探讨提高 UPS 运行方式可靠的接线方式

李鹏

国家能源集团 宁夏煤业集团有限 公司煤制油分公司电气管理中心

宁夏银川 751410

【摘要】 随着电力技术的发展，人们对供电质量的要求也提到了新的高度，UPS是一种新型的电源系统，具有负荷稳定、供电不间断、安全性能高、抗干扰能力强等优点。这种新型的电源系统在各行各业得到了广泛的应用。为了提高电源供电系统的可靠性能，通常将两台或者多台单机联起来组成双机或多机UPS冗余系统。

【关键词】UPS电源，冗余系统，可靠性

引言

随着电力技术的发展，人们对供电质量的要求也提到了新的高度，UPS是一种新型的电源系统，具有负荷稳定、供电不间断、安全性能高、抗干扰能力强等优点。这种新型的电源系统在各行各业得到了广泛的应用。 为了提高电源供电系统的可靠性能，通常将两台或者多台单机联起来组成双机或多机UPS冗余系统。

1. 基本概念

（一）UPS的概况

Uninteruptible Power System的英文字首简称为UPS，即我们所说的不间断电源系统，依照字面上的解释即为电力系统停止供电时，在极短的时间内取代原有的电力设备，继续供电给负载系统使用。

其工作原理：首先在正常时利用整流装置将交流输入整流成直流电力，然后一路对蓄电池充电，一路籍以将直流电力供给逆变器，逆变器将直流电力转换成稳定的交流电力输出经静态开关装置供给负载使用。当输入电力中断时，由储存在蓄电池内的直流电力供应逆变器工作转换成交流电力供负载使用。待市电完成供电准备后，才停止由蓄电池输出转换。

（二）UPS的组成

UPS内部构造可分为：电池组、充电器、逆变器及静态开关。如下图：

二、UPS冗余系统

（一） UPS技术性能分析

很多用电场合对供电质量要求很高，电源系统要具备高可靠性，尤其是中途不能断电。从电力电子技术角度去分析，UPS系统主要利用了以下几种关键技术：

（1）并联技术的应用

 在工业生产、火车站等特殊场合，对UPS电源的容量要求很大，有时达到几十兆伏安。由于受到相关技术的制约，UPS电源要并联才能满足实际要求，并联技术的应该是解决电能均流问题的关键，而且可以让供电系统具备一定的容错功能，从而形成‘冗余式’容错供电系统。常用的UPS并联技术主要有：分散式、集中式、从式并联、环链式和无线式等等。

（2）逆变技术的应用

逆变器是UPS系统的核心部件，它对保证电源的平稳性起到至关重要的作用。实际应用总主要以这两种逆变器为主：一种是高频机逆变器。它的装置体积比较小，可以对输出电压进行独立控制，当可靠性和安全性较低。另一种是工频机逆变器，它能为用户提供稳定的隔离电源，具备很好的谐波抑制效果，而且单向负载的过载能力强，但在实际应用中，存在着三相电源互相耦合、装置体积比较大等缺点。

（3）整流技术的应用

UPS系统中主要采用晶闸管整流技术，它具备功率高、控制方法成熟、原理简单等优点。随着控制水平的不断提高，以及大容量全控器件的发展，高频整流技术得到了广泛的应用，这种高效的数字控制方法，可以让谐波电流降到3、功率因素达到0.99，从而实现电源系统的绿色发展。

（4）诊断和控制软件的应用

控制软件能够实现各种信号的采集，并对系统运行状态实现智能监测、调节和管理。当UPS出现故障时，诊断软件能够迅速对故障进行判断和评估，通过光、声等信号告知技术人员，同时把相关数据保存到数据库里面，生成信息档案。

（二） 提高UPS冗余系统的可靠性分析

为了提高电源供电系统的可靠性能，通常将两台或者多台单机联起来组成双机或多机UPS冗余系统。当某台UPS发生故障，不会导致整个系统断电。连接方式可以分为以下几种：

（1）主/从串联方式。

早期的UPS电源系统主要采取这种连接方式，它具有连接简单、成本较低等优点，对整个系统的可靠性能有一定的提高，但也存在一些比较明显的弱点，如设备使用效率低、维修困难、UPS本身发生故障时可能导致输出中断、曾加了系统的公共故障点。

（2）初级并联方式

初级并联是将几台UPS共用一组静态旁路开关，同时在系统中增加并联柜来平衡负载电流。为了提高供电系统的可靠性能，需要将UPS并联，并且在原有的基础上增加一些检测环节，同时必须将原有的静态线路开关拆除。这种方式比主/从串联方式的可靠性有了较大的提高，但也存在一些弱点：当负载是非线性负载时，可能导致逆变器烧毁；当平衡检测环节存在故障时，各UPS间容易产生环流，最终导致逆变器的烧毁；当静态开关本身出现问题时，整个UPS系统容易出现输出中断，不能正常输出。

