電子信息機房UPS電源的設置

文│ 遼寧省營口市市政設施維修處 吳莉莉

遼寧省營口市市工程政規劃設計所 劉明清

電子信息機房UPS電源的設置

文│ 遼寧省營口市市政設施維修處 吳莉莉

遼寧省營口市市工程政規劃設計所 劉明清

文章對電子信息系統的UPS電源做出分析，闡述UPS電源進行設置、使用及維護的重要性與必要性，并提出相應UPS的供電系統解決方案。

UPS不間斷電源 IDC互聯網數據中心 蓄電池 可靠性 冗余

1 引言

隨著信息技術的高速發展，公司企業、政府機關、金融部門、大專院校、科研醫療等建筑大都建有自己的電子信息機房，數據安全已成為普遍關注的問題。由于電子信息機房功率密度的不斷增加和對供電可靠性要求的不斷提高，使得作為計算機、網絡、通信等系統設備保護者的UPS電源的需求量日益增加。因此，如何經濟合理地對不同等級的電子信息機房設置不同的UPS，是設計和采購中的重要問題。盡管目前UPS的整體技術性能得到了長足發展，但由于價格因素及不同等級系統設備的需求差異，使得我國當前市場上的UPS品牌繁多，分類也不規范。這樣雖然給設計者和用戶帶來了較大的選擇空間，但同時也帶來了許多疑惑。

2 UPS不間斷電源的分類

UPS不間斷電源是一種含有儲能裝置，以整流器、逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻不間斷電源。主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統、IDC信息數據中心及其他電子設備提供不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS將市電穩壓、凈化后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流穩壓器，同時它還給機內蓄電池組充電；當市電中斷（事故停電）時，UPS立即將機內電池的電能，通過逆變轉換的方法向負載繼續供應交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞，運行數據不丟失。

一般來說，UPS電源從工作原理上可分為后備式（Off-Line離線式）和在線互動式（Line-Interactive）及雙轉換在線式（Double-Conversion），又稱為在線式（On-Line）三種。

2.1 后備式UPS

后備式 UPS是個人計算機中應用最多的類型。在圖1所示的工作原理圖結構中，轉換開關設置為選擇濾波后的交流輸入作為主電源（圖中實線路徑），一旦主電源出現故障，就會切換到電池/逆變器作為備用電源（圖中虛線路徑）。逆變器只在電源出現故障時才啟動，因此稱作“后備式”。這種設計的主要優點是效率高、尺寸小、成本低。如果采用適宜的濾波電路和浪涌保護電路，這些系統還可以提供適當的噪聲過濾和浪涌抑制功能。

2.2 在線互動式UPS

在線互動式UPS是小企業、網站、部門服務器的最常用設備。在此設計方案中，電池到交流電源的轉換器（逆變器）始終連接到 UPS 的輸出端。如果在輸入交流電源正常時，反向操作逆變器就會給電池充電。一旦輸入電源出現故障，轉換開關就會打開，并通過電池向 UPS 輸出端供電。與后備式 UPS拓撲結構相比，逆變器始終打開且與輸出端保持連接，進一步增強了濾波效果，同時降低了轉換瞬態過電壓。這種 UPS設計方案具有效率高、體積小、成本低和可靠性高等特點，并可校正過低或過高的市電電壓，因此在功率范圍0.5kVA～5kVA的應用領域中占絕對優勢，如圖2所示。

2.3 雙轉換在線式UPS

雙轉換在線式UPS是10kVA以上功率范圍的UPS電源最常用的類型。在圖3所示的雙轉換在線式UPS結構圖中，除了主電源路徑是逆變器（而非交流主電源）外，其余與后備式UPS設計相同。在雙轉換在線式UPS的設計中，輸入交流電發生故障并不會激活轉換開關，因為輸入交流電一直在給備用電池充電，由備用電池向輸出逆變器供電。所以，在輸入交流電源出現故障時，無需時間進行在線運行狀態轉換。在這一設計中，整流器和逆變器將轉換全部的負載功率。這種 UPS 提供了非常理想的供電輸出性能，但功率部件的持續工作使其與其他設計方案相比，可靠性有所降低。此外，大型電池充電器獲得的輸入電源通常是非線性的，可能對建筑供電系統產生干擾或導致備用發電機發生故障。

