大型綜合單位UPS電源的選型配置與管理維護(hù)

賀建強

1概述

大型綜合單位重要部門及機房為了全面改善供電質(zhì)量，需要—種能夠提供高質(zhì)量、無時間中斷的供電交流電源，這就是不間斷電源——UPS（UninterruptiblePower Supply）。不間斷電源的主要優(yōu)點，在于它的不間斷供電能力。在市電交流輸入正常時，UPS把交流電整流成直流電，然后再把直流電逆變成穩(wěn)定無雜質(zhì)的交流電，給后級負(fù)載使用。一旦市電交流輸入異常，比如欠壓了或者停電了又或者頻率異常了，那么UPS會啟用備用能源.蓄電池，UPS的整流電路會關(guān)斷，相應(yīng)的，會把蓄電池的直流電逆變成穩(wěn)定無雜質(zhì)的交流電，繼續(xù)給后級負(fù)載使用。這就是UPS不間斷供電能力的由來。

UPS電源作為保護(hù)性電源設(shè)備。不僅能夠為負(fù)載提供連續(xù)穩(wěn)定的電能，而且輸出的電源）還非常純凈，沒有干擾，是一種高質(zhì)量的不間斷電源系統(tǒng)。它主要服務(wù)于計算機、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及重要部門等，在保護(hù)重要部門安全、保護(hù)計算機數(shù)據(jù)，改善電能質(zhì)量，防止停電和電網(wǎng)污染對設(shè)備設(shè)施造成危害等方面起著很重要的作用。

UPS具有以下發(fā)展特點：

（1）高效率、高可靠性

由于IT設(shè)備不斷增多、用電量加劇、機房面積緊張、低耗節(jié)能需求等客觀因素的存在，高效率、高可靠性的UPS技術(shù)倍受關(guān)注。為提高UPS運行效率，高性能電力電子器件不斷被研發(fā)成功并投入實際應(yīng)用，如IGBT、MOSFET、GTR、智能功率模塊IPM、MOS控制晶閘管MCT等，變流技術(shù)也需要隨著電力電子器件而更新。此外，業(yè)界正逐步推廣UPS內(nèi)部多模塊冗余并聯(lián)運行、甚至多臺UPS組成的系統(tǒng)冗余運行技術(shù)，在并聯(lián)運行中，當(dāng)單一模塊或單機發(fā)生故障時，其功能則自動轉(zhuǎn)由冗余單元承擔(dān)，大大提高了UPS供電系統(tǒng)的可靠性。

（2）大功率化、模塊化

由于IT行業(yè)迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量也在以爆炸式的速度持續(xù)增長，隨之而來功率消耗增大。UPS一方面朝著更大功率的方向發(fā)展，另一方面為應(yīng)對不間斷電源容量分期擴充的需求，產(chǎn)品模塊化已是不可阻擋的趨勢。更個性化的用戶需求、更龐大的數(shù)據(jù)中心規(guī)模及更高的維護(hù)成本使得UPS已不再是單純的不間斷供電設(shè)備，針對不同行業(yè)領(lǐng)域的全套電源供應(yīng)與管理解決方案才將倍受市場青睞。

行業(yè)內(nèi)針對模塊化UPS解決方案基本形成了兩個方向：一是單機冗余化，即通過多模塊冗余并聯(lián)構(gòu)成大功率單相或者三相UPS，其可用性指標(biāo)得到了質(zhì)的飛躍；二是全模塊化結(jié)構(gòu)，即一個模塊是一臺完整的UPS，通過冗余并聯(lián)直接構(gòu)成中等功率UPS，在兼顧可用性指標(biāo)的同時還具有良好的性價比。

（3）高頻化

相比傳統(tǒng)的工頻UPS，高頻UPS采用功率因數(shù)校正和高頻軟開關(guān)技術(shù)，省去了工頻電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因此運行效率更高、對電網(wǎng)的諧波污染及無功消耗極小，完全能夠滿足國內(nèi)外相關(guān)電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，高頻電能變換裝置在減小磁性部件體積和重量、降低制造成本、遏制運行噪音、節(jié)能環(huán)保等方面效果顯著，因此越來越受到用戶認(rèn)可。

（4）數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢在當(dāng)今信息社會中愈加明顯。在UPS產(chǎn)品的研發(fā)和制造過程中采用全數(shù)字化技術(shù)可有效縮小產(chǎn)品體積、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品的可靠性及針對用戶需求的匹配性；而數(shù)字化控制技術(shù)則會在UPS系統(tǒng)運行過程中準(zhǔn)確及時地進(jìn)行信號采樣、處理、控制（包括電壓電流環(huán)等）、通信等工作，并將各環(huán)節(jié)的控制參數(shù)優(yōu)化統(tǒng)一后發(fā)送給UPS綜合控制單元，從而使UPS系統(tǒng)的運行更具效率，實現(xiàn)更簡單、更穩(wěn)定的通信與均流，并獲取優(yōu)良的電磁兼容指標(biāo)。智能化主要貫穿于UPS系統(tǒng)的控制、檢測與通信過程中，完全由計算機管理。計算機及其外設(shè)能自主應(yīng)付一些可預(yù)見的問題，進(jìn)行自動處理和調(diào)整，發(fā)出預(yù)警、告警信息等。通信設(shè)施所處環(huán)境日趨復(fù)雜，增大了維護(hù)難度，對電源設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理提出了新的要求。網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)可通過對UPS配置與計算機互連的軟硬件接口，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)資料的雙重保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程事件記錄和監(jiān)測控制、故障告警、參數(shù)自動測試分析等功能，使維護(hù)人員更為輕松、安全、高效地通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、控制等維護(hù)工作。

