UPS的使用形式

選購UPS一定要選最適合自己實際使用情況的。

首先是容量的選擇，UPS容量應該根據(jù)目前的負載量，再加上近期準備增加的負載量來計算。

其次要選擇節(jié)能的UPS。目前UPS的發(fā)展趨勢是高頻化和模塊化，因為高頻化可以提高UPS的輕載效率和半載效率，模塊化可以使用戶邊成長邊投資，節(jié)約能源同時方便擴容。

UPS電源的技術性能

UPS電源的技術性能隨使用要求的不同而不同，主要技術性能包括以下幾個方面。

·在線式

·高效數(shù)字功率器件PIGBT技術

·DSP技術和SMD電氣集成模塊

·電池保護功能

·靈活可靠的并聯(lián)技術

·通信及監(jiān)控功能

·高可靠性

·散熱系統(tǒng)

·控制和診斷監(jiān)控系統(tǒng)

UPS系統(tǒng)配置方案

很多設計工程師都試圖設計出完美無暇的UPS解決方案為關鍵負載提供支持，不過他們的設計方案往往不一定涉及到設計方案的可用性范圍。例如，并聯(lián)冗余、串聯(lián)冗余、分布式冗余、熱連接、熱同步、多路并聯(lián)總線、雙系統(tǒng)以及故障預警系統(tǒng)等，這些都是設計工程師或制造商賦予不同配置方案的名稱。這些名稱的問題對于不同的用戶，它們可能具有不同的含義，可以存在很多種解釋方式。雖然目前市場上的UPS配置名目繁多且差別甚大，但最常用的不外乎5種。這5種方案包括:①容量;②串聯(lián)冗余;③并聯(lián)冗余;④分布式冗余;⑤雙系統(tǒng)。選擇系統(tǒng)配置方案時，應當根據(jù)負載的關鍵程度而定。此外，還要考慮停機所帶來的影響以及公司的風險承受能力，這樣才能更好地找到合適的系統(tǒng)配置方案。

UPS供配電系統(tǒng) (雙總線冗余UPS供配電系統(tǒng)圖)

UPS供配電系統(tǒng)的供電范圍是計算機設備(主機和附屬設備)、通信設備、網絡設備、服務器、監(jiān)控設備、保安監(jiān)控系統(tǒng)小型機/服務器、網絡主交換機等重要設備。UP是輸出配電回路(每個配電控制開關為一個回路)需按機房內設備要求設置，小型機/服務器、網絡核心交換機及重要路由器要由獨立雙回路供電，其他計算機設備可用一個回路帶3-4個插座，固定于地板下。UPS供配電系統(tǒng)的可靠性，最主要體現(xiàn)在采用了雙電源末端互投上，如下圖所示：



UPS節(jié)能措施

目前UPS的節(jié)能必需從方案、UPS、電池、配電等方面全方位進行。

1、按需擴容的柔性規(guī)劃

一般數(shù)據(jù)中心的建設都不是一步到位,會考慮今后未來幾年的擴容,在設計時UPS容量一般都考慮容量比較大些,一次就安裝了幾套大功率的UPS并機，初期負載量只有規(guī)劃容量的10%～20%，使UPS的利用率很低，造成電能的浪費。如何避免這種情況的發(fā)生，從UPS供電系統(tǒng)角度考慮,應該包括:

(1)供電方案設計

目前UPS供電方案主要有分散供電、集中供電兩種。分散供電是一臺UPS為一臺或多臺設備供電。分散供電的好處是分散風險,不會因為一臺UPS異常造成大部分設備停電;缺點是UPS分散布置,不便管理,而且布線不容易規(guī)劃。另一種是采用集中供電,由一套大功率的UPS直接對數(shù)據(jù)中心的所有負載供電。集中供電的好處是便于規(guī)劃、管理方便、維護方便;缺點是如果UPS系統(tǒng)異常,容易引起數(shù)據(jù)中心大面積停電事故,此缺點可以通過采用并聯(lián)構架來避免。因此,以上兩種方案各有優(yōu)缺點,目前的數(shù)據(jù)中心一般都采用集中供電方案。由于UPS并機數(shù)量有限制,而且當UPS系統(tǒng)并機數(shù)量超過4臺時,其可靠性并不比單機供電系統(tǒng)高多少。當機房UPS裝機總容量超過一定限度時,建議將機房按幾期規(guī)劃分成幾個區(qū)域進行供電。規(guī)劃時可以參考:單機容量不宜超過400kVA,并機數(shù)量不宜超過3臺。