（3）高级并联方式

高级并联的工作方式是由并联通讯板块实现的，它的工作方式相当于计算机在并行工作。在整个系统中，其中一台主机起到导航的作用，假设导航主机为A#机，那么整个系统将由A#机发出的脉冲控制所有并联的系统工作，如果A#出现故障或者未启动，B#机会自动取代A#机的作用而升为导航机，控制其他的UPS，当A#机恢复正常时，它又变成导航机。这种变联方式大大提高了整个UPS系统的可靠性性能，它所有的UPS都由导航机控制信号所控制，不但解决了初级并联不可避免的内部环流问题，也保证了UPS间动态特性和输出参量完全一致，。由于这种高级并联方式可靠性高，连接简单，动态特性好，它已经被广泛采用。

（三）供电线路和保护电器的可靠性分析

为了保证整个系统的可靠性，供电线缆的质量也要达到一定标准，对于火灾危险场合，要采用耐火或阻燃电缆，电缆的截面还要满足从UPS出口至电源柜之间压降小于2V，为了减小压降和提高线路的可靠性，在电磁干扰不影响控制系统的前提下，UPS电源离控制室越近越好。

对于熔断器和断路器的选择上，可以按照上级断路器的脱扣器电流值来选择，上端熔断器熔体电流至少是下级熔断器熔体电流的两倍。上级和下级保护电气之间还要有级间配合，当发生过载和断路故障时，应保证下级保护电器动作。只有各保护仪器配合好，才能保证供电的稳定性。

三、UPS 冗余串并联

在UPS的应用中,用户为了提高运行可靠性,往往要求几台UPS冗余连接。UPS的冗余连接有串联和并联两种方式。

（一） UPS的串联连接

任何具有旁路的UPS都可以进行串联连接,两台UPS的串联连接的方式如图1所示。

图1  UPS串联连接

这种连接很方便,只需要将一台UPS(如UPS1)的旁路(旁路1)的输入与市电断开,并连接另一台UPS(如UPS2)的输出端,就构成了两台UPS的热备份冗余系统。在正常情况下由UPS1向负载供电,而UPS2处于热备份空载运行;当UPS1故障时,UPS2投入运行接替UPS1继续给负载供电。只有当UPS2因过载或逆变器故障时,才由两台UPS的旁路给负载提供市电。

（二） UPS的并联连接

提高UPS供电系统可靠性的另一个方法是并联连接,但是UPS的并联连接并不像串联连接那样容易。因为所有UPS的输出阻抗不可能相同,加之各逆变器的输出电压和市电电压锁相都具有正负误差,致使各个UPS的输出电压既有相位差又有幅值差,因此一般UPS直接并联是危险的,只有具有并联功能的UPS才能并联。图2中将两个UPS并联,这种将两台UPS的输出直接并联,必须满足下列条件:相位和幅值相同,以保证两个UPS之间无破坏性环流产生。

图2  UPS并联连接

为了满足上述条件,仅具备旁路结构的UPS就远远不够了,如果是不具备并联功能的UPS,就必须在原UPS的基础上增加并联柜或并联板,这样就必须增加投资。

并联连接的优点在于它不仅可以提高可靠性,而且过载、动态性能比串联方式好得多,且便于增容。所以此次选用冗余并联供电方案。

并联连接的方式有以下几种:

(1)主从并联

这种方式是并联系统中以一台UPS为主机,其他为从机。从机在主机的控制下,从机中任意一台出现故障,均不影响系统的正常供电,但若主机出现故障则全系统瘫痪。

(2)无主从并联

并联系统中无主从之分,系统中任一台UPS既是主机也是从机,哪台先开哪台就是主机,而后开机的都是从机。一旦主机故障停机,系统自动选择作为从机运行的另一台UPS接替主机的工作,保持供电不间断。

(3)限流并联系统

把系统中所有的输出并联连接,但每台UPS必须有可靠的限流功能,即在任何情况下都保证把该UPS的输出电流限制在额定值内,这种方法仅限于单相电源。

四、总结

冗余并联的本质就是平均承担ＵＰＳ负载量；采取并联连接是增强供电系统可靠性的重要保障，主要由于所有ＵＰＳ输出的阻抗不同，而两台ＵＰＳ的并联可能存在相位差，也就存在电压差，在输出端将产生较大的环流，不利于逆变器的正常运行，如果负载量过大，可能烧毁零部件。另外，由于ＵＰＳ电源内的各种元件电参数也存在差异，造成输出电压的不同，也会产生环流问题。结合这一实际情况，若想实现优化的冗余并联供电方案，需考虑多方面的问题：其一，确保ＵＰＳ电源中逆变器的输出波形保持相同的频率和相位；其二，ＵＰＳ逆变器的输出电压保持一致；其三，各个ＵＰＳ电源需要平均分配负载；其四，一旦ＵＰＳ电源发生故障，应确保其快速脱机。

参考文献

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