ban采cai用yong高gao頻pin整zheng流liu，因yin此ci可ke以yi獲huo得de較jiao高gao的de功gong率lv因yin數shu及ji較jiao低di的de電dian流liu諧xie波bo
，具ju有you很hen好hao的de輸shu入ru特te性xing。

4 全數字化控製技術

模擬控製簡單、技術成熟
、易於實現，而且響應速度快
、模型連續，至今仍在各種裝置的控製中扮演著重要的角色。但是其缺點也是顯而易見的，大量的分立元件和電路板使得製造成本高、電路複雜、參數易漂移、元件老化

、係統的調試、故障檢測維修困難、易受幹擾等。

因(yin)此(ci)，數(shu)字(zi)化(hua)是(shi)大(da)事(shi)所(suo)趨(qu)。數(shu)字(zi)化(hua)不(bu)僅(jin)是(shi)指(zhi)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)應(ying)用(yong)了(le)數(shu)字(zi)器(qi)件(jian)，同(tong)時(shi)也(ye)是(shi)指(zhi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)應(ying)用(yong)了(le)數(shu)字(zi)化(hua)的(de)控(kong)製(zhi)思(si)想(xiang)和(he)方(fang)法(fa)。數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)可(ke)以(yi)用(yong)軟(ruan)件(jian)的(de)手(shou)段(duan)實(shi)現(xian)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)，能(neng)很(hen)好(hao)的(de)解(jie)決(jue)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)元(yuan)器(qi)件(jian)老(lao)化(hua)和(he)溫(wen)飄(piao)帶(dai)來(lai)的(de)問(wen)題(ti)，抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)也(ye)大(da)大(da)增(zeng)強(qiang)。

為提高係統的控製性能和完成並聯控製的複雜算法，UPS的控製一般應用全數字化控製方案，如應用單片機和DSP完成係統的檢測、運yun算suan和he控kong製zhi。控kong製zhi係xi統tong的de升sheng級ji也ye可ke以yi通tong過guo改gai變bian軟ruan件jian實shi現xian，代dai價jia較jiao小xiao。同tong時shi借jie助zhu於yu數shu字zi控kong製zhi芯xin片pian的de發fa展zhan，許xu多duo複fu雜za的de控kong製zhi算suan法fa得de以yi實shi現xian，使shiUPS的性能提高，功能更全麵。
　　
5 通過軟開關設計

，實現高效率

采用高頻鏈技術的必然結果使開關損耗顯著增加。傳統的諧振變換軟開關技術一定程度上可以減少開關損耗
，但仍存在的不足。在90年代初，美國弗基尼亞電力電子研究中心主任李澤元教授提出了“軟開關PWM”概念

，即功率開關器件隻是在開關轉換前後的一個小區間與線路外加 LC元件工作在諧振狀態
，以構成電壓或電流的過零點來實現功率器件的軟開關
，在開關全周期仍工作在PWM模式。由於“開通”、“關斷”都是零電壓，因此又稱 “零電壓轉換”（ZVT，Zero Voltage Transition）。這種電路結構在高頻電能變換中，即組成各種高頻冗餘式UPS中，將得到廣泛應用。

軟開關技術理論上可使開關損耗為零
；實際上，可使目前的各種電源模塊的變換效率由 80％提高到90％以上
，達到了高效率的功率變換。

6 采用遠程監測和控製技術
，使UPS智能化

現在UPS的功能越來越完善
，運行中UPS狀態的檢測、UPS出現故障的及時發現和處理、無人值守實現UPS的自動開關機，遠程監測和控製UPS的運行狀態等都成為UPS研製和生產所追求的目標。這些功能采用一般的硬件和控製方法是無法實現的，通常借助於普通UPS加上微機係統。

例如
，將各並聯UPS之間通過並聯控製單元及控製器局部網(CAN, Controller Area Network)總線互聯
，通過CAN總線進行數據交換
，可以實現UPS冗餘並聯控製時的監控，從而最大程度的保證了UPS冗餘並聯及對負載供電的可靠性。這種係統通過網絡和通訊構成智能化UPS,采集並報告各種信息數據，分析並給出處理方法，便於及時維護。

7 通過電磁兼容（EMC）設計，實現電磁環境綠色化

冗餘式UPS的電磁兼容問題有其特殊性。功率半導體開關管在高頻開關過程中產生高的di/dt和dv/dt，會引起強大的傳導電磁幹擾和諧波幹擾。研究表明
，冗餘式UPS裝置中的電磁噪音源，主要來自主開關器件的開關作用所產生的電壓
、電流變化。變化速度越快，電磁噪音越大。

有些高頻大功率裝置還會引起強電磁場(通常是近場)輻射。不但嚴重汙染周圍電磁環境
，對附近的電氣設備造成電磁幹擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時，冗餘式UPS的內部控製電路也必須能承受開關動作產生的EMI及應用現場電磁噪聲的幹擾。 

本文簡單分析了單機UPS的弊端
，進而闡述了冗餘式UPS發展的必然性及發展趨勢。由於冗餘式UPS的可擴展性
、冗餘性
、熱插拔性和可交互性
，更能適應日後的拓展需求，其漸進式擴展方式
，使係統能夠伴隨用戶的成長而發展。