(2)UPS在線并機擴容功能

數(shù)據(jù)中心的UPS容量的規(guī)劃，可以根據(jù)不同時期的負載容量要求,采用逐步擴容的方案,使投資方案更經濟，同時也能使UPS工作處于較佳的效率點。目前中、大功率段的UPS均已經具備冗余并機功能，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，同時也為機房擴容提供了條件。只要規(guī)劃時在UPS前后配電箱預留足量的空氣開關，并在機房規(guī)劃相應空間，即可實現(xiàn)UPS并機擴容功能。關鍵是并機的過程處理，多種品牌UPS并機時需要對UPS的設置進行修正，此時要求UPS必須工作在維修旁路狀態(tài)，UPS由市電直接帶載，如果此時市電波動較大甚至停電，將造成系統(tǒng)的大面積癱瘓。所以并機擴容必須具備在線并機功能，即UPS并機擴容時，只需將新增UPS軟件修改至與原UPS系統(tǒng)一致后，在不關閉原有UPS系統(tǒng)的情況下，直接將新增UPS并入原有系統(tǒng)即可，擴容前后，UPS均工作于在線模式下，避免切換至旁路供電的高風險操作。

(3)采用模塊化UPS，實現(xiàn)逐步擴容

目前,模塊化UPS已經開始在國內應用,模塊化UPS特點主要包括:可擴容、平均故障修復時間(MTTR)短、可經濟實現(xiàn)“N+X”冗余并機。

2、提高UPS自身能效,優(yōu)化負載效率曲線

目前UPS均為在線式雙變換構架，在其工作時整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個容量為400kVA的UPS為例，每度電按0.95元計算，UPS效率每提高1%，一年節(jié)省的電費為400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元?？梢娞岣遀PS的工作效率，可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費，可見提高UPS效率是降低整個機房能耗的最直接方法。因此采購UPS，盡量采購效率更高的UPS。

當然UPS效率高不僅僅是滿載時效率高,同時也必須具備一個較高的效率曲線,特別是在“1+1”并機系統(tǒng)時,根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃,每臺UPS容量不得大于50%,如果此次效率僅為90%以下,就算滿載效率達到95%以上,也是沒有意義的,所以要求UPS必須采取措施優(yōu)化效率曲線,使UPS效率在較低負載時也能達到較高的效率。


UPS效率與輸出功率關系曲線圖

除了提高UPS自身的效率之外，UPS上面的一些功能也可加以利用。比如像ECO經濟運行模式。其原理是在較好 的市電環(huán)境時，激活此功能，使UPS由靜態(tài)旁路直接供電，此時逆變器處于待機狀態(tài)，正常工作，但不輸出能 ，一旦市電異常，UPS立即切換到逆變器供電狀態(tài)，切換時間一般在1ms以內，具體見圖2所示，藍色為輸入電 波形，黃色為輸出電壓波形。由于此時的逆變器處于待機狀態(tài)，所以自身損耗很小，此時UPS的整機效率可以達 到97%以上，比正常模式節(jié)省3%以上的功率。


ECO模式轉正常供電模式波形圖

使用ECO模式必須具備以下條件:

(1)靜態(tài)旁路必須采用兩組高可靠晶閘管，不得采用接觸器加晶閘管的組合，因為接觸器吸合時，接觸點會打火，一般工作數(shù)百次之后就不能正常工作了。而晶閘管則不存在此問題，同時可以縮短切換時間。

(2)建議使用在較好的電力環(huán)境下，比如一級供電單位等。

3、降低輸入電流諧波，提高功率因數(shù)

諧波產生的根本原因是由于電力線路呈現(xiàn)一定阻抗，等效為電阻、電感和電容構成的無源網絡，由于非線性負載產生的非正弦電流，造成電路中電流和電壓畸變，稱為諧波。諧波的危害包括:引起電氣組件附加損耗和發(fā)熱(如電容、變壓器、電機等);電氣組件溫升高、效率低、加速絕緣老化、降低使用壽命;干擾設備正常工作;無功功率增加，電力設備有功容量降低(如變壓器、電纜、配電設備);供電效率低;出現(xiàn)諧振，特別是柴油發(fā)電機發(fā)電時更嚴重;空開跳閘、熔絲熔斷、設備無故損壞。UPS對于電網而言是一個非線性負載，在工作的時候會產生大量的諧波。以配置6脈沖整流器的UPS為例，其輸入功率因數(shù)一般為0.75左右，諧波大于30%。降低UPS工作諧波的主要方法有:

(1)采用12脈沖整流器。其原理是在原有6脈沖整流器基礎上，在輸入側增加一個移相變壓器和6脈沖整流器。采用該技術方案后，可以將諧波降低至10%左右。優(yōu)點是較為簡單，諧波改善明顯;缺點是對功率因數(shù)改善有限，價格略高。
(2)采用無源濾波器。依據(jù)LC濾波電路原理，對UPS產生的諧波進行濾除，并對 功率因數(shù)進行補償。優(yōu)點是技術簡單，成本較低;缺點是只能補償特點階次的諧波，同時受負載阻抗影響較大，無法適用于全功率段。

(3)采用有源濾波器。原理是利用可控的功率半導體器件向電網注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。優(yōu)點是可以補償多個階次的諧波，且不受負載阻抗大小的影響;缺點是購置成本較高。

(4)采用高頻IGBT整流及PFC功率因數(shù)校正電路設計整流器。原理是采用高頻率PWM控制IGBT導通，對輸入電壓波形進行分割，使輸入電流波形盡量接近正弦波，并對輸入電壓和電流相位差進行補償。優(yōu)點是體積輕，價格便宜，效果好;缺點是技術結構復雜，不易維護，受功率器件影響，目前容量大小受到限制。

4、電池管理及配電管理技術

UPS都配備了電池組，用戶在電池組上的投資往往占整個UPS供電系統(tǒng)投資的很大一部分，甚至超過UPS本身的投資，而電池的使用年限明顯低于UPS設備。由于電池主要材料是重金屬鉛、硫酸和不易分解的塑料，都會對環(huán)境造成嚴重的污染。因此減少電池使用數(shù)量，延長電池循環(huán)使用壽命，不僅節(jié)省直接和間接的電池投資，而且還減少整個對環(huán)境的污染。所以UPS可以通過以下幾個技術實現(xiàn)電池的節(jié)能。

(1)并機共用電池組功能。共用電池組原理是通過特殊的整流器控制及故障隔離技術，使并機系統(tǒng)中的兩臺或多臺UPS的整流同步、母線均流，使系統(tǒng)中的各臺UPS母線直接并聯(lián)，然后將滿足系統(tǒng)后備時間要求的電池并聯(lián)后接入并聯(lián)母線系統(tǒng)中，實現(xiàn)電池的共享，減少電池投資。以“1+1”為例，傳統(tǒng)的UPS方案，系統(tǒng)后備一小時，考慮其中一臺UPS故障時，UPS2的電池不能為UPS1使用，所以UPS1和UPS2必須各配置一套一小時的電池組，才能保障系統(tǒng)在斷電后還能備用一小時。采用共用電池組方案后，因為UPS1故障后，系統(tǒng)中的電池仍能為UPS2提供能量，所以整個系統(tǒng)僅需配置1套1小時電池即可。不僅節(jié)省了電池直接投資，同時也節(jié)約機房在空間、承重及空調等方面的投資，也降低了對環(huán)境的污染。或配置少許電池，增配發(fā)電機組。

(2)智能電池管理技術。影響電池壽命的因素有很多，主要包括溫度、充電、放電、循環(huán)次數(shù)等。如果能夠對上述幾個因素進行綜合處理，可以大大延長電池的使用壽命，延長電池更換周期，節(jié)約電池投資。UPS的智能電池管理技術主要包括:電池均浮充管理(均浮充控制)、充電溫度補償、智能放電終止電壓控制，除此之外還應具備電池定期自動檢測和電池漏液檢測功能。另外還可以選擇輸入電壓范圍較寬的UPS，減少電池放電次數(shù)。通過上述幾種技術，可大幅度延長電池壽命2～3年。

(3)智能UPS配電管理技術。原理是通過偵測UPS電池電壓或者管理設備供電時間，實現(xiàn)對機房中不同等級負載的多次下電保護功能，減少電池投資、提高電池使用率。智能UPS配電管理技術主要有兩種方案:包括軟件實現(xiàn)方式及硬件實現(xiàn)方式。

5、采用新型的節(jié)能的UPS電源：使用燃料電池的UPS?？蓞⒖肌度剂想姵卦赨PS供電系統(tǒng)中的應用》。