從原理上看，在線式UPS同后備式UPS的主要區別在于：后備式UPS在有市電時僅對市電進行穩壓，逆變器不工作處于等待狀態。當市電異常時，后備式UPS會迅速切換到逆變狀態，將電池電能逆變成為交流電并對負載繼續供電。因此后備式UPS在由市電轉逆工作時會有一段轉換時間，一般小于10ms；而在線式UPS 采用雙變換模式，市電正常供電時，交流輸入經AC/DC轉換成直流，一方面給蓄電池充電，另一方面給逆變器供電，逆變器自始至終都處于工作狀態，將直流電壓經DC/AC逆變成交流電壓給用電設備供電。因此在市電異常轉電池放電時沒有中斷時間。

所謂在線互動式UPS，是指在輸入市電正常時，UPS的逆變器處于反向工作給電池組充電，在市電異常時逆變器立刻投入逆變工作，將電池組電壓轉換為交流電輸出，因此在線互動式UPS也有轉換時間。同后備式UPS相比，在線互動UPS的保護功能更強，逆變器輸出的電壓波形也更好。

在線互動式與后備式UPS的區別是，變換器時刻處于熱備份狀態，市電/逆變切換時間比后備式要短。相對在線式UPS而言，它的電路結構簡單，生產成本較低，另一方面這類產品在市電供電時也不存在AC/DC、DC/AC的轉換，使整機效率有所提高。但在電網電壓正常時，由于它是直接通過工頻變壓器供電給負載，所以負載使用的同樣是伴隨著諧波和尖峰的交流電源，不利于高端設備的使用。市電逆變切換時，也存在切換時間。

總的來說，后備式UPS對負載的保護最差，在線互動式略優之，在線式則幾乎可以解決所有的常見供電質量問題。

3 UPS不間斷電源技術指標

UPS產品是電子信息系統機房的必備設備，許多用戶對UPS產品標稱的各參數指標和使用技術缺乏全面的了解，因此在設計與選購UPS產品時難免會存在一些問題。

UPS作為保護性的電源設備，它的技術指標、性能參數具有重要意義，這是在設計與選購時考慮的重點，如輸入電壓、輸出電壓、頻率、波形畸變等。市電電壓輸入范圍寬則表明對市電的利用能力強（減少電池放電）；輸出電壓、頻率范圍小則表明對市電調整能力強，輸出穩定。波形畸變率用以衡量輸出電壓波形的穩定性。UPS效率、功率因數、轉換時間等都是表征UPS性能的重要參數，這些重要參數決定UPS對負載的保護能力和對市電的利用率。性能越好，保護能力也越強。

用各種技術指標評價一臺UPS的優劣時，要有輕重之分，還要根據電網條件、用電環境、自然環境、用電設備的特殊要求、使用和維護水平等因素進行判斷，以下幾個問題值得注意。

（1）不要過分追求UPS常規電氣性能指標的優化。對UPS來說，常規電氣性能指標，如轉換時間、電壓和頻率穩定精度、波形失真度等均需要考慮，但無需過分追求。對負載而言，大部分UPS在這些指標上都可以滿足負載的要求，不應成為評定優劣、是否選用的標準。

作為電網與負載的中間環節，UPS要能適應當地電網環境，并且在運行中不能對電網產生不良影響。一臺UPS對電網的適應能力主要指電網電壓的變化范圍、頻率變化范圍、波形失真和各種干擾情況下的運行能力。根據我國電網情況，UPS允許的電壓變化范圍一般做到± 25%，在頻率變化50Hz±5%范圍內能正常運行。

（2）不應忽視對UPS輸入功率因數和諧波電流大小的要求。輸入功率因數低和輸入電流諧波成份大意味著對電網的干擾大，特別是大功率UPS，一般都是雙逆變在線式結構，由于輸入端有整流電路，往往其輸入功率因數只有0.8，而諧波電流高達20%～30%。也就是說，如果UPS由電網引入的有功功率為30kW，同時也就有12kW左右的無功功率在電網與UPS間流動，這對電網的影響相當嚴重。如果由柴油發電機帶動UPS，就需要發電機的功率容量是UPS功率容量的2倍，甚至更大。

