UPS電源設計與運用

李廣環

摘 要：本文就不間斷電源（UPS）的熱備冗余設計問題進行了一些探討，提出UPS多機熱備冗余的解決方案，具有線路簡單、在線維護方便、不斷電等特點。因此，UPS多機熱備冗余方案容易被越來越多的企業用戶所接受。

關鍵字：UPS電源;熱備冗余;維護方便

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.119

1 目前UPS運行中存在的問題

在制藥行業中，UPS電源在配電系統、 DCS、監控系統、自動化儀表，調度通信系統、微機系統等核心設備中發揮重要作用，它能夠保證在市電突然事故斷電情況下，使這些設備的電源能夠維持一段時間，保證它們在緊急情況下進行操作處理，不發生安全事故，也能使用戶數據能夠緊急存盤，不致因停電丟失數據，因此UPS 得到廣泛運用，但在使用中還是存在許多問題，主要表現在以下幾個方面：

（1）UPS主機出現故障轉為旁路運行時，在線維修難度大，仍然需要把主機退出來，增加了負載失電的風險;

（2）單臺UPS運行時，不管哪個部件發生故障，就會影響輸出;

（3）即時有雙機UPS運行的設備，僅為簡單的并列，且并列環流大，不利于長期運行。

2 UPS雙機冗余系統的優點

針對現有問題，結合多年實際使用情況，提出UPS多機熱備冗余的解決方案，解決熱備份連接方法的不足，將多臺同型號、同參數、同功率的的UPS電源輸出端通過聯絡開關并聯在一起，各UPS輸入端取至不同變壓器的供電電源。目的就是為了不能因為UPS進線電源故障或主機本身故障影響供電，提高供電的可靠性，并聯后的多臺UPS可靠性數學模型如圖1所示，根據上面的假設臺數，其系統可靠性R（t）可根據下式函數計算得出：

R（t）=1-（1-R1）（1-R1）2=0.9999999

由上面的結果可以看出，雙機冗余系統要比單機系統可靠性高出兩個數量級，其基本工作原理是：正常情況下，兩臺UPS均各自獨立輸出，均可獨自對負載設備供電，當一臺UPS故障時，由剩下的一臺UPS承擔全部負載。且因為有外部旁路系統，在不影響輸出的情況下，可脫機檢修，比如對于30kW的設備負載，我們可以考慮2臺15kW容量的UPS系統并聯，即使一臺UPS出現故障，另外一臺UPS仍然可以承擔全部負載，此為雙機熱備冗余。并聯冗余的本質，是不間斷電源可靠穩定的輸出。具體電路如圖2。

具體工作原理和操作流程如下：正常運行時QA11、QA13、QB1和QA21、QA23、QB2合閘，QA12、QA22、GK1分閘，兩臺功率相同的UPS分別對應不同的負載;若UPS1故障或市電失電時，需要退出UPS1進行維修，則該臺UPS會自動轉為內部旁路，另外一臺UPS人為轉為內部旁路，合GK1，2臺UPS在旁路狀態并聯運行，分QA13，再將UPS2轉為自動運行，所有負載由UPS2提供電源，分QA11，UPS1退出運行，主機取出維修;當UPS1故障排除后，按逆順序投入UPS1。

檢修和維護：若UPS1計劃檢修和維護，可直接合GK1，使兩臺UPS在熱機冗余情況下運行，分QA13、QA11開關（注意分合順序不能搞反），退出UPS1運行，取出主機檢修。

故障解決方式：若UPS1和UPS2同時發生故障，UPS會自動轉為內部旁路，此時合QA12、QA22，分QA13、QA23和QA11、QA21開關，退出UPS1和UPS2，改為市電供電模式。

從上面UPS冗余系統來看，運行的穩定性增強了，故障率低、供電方式更加靈活，檢修也方便，因此要比單UPS供電可靠性強，在非冗余情況下，組合方式多樣，也可提供單機運行模式、市電運行模式、電池供電模式，彼此獨立互不影響，可靠性大大提高。

該UPS不間斷電源并聯冗余系統有以下優點：

（1）提高供電系統的穩定性，沒有公用的元器件，不會因為一臺UPS主機或元器件故障影響全部輸出;

（2）因并機運行的每臺UPS功率、型號均一樣，內部阻抗、輸出波形也一樣，在帶載運行時基本上沒有環