（5）綠色、節(jié)能、環(huán)保

在世界能源格局變化加劇，國際油價劇烈震蕩，全球能源供應(yīng)緊張的形勢下，節(jié)能環(huán)保已成為UPS廠商進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的指導(dǎo)原則。對UPS而言，輸入功率因數(shù)的高低表明其吸收電網(wǎng)有功功率的能力及對電網(wǎng)影響的程度。降低電源的輸入諧波，不但能改善UPS對電網(wǎng)的負(fù)載特性，減少給電網(wǎng)帶來的嚴(yán)重污染，也能降低對其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的諧波干擾。已有許多UPS廠商推出的產(chǎn)品功率因數(shù)接近1，可最大限度地減少無功功率的消耗。

2UPS的選型及配置

2.1為何選擇在線式UPS電源

UPS分類的方法很多，通常按工作方式分類可分為三大類，即離線式、在線式和線上互動式。當(dāng)今大型綜合單位重要部門及機房均選用在線式UPS電源。

在線式是指不管電網(wǎng)電壓是否正常，負(fù)載所用的交流電壓都要經(jīng)過逆變電路，即逆變電路始終處于工作狀態(tài)，在線式UPS一般為雙變換結(jié)構(gòu)。所謂雙變換是指UPS正常工作時，電能經(jīng)過了AC/DC、DC/AC兩次變換后再供給負(fù)載。

這種UPS不間斷電源一直使其逆變器處于工作狀態(tài)，它首先通過電路將外部交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再通過高質(zhì)量的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的正弦波交流電輸出給計算機。在線式UPS在供電狀況下的主要功能是穩(wěn)壓及防止電波干擾，同時對蓄電池充電管理；在停電時則使用備用直流電源（蓄電池組）給逆變器供電。由于逆變器一直在工作，因此不存在切換時間問題，適用于對電源有嚴(yán)格要求的場合。

在線式UPS在市電正常時，由市電.整流.逆變.輸出，而市電不正常時，由電池.逆變一輸出。因此在線式UPS不管市電是否正常，均通過逆變器變成穩(wěn)定的正弦波電壓對負(fù)載供電，從而從根本上消除了市電電網(wǎng)的電壓波動和干擾對負(fù)載的影響。在線式UPS由市電供電轉(zhuǎn)換成電池供電時的切換時間很短，一般不超過150μs，可以認(rèn)為是零切換，從而實現(xiàn)了真正意義上的不間斷電源，適用于對供電有嚴(yán)格要求的場合。當(dāng)今在線式UPS均為智能化的UPS，可有效實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控及對蓄電池的管理。該UPS電源目前普遍采用，其它類型不在贅述。endprint

2.2在線式UPS電源開、關(guān)機應(yīng)嚴(yán)格按順序執(zhí)行

1.正常的開機順序

由于一般負(fù)載在啟動瞬間存在沖擊電流，而UPS內(nèi)部功率元件都有一定的安全工作區(qū)范圍，盡管我們在選用器件時都留有一定的余量，但是過大的沖擊電流還是會縮短元器件的使用壽命，甚至造成元器件損壞。因此，在使用時應(yīng)盡量減小沖擊電流帶來的損害。

一般UPS在旁路工作時，抗沖擊能力較強，我們可以利用這一特點在開機時采用以下方式進(jìn)行：先送市電給UPS，使其處于旁路工作，再逐個打開負(fù)載，先開沖擊電流較大的負(fù)載，再開沖擊電流較小的負(fù)載，然后UPS面板開機，使其處于逆變工作狀態(tài)。開機時千萬不能將所有負(fù)載同時開啟，也不可帶載開機。

2.正常的關(guān)機順序

關(guān)機順序如下：先逐個關(guān)閉負(fù)載，再將UPS面板關(guān)機，使UPS處于旁路工作而充電器繼續(xù)對電池組充電。如果需要將UPS電源完全關(guān)閉，則再將輸入市電斷開即可。