UPS電路中的主要功率部件是逆變器，由它產生的高頻干擾有可能反饋到電網中去，因此UPS電路本身應該具有去耦、諧波抑制電路等設計，防止UPS對電網構成污染。

（3）重視對UPS輸出能力和可靠性指標的考察。UPS的平均無故障工作時間MTBF僅是一個估算可靠性的參數，影響此數值的因素很多，是一個無法檢測的參數；而UPS輸出能力的各項性能指標都是可量化的可靠性指標，在同等運行條件下，效率高、輸出電流峰值系數大、過載能力強的UPS，其可靠性必然高；效率低則意味著UPS本身損耗大、發熱量大，這會加快元器件的老化、縮短使用壽命。

（4）注重對總體成本的考慮。購買時不僅要考慮購買價格，而且還要考慮UPS本身效率高低所造成的使用運行費用及維護費用。

4 UPS供電系統解決方案

4.1 UPS后備時間

UPS依后備時間可分為標準型及長效型。標準型UPS后備時間為3min～15min，長效型一般后備時間為30min～8h。標準型UPS指單臺UPS已內置小容量電池（裝在主機機箱內），市電斷后供電時間較短（滿載下僅需幾分鐘）。而長效型UPS則根據后備時間的要求外配不同容量電池，還需另配電池柜或電池架、電池之間的聯線、電池柜或架到UPS主機的聯線和電池開關，安裝在UPS主機柜外，供電時間由半小時到幾小時不等，依用戶需要而配置。換言之，標準型UPS廠商已設定好放電時間；而長效型UPS則是由客戶自己選定放電時間。如遇設備停電時，只需存盤、退出即可，應選用標準型UPS；如果設備停電時，仍需長時間運轉，則必須選用長效型UPS。當市電停電時間短且自備發電機能及時供電時，UPS的供電時間可按10min配置，如市電停電時間長或自備發電機不能及時開機供電，UPS的供電時間一般按30min以上配置。

實踐證明，無謂地加大蓄電池容量是不能保證電子設備安全運行的，而且也不科學、不經濟。首先要從確保直流電源穩定可靠的觀念向確保交流電源穩定可靠的觀念轉變，因為只有確保交流電源的穩定可靠，才能確保直流電源的穩定可靠，從而確保機房環境的穩定可靠。在確保交流電源穩定可靠的前提下，蓄電池的容量配置可以適當減少。目前，大部分智能建筑內都配置了性能優越的備用發電機組，一旦市電中斷，均能在5s～15s內啟動供電，這大大縮短了蓄電池的放電時間，從而減少蓄電池容量的配置。這樣，既能節約建設資金，又能確保交流電源的穩定可靠。

4.2 UPS使用方式

4.2.1 單機使用

通常負載量少于20kVA且不是關鍵負載的情況下，會使用單臺UPS對負載進行保護，當出現市電不能正常供給時，將由UPS對負載設備供電，其優點是結構簡單、成本低廉，缺點則是沒有備份，當此臺UPS進行檢修或發生故障時，負載不能得到保護，如圖4所示。

4.2.2 串聯熱備份方案

本方案是并機早期的鏈接方式，因受當時并機技術的制約，本方案中設備的使用率較低，安全可靠性有限，不能滿足用戶的更高安全要求，目前此種方案很少使用。由于兩臺UPS無需在同一控制程序下協調工作，無需通信鏈接，所以只要UPS功率滿足負載要求的前提下，可以使用不同品牌的UPS，如圖5所示。

優點：靈活性高，不受品牌限制；安裝簡單，無需額外調試；不增加額外輔助電路，不增加購置成本；可作N+1熱備份，可分期擴容。

缺點：瞬時過載能力低；兩機老化不一致；備機電池長期不處于浮充狀態，影響電池壽命。

4.2.3“1+1”冗余并機方案

在用戶既要求提高安全可靠性又要求提高設備使用率的情況下，隨著并機技術的不斷發展，可實現兩臺UPS在同一控制程序下協調工作，根據此種工作方式稱之為“1+1”冗余并機。正常工作時兩臺UPS各承擔50%負載；若其中一臺UPS出現故障，另一臺UPS自動承擔100%發電，故障UPS自動退出并機模式；當故障UPS維修好以后可直接投入并機，兩臺UPS自動均分負載；若故障UPS退出并機還沒有維修好，而帶載UPS也出現故障，此時將自動切換至帶載UPS的旁路；當兩臺UPS全部維修好以后，按并機開啟步驟可將兩臺UPS投入到“1+1”冗余并機工作狀態，如圖6所示。

