众所周知，UPS 的功能是确保负载供电的不间断，并改善供电电源质量，使市电电源的各种干扰与负载彻底隔离，保证在任何情况下均能供给负载稳定可靠的交流电源。
UPS已有近40年的应用历史，最初的UPS 产品主要用于大型计算机系统的供电，随着数字技术的发展，其应用范围逐渐扩大，在电信、金融、能源、交通、医药、教育、商业、工业、军事等各个领域都得到了广泛的应用。现在UPS已成为重要负载必不可少的配套电源系统。目前要求由UPS 供电的负载设备容量范围很宽，对电源的要求也不尽相同，因此，不可能由采用同一种电路技术和系统结构的UPS为各种负载设备供电。在这种情况下，出现了各种各样不同的UPS产品和UPS供电系统，分别用于不同的应用场合。
根据IEC62040-3标准规定，UPS有三种基本的系统结构形式， 即冷备用UPS (passive standby UPS)、市电交互UPS (line interactive UPS)和双变换UPS( double conversion UPS)。
这些UPS系统各有其优缺点，其中双变换UPS是被公认为性能最好、可靠性最高的一种UPS，适用于各种应用场合。因而也是应用最多的一种UPS。在电信系统中应用的大中型UPS几乎全部是双变换UPS。 为了进一步提高UPS系统的可用度，可以采用多个双变换UPS单机系统构成各种类型的冗余UPS系统，以确保在一个单机系统故障或进行维护保养时UPS仍能不间断地为负载供电。
本文介绍双变换UPS的单机系统和各种冗余系统的结构、特点及应用趋势。
1 双变换UPS单机系统结构
1.1 系统组成和工作方式
双变换UPS系统如图1所示，由整流器/充电机、逆变器 蓄电池和转换开关组成。其特点是整流器/充电机-逆变器串联连接在交流输入电源和负载之间，无论交流输入电源正常与否，负载始终由逆变器供电。
这种UPS有三种工作方式：正常方式、储能方式和旁路方式。
(1) 正常方式：
交流输入电源经整流器/充电机-逆变器的组合电路，进行了整流(AC/DC)和逆变(DC/AC)两次变换，负载由逆变器供电，由于负载所需的全部功率经过了两次变换，因此这种UPS称为双变换UPS。
(2) 储能方式
当交流输入电源电压超出预定的容限或故障时，由蓄电池放电供给逆变器直流电，使逆变器继续运行，不间断地供给负载交流电源。
当交流输入电源恢复正常时，UPS恢复正常工作方式，如果交流输入电源长时间停电，UPS将继续在储能方式下运行，直到蓄电池的储能用完。为了保护交流输入电源长时间停电，一般应配置备用柴油发电机组。
(3) 旁路方式:
双变换UPS一般都有静态旁路开关，在下列情况下可以通过静态开关自动地将负载从逆变器暂时转换到旁路电源：
(1)UPS内部故障
(2)负载电流瞬变(出现浪涌或故障电流)
(3)UPS过载
(4)蓄电池放电至终止电压
为了保证在逆变器和旁路电源之间不间断地进行负载转换，UPS的逆变器必须与旁路电源同步，以便采取先合后断的转换方式，即逆变器和旁路电源有短暂的一段时间并联，然后断开其中一个电
源 。另外还有一个称为维修旁路的电路，在UPS需要维修时通过维修旁路手动以先合后断的方式将负载换到旁路电源。
将负载从一个电源转换到另一个电源供电的开关称为负载转换开关。UPS的负载转换开关的种类很多，图1采用的是由机械开关K2、K4和静态开关组成的混合转换开关。在从UPS向旁路电源进行转换时，静态开关首先接通，然后K4接通，K2断开。因此静态开关只是瞬时承受负载。这种转换开关既有转换速度开的优点，又有优良的隔离性能，而且可靠性高。
1.2 双变换UPS系统的优点：
(1) 负载与交流输入电源的干扰完全隔离。交流输入电源的干扰不会影响关键负载。
(2) 负载始终由逆变器提供高质量的电源，在交流输入电源正常时，逆变器由整流器供电，交流输入电源故障时，逆变器由与整流器并联浮充的蓄电池供电，在此过程中没有电路的转换，没有任何供电中断或输出电压的瞬时下降。
(3) 当交流输入电源的电压在规定的范围内波动时，整流器能正常工作，不需要蓄电池放电;当交流输入电源的频率在负载要求的指标范围以内或以外波动时，只要交流输入电源的电压在规定的范围内，整流器仍能正常工作(整流器能适应很宽的输入电源频率变化)，不需要蓄电池放电。需要说明的是，当交流输入电源的频率在负载要求的指标范围以内时，UPS系统输出频率跟踪交流输入电源的频率(内同步);当交流输入电源的频率在负载要求的指标范围以外时，UPS系统输出频率跟踪内部频率基准(外同步)。无论运行在内同步或外同步，逆变器需要的直流电源都来自整流器，一般只有当交流输入电源电压超出规定的范围或故障时，UPS才转入储能方式，由蓄电池放电供给逆变器。因此，蓄电池放电的几率相对较小(比其他任何UPS的蓄电池放电的几率都小)，故可延长蓄电池的寿命。