2.3UPS電源功率配置與安全擺放

根據(jù)UPS供電安全需求，UPS電源運行要求負(fù)載功率不得高于輸出功率的80%，最佳負(fù)載功率通常為標(biāo)準(zhǔn)功率的30～60%，不宜長期空載使用，禁止超負(fù)載使用。大型綜合單位選型中可根據(jù)單位負(fù)載大小及發(fā)展情況合理配置UPS電源。大型綜合單位由于負(fù)載量很大，會采用數(shù)臺或數(shù)十臺UPS電源同時供電，設(shè)計時應(yīng)避免UPS主機過于集中擺放，以防一臺炸機起火造成連環(huán)事故。

3UPS并機系統(tǒng)中是否采用共用蓄電池組

3.1大功率UPS并機系統(tǒng)中共用電池組的優(yōu)點

目前，在UPS供電機房方案設(shè)計中，不少單位在UPS并機系統(tǒng)中提出共用電池組的要求，那么，在并機系統(tǒng)中采用共用電池組有何好處呢，以下均以并機冗余備份為例說明。

在共用電池組并機系統(tǒng)中，假如是UPS1、UPS2兩臺并機系統(tǒng)，電池組要保證停電供應(yīng)1h。當(dāng)市電異常時，電池組分別向UPS1和UPS2的逆變器供電，當(dāng)市電異常時，而且假設(shè)UPS1中的逆變器故障，則此時整個電池組可以保證剩下的UP2的逆變器工作1h。當(dāng)采用分開電池組工作時，若出現(xiàn)以上問題，只能單臺供電，時間只有0.5h，可見供電時間相對電池共用系統(tǒng)少了0.5h，這也就是共用電池組最大且唯一的好處。

3.2大功率UPS并機系統(tǒng)中建議采用電池組分開帶載的方案

由于大型綜合單位重要部門及機房UPS電源需求負(fù)載功率很大，UPS電源多采用多臺并機方式。并機系統(tǒng)中有采用共用電池組和不完全共用電池組的方式，經(jīng)分析認(rèn)為，在并機系統(tǒng)里采用電池組分開帶載的方案是比較合理的。

共用電池組即使用于冗余備份系統(tǒng)中，當(dāng)一臺UPS的整流器故障，尤其是電壓失控，則整個電池組將面臨災(zāi)難性后果，可能因過充電而導(dǎo)致所有電池組報廢。那么，一旦停電則整個系統(tǒng)斷電，后果不堪設(shè)想。既然在方案上已經(jīng)選擇并機系統(tǒng)供電，就是充分考慮到并機系統(tǒng)的安全可靠性。這時，如果在共用電池的使用上出現(xiàn)供電故障問題將得不償失。因此，建議在并機系統(tǒng)里采用電池組分開帶載的方案，保證供電的高可靠性。

4UPS電源及蓄電池的管理與維護(hù)

1.日常點檢。

日常點檢，就是對UPS的各部分配置、運行情況及工作狀態(tài)進(jìn)行經(jīng)常性的檢查。通過日常點檢和日常點檢記錄，操作管理人員能隨時掌握設(shè)備的運行和使用情況，從中發(fā)現(xiàn)UPS是否存在故障隱患，如果發(fā)現(xiàn)故障隱患，就及時采取措施排除隱患。

2.環(huán)境溫度。

UPS電源主機對環(huán)境溫度要求不高，+5℃～40℃都能正常工作，但儲能電池則對溫度要求較高，標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25℃，平時不能超過+15℃～+30℃。溫度太低，會使儲電池容量下降。溫度太高，電池壽命會降低。每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。達(dá)不到規(guī)定的環(huán)境要求，其壽命的長短就有很大的差異。另外，環(huán)境溫度的提高，會導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)活性增強，從而產(chǎn)生大量的熱能，又會反過來促使周圍環(huán)境溫度升高，這種惡性循環(huán)，會加速縮短電池的壽命。

3.清潔保養(yǎng)。

UPS電源在正常使用情況下，主機的維護(hù)工作很少，主要是防塵和定期除塵。一般每季度應(yīng)徹底清潔一次。

4.蓄電池的保養(yǎng)與維護(hù)。

對蓄電池的保養(yǎng)與維護(hù)應(yīng)包括定時對蓄電池的端電壓、內(nèi)阻等進(jìn)行適時檢測，以使異常和故障的蓄電池被及時發(fā)現(xiàn)和處理。平時的保養(yǎng)與維護(hù)要保持蓄電池及其周圍的清潔、干燥，不宜用具有腐蝕性的有機溶劑去清洗，以免蓄電池產(chǎn)生操作損傷、裂紋或損壞。

5.安全操作。

最后要強調(diào)的是，在定期維護(hù)中，一定要注意安全操作，堅決要杜絕觸電事故和電池短路引起的爆炸。

5結(jié)語

保證任何情況下的正常供電，是安全運行的重要基礎(chǔ)。因此，除市電電網(wǎng)正常供電外，大型綜合單位重要部門及機房必需配備UPS電源及蓄電池組。而正確配置、安全使用、保養(yǎng)維護(hù)UPS電源及蓄電池組，可以延長UPS電源的使用壽命，提高供電的可靠性和穩(wěn)定性，給我們的提供—個放心的使用環(huán)境。endprint