“1+1”冗余并機相對單機UPS，多了一臺UPS自動承擔100%負載安全保護措施，可有效避免逆變器切換至旁路時造成的切換風險，“1+1”冗余并機相對性能穩定的單機其安全可靠性有了較大的提高，可在同一控制程序下協調工作，兩機之間需通信連接，所以兩臺UPS要求必須是同品牌、同系列、同規格的UPS。同時也可以根據負載情況，擴展到N+1冗余并機。

優點：瞬間過載能力強；沒有瓶頸故障點；自動均分功率。

缺點：存在環流，不同并機方法具有不同環流。環流增加無功損耗，降低系統可靠性。這也是區分UPS優劣的標準。

4.2.4 雙總線輸出冗余UPS供電方案

雖然N+1并聯冗余UPS供電系統的可靠性很高，但從UPS輸出到負載間仍存在諸多故障隱患接線端子老化、保險絲燒毀、斷路器跳閘等。所以雙總線輸出冗余UPS供電方案適時而出，即2N或2（N+1）雙總線UPS系統，兩套UPS是獨立的，直接供給雙電源負載，各承擔50%負載，單電源負載通過STS或小ATS切換得到兩套UPS系統的電力保障，從而使整個配電系統得到更穩定可靠的保障，如圖7所示。

優點：靈活性高，不受品牌限制；瞬間過載能力強；保險系數高。

缺點：成本高。

5 影響UPS安全運行的基本因素

5.1 解決UPS單機基本技術問題是UPS安全運行的保證

現在有很多出于成本和安全性考慮的新并機方案，其實若考慮成本只需采用一臺性能穩定的UPS即可，若經濟條件允許且要達到更高的安全性， “1+1”并機可足夠。很多大型工業用戶在采用并機方案時會有一個很大的誤區，單機運行不穩定就采用并機方案，錯誤地理解單機存在的技術問題可以由并機來解決，雖然并機相對單機在安全性上有較大提高，但主要影響UPS安全運行的因素是所選用的UPS生產廠家是否有足夠的能力解決單機與并機技術。并機是建立在穩定的單機基礎上，若單機技術沒有得到很好的解決，并機出現的問題將更多。

5.2 UPS同時具備兩項功能

（1）在設備使用期內給負載提供純凈、標準的正弦波交流電源

其實UPS不是孤立連接在獨立的電網中，電網給UPS供電不是絕對的所需標準值，存在標準值與非標準值兩種情況。同一電網用電設備越少越接近標準值（如普通商業使用環境），UPS故障大多表現為元器件故障，即硬性故障。用電設備越多越偏離標準值（如大型工業系統使用環境），在元器件質量滿足要求的情況下，UPS多表現為電網因素造成的監測、處理、控制系統故障等，即軟性故障。外部因素是一個變量，很難去具體監測和抑制，且具有較大的隨機性和隱蔽性，這就是同一UPS在工業環境比商業環境使用更難以實現穩定運行的原因。由于用戶對UPS基本技術了解的局限性，很難區分上述因素并進行全面的技術分析及安全評估，而很多UPS廠家因受技術制約又不想區分太清楚，這是多年來一直困擾大型工業用戶投入UPS與運行要求存在較大差距的主要原因。

（2）為負載提供非常穩定的不間斷電源保護

隨著UPS技術的不斷發展，單純地實現UPS給負載提供純凈、標準的正弦波交流電已不是UPS技術的主要難題。UPS技術面臨的真正難題是怎樣實現對負載更穩定的不間斷保護，而外部因素又難以進行具體地監測和抑制，具有較大的隨機性和隱蔽性。簡單地說，UPS技術所面臨的難題就是怎樣提高UPS抗擊外部因素的能力，使UPS運行盡可能少地受制于外部因素，這是UPS實現穩定運行必須解決的問題，尤其是要滿足大型工業系統運行要求的UPS。