(4) 允许的交流输入电压变化范围较宽(例如+15%～-20%)，输出电压稳定度较高(例如，可达到 1%，0.5%)。
(5) 输出频率稳定度高(内同步时，±0.005Hz)，UPS有可能用做变频器。
(6) 逆变器输出一般都有一个隔离变压器，因此有一个隔离的电源中线，可以对负载进行共模噪声保护。
(7) 双变换UPS的整流器和旁路输入一般由两个独立的输入端子接入，这大大提高了UPS的故障容限。如果没有单独的旁路电源，整流器和旁路输入可以共用一个电源。
1.3双变换UPS系统的缺点：
(1) 因为100%的负载功率需要经过整流和逆变两次电力变换，损耗较大，降低了系统总效率。
(2) 由于双变换UPS输入端一般都采用相控整流器，相控整流器产生的输入谐波电流对交流输入电源造成严重干扰。特别在由备用发电机组供电时影响大，需要配置至少2～3倍UPS容量的柴油发电机组。这个问题可以通过在UPS输入端增加滤波器或采用12脉冲整流器加以解决。
1.4 关于双变换UPS的名称
IEC62040-3注释：“双变换UPS”(double conversion UPS)过去被称为“在线UPS”(on-line UPS)，其本来的含义是无论交流输入电源情况如何，负载始终由逆变器供电，但术语“在线(on-line)” 也表示“在市电上(on the mains)”，即由市电供电，这与实际运行方式恰恰相反。为了防止定义上的混淆，应避免使用“在线”这一术语，而使用“双变换”术语。目前有些厂家采用双变换在线UPS(double conversion on line UPS)的名称，也不符合标准的规定。
2 并联冗余UPS
2.1 并联冗余UPS系统组成和工作方式
并联冗余UPS系统由两个或多个单机UPS系统组成，各单机UPS系统的输出并联连接到一个公共的配电系统。系统一般按N+1个单机UPS系统配置，其中N个单机UPS系统就足以供给系统全部负载，再增加一个作为备用。当N为1时即为1+1系统，1+1系统比N+1系统的可靠性高但投资较大，一般在最关键的应用中采用。如果资金短缺，可采用N+1系统，但N最好限制到3以下。
并联冗余UPS系统有四种工作方式：
(1) 正常方式
在正常工作时，所有N+1个单机UPS系统都同步运行并均分负载。如果一个单机UPS 系统故障或脱离系统进行维护，其余单机UPS系统可以不间断地给负载供电。
(2) 储能方式
市电停电时，各个UPS都由蓄电池放电供给逆变器，各个逆变器继续并联运行，不间断地为负载供电。
(3)旁路方式
当UPS过载时，负载通过集中的静态开关或分散的静态开关被转换到由旁路电源供电。
如果UPS需要停机进行维护，通过维修旁路开关将负载转换到由旁路电源供电。
并联冗余UPS系统有两种不同的系统结构形式，即直接并联和通过并机柜并联。
2.2 采用并机柜的并联冗余UPS系统
有并机柜的并联冗余UPS系统，也称为采用集中的静态开关的并联冗余UPS系统。如图2所示，每一台单机UPS系统中都没有静态开关，但在并机柜中有一个集中的系统级静态开关。当UPS系统过载时，旁路输入电源经系统级静态开关可以为系统所有的负载供电。系统控制柜还有一个手动维修旁路开关，当所有的UPS和静态开关需要进行维护时，用以将负载转换到旁路电源。
2.3 直接并联的并联冗余UPS系统
直接并联的并联冗余UPS系统也称为采用分散静态开关的并联冗余UPS系统。如图3所示，每个单机UPS系统中都有静态开关。在正常方式下，两个UPS同步运行均分负载，当其中一个UPS故障时，这个UPS不转旁路而是自动地脱离系统，此时由其余的UPS为负载供电。当所有UPS均故障或UPS系统过载时，各单机UPS系统的静态开关同时将负载转换到由旁路电源供电。直接并联的并联冗余UPS系统有时还需要一个系统级手动旁路开关，当需要进行维护时，用以将负载转换到旁路电源。
本文关键字：单机 不间断电源-逆变器技术，电源动力技术 - 不间断电源-逆变器技术
上一篇：不间断电源的并机原理