工業系統負載電壓多為220V，輸出電壓220V的UPS設計與生產難度要遠高于輸出為380V的UPS，因I=P/U，當P為定值時，I與U成反比，220V時UPS元件所承受的電流強度是380V時UPS的兩倍。當P越大時，要求元件所承受的電流強度越大，這對元器件是一個巨大的考驗，所以380V的UPS功率可以做到1000kVA，而220V的UPS最大功率都在200kVA以下。220V的UPS元器件所承受電流強度的能力是一個非常重要的指標，這就是很多UPS使用不久就出現硬件故障的一個重要原因。

UPS并不是連接在一個理想的電網中，同一電網下設備的運行都會對電網造成沖擊和干擾，且在電網中的出現具有較大的隨機性和隱蔽性，因此很難去具體地監測和抑制，也不可能為UPS裝備一套獨立的、比較理想的電源。在這種情況下，只有提高UPS自身抗外部干擾的能力，使UPS運行盡可能少受制于外部因素。UPS的設計方案只有有效地避開外部因素的干擾，在硬件技術得到充分解決的前提下，UPS才能在設備的使用期內實現穩定運行。

UPS要實現穩定運行需要快速地處理供電系統，當UPS遇到較大的外部因素干擾時，能快速地進行處理與控制，不會因出現UPS無法控制的局面而引發各類故障。為了對負載供電執行緊急保護，嚴重時中斷負載供電，每個廠家的設計與控制方案不一樣。因受技術方面的制約，每個廠家的設備運行穩定性也不一樣，包括進口設備。所以工業用戶在選購UPS時務必全面地對設計方案進行技術分析和安全評估。

5.3 環境因素

（1）環境溫度

UPS是由大量半導體器件組成的精密電氣設備，半導體材料受溫度影響比較大，當環境溫度大于要求值時，半導體材料容易老化。靜態開關是由半導體材料做成，工作時自身會產生一定壓降及通態功耗。工作的靜態開關會產生一定的熱量，需要散熱器散熱，當溫度達到80℃ ～ 90℃時，靜態開關將自動進入關閉狀態。雖然有機房空調和UPS風扇進行散熱，但常年的運行導致粉塵在散熱器上積聚較厚導致UPS風扇故障時，靜態開關的局部溫度急劇上升，容易造成靜態開關的自動關閉。

（2）環境濕度

半導體器件對濕度也有嚴格要求，濕度太大在遇到機房冷氣時會在設備內形成水霧或細水珠，尤其在潮濕的雨季，元器件容易短路造成設備損壞，不僅帶來經濟損失同時也給負載供電造成安全隱患，因此機房內安裝的空調要有制冷和除濕功能。

（3）環境粉塵及化學腐蝕性氣體

UPS由于工作時會產生大量的熱量，因此為保證散熱便在機器內部安裝多個風扇，此時UPS尤如一個大功率吸塵器，會將大量粉塵及化學腐蝕性氣體吸入內部。UPS常年運行未做清潔保養，大量的粉塵就會粘附在電路板上，粉塵中含有的金屬微粒會導致高集成的小型元件出現短路，同時吸入空氣中的水分會形成由粉塵構成的導電層，給設備和負載造成嚴重的安全隱患。大量粉塵粘在元件或散熱器件表面會使元件溫度高于規定值，很容易造成元器件損壞，嚴重時便會造成UPS供電系統癱瘓。

當長期運行的UPS吸入大量化學腐蝕性氣體，遇到機房冷氣時很容易在高集成元器件表面形成一種腐蝕性膜，對細小元件及焊接點具有腐蝕作用，長期如此會造成元器件損壞及焊點虛焊。而這些高集成元器件都集中在微處理器及控制系統中，會給UPS及負載造成嚴重的安全隱患。

6 UPS不間斷電源日常使用與維護

UPS的科學使用和維護不但可以提高本身使用效率，還會延長UPS的使用壽命。在正常使用情況下應注意以下幾點：

（1）不要用來接純感性、純容性負載，如電動機、空調等。因為電感性負載在啟動時的電流往往是正常工作時額定電流的3～ 5倍，容易引起UPS的瞬時過載，縮短UPS的壽命。UPS適合帶阻容性（如電腦）、阻性、感性負載。

（2）不要滿載運行，長期滿載使用UPS將直接影響UPS的壽命。對于單臺UPS，實際負載一般按UPS容量的60%～80%選用；對于N+1型冗余并機UPS系統，實際負載一般按UPS容量的30%～60%選用，單臺1.5kW的UPS可帶1kW左右的負載。

（3）UPS主機的維護包括：檢查設備的運行狀況、對需要進行清掃的設備進行除塵清掃、對設備內主要部件進行靜態測試、檢測設備內易損單元（逆變器、整流器、靜態開關）、檢查設備的輸入、輸出聯接端子是否牢固、恢復設備運行，檢測設備的輸出主要性能指標。

（4）維護好蓄電池。UPS采用的蓄電池大都是免維護的密封電池，但這只是免除了以往的測比、配比、定時添加蒸餾水等工作，所以必要的維護是不可或缺的，否則同樣會縮短電池的壽命。

電池在使用一段時間后應進行定期檢查，觀察其外觀是否異常、測量各電池的電壓是否平均等；如果長期不停電，電池一直處于浮充狀態，電池的活性將變差，因此即使不停電，UPS也需要定期進行放電以便電池保持活性。放電一般可3～6個月進行一次，做法是讓UPS帶一定的負載（50%以上），然后斷開市電，使UPS電池處于放電狀態，放電持續時間視電池容量而定，一般為幾分鐘至十幾分鐘，放電后恢復市電供電，繼續對電池充電，充電時間應不少于8h。另外，蓄電池也會有自放電現象，如果長期放置不用，會使能量損失，因此需定期進行充放電。可通過測量電池開路電壓來判斷電池的好壞，以12V電池為例，若開路電壓高于12.5V，則表示電池儲能還有80%以上，若開路電壓低于12.5V，則立刻進行充電，若開路電壓低于12V，則表示電池儲能不到20%，應更換電池。

（5）注意防雷接地保護。UPS要有良好的接地和防浪涌保護措施，以保護UPS內部電路和電池的安全，確保信息網絡能獲得100%的高“可利用率”（低誤碼率、低丟包率、高接通率）。

（6）使用環境要求：電池使用環境要求溫度在0℃～40℃之間，標準使用溫度為25℃。相對濕度在30%～90%之間，避免陽光直射并且保持清潔。遠離水、可燃性氣體和腐蝕劑等，保持UPS的進排風通暢。一般條件下，正常使用的密封免維護鉛酸電池的使用壽命為3～4年。

7 結束語

現在的UPS產業無論是在智能化的管理方面，產品可靠性的提高方面，還是可維護性方面都獲得了前所未有的進步，并已具備向用戶提供從后備式UPS、在線互動式UPS到各種雙變換式的在線式UPS的能力。UPS單機的輸出功率從百級伏安的小型單相UPS到三進/三出型的百萬級伏安的大型在線式UPS。相關的統計資料表明：小型UPS的平均無故障工作時間為幾萬小時，大型UPS的MTBF為20～40萬小時。對于由大型UPS所組成的“1+1”型的冗余并機UPS供電系統而言，其MTBF值高達百萬小時。由此可見不同用戶可以根據自己的經濟實力和所需要保護的電子信息系統設備的重要性來配置所需的UPS。

最初的UPS采用模擬控制方法且有很多局限性。隨著數字處理器計算速度的不斷提高，使得各種先進的數字控制方法得以實現，UPS的設計也具有很大的靈活性，設計周期縮短、性能大為提高。UPS的高頻化有效地減小了裝置的體積和重量，并可以消除變壓器和電感的音頻噪音，同時改善輸出電壓的動態響應能力。數字化控制方法成了當今交流電源領域的一個研究熱點，一種必然的發展趨勢就是各種方法相互滲透、互相結合形成復合控制方案。數字化復合控制是UPS控制的一個發展方向。

模塊化也是UPS節能化的主要發展趨勢，通過模塊化方式的靈活擴容，可以減少用戶的設備投資浪費現象，同樣可以節約能源。除了能提高電源供應的可靠性，企業可根據目前的用電負載要求選配模塊，而當企業因發展需要擴展時，再靈活添加相應模塊即可。

1 UPS冗余并聯與雙總線連接供電方案（一）．《電源技術應用》，2009（2）

2 UPS冗余并聯與雙總線連接供電方案（二）．《電源技術應用》，2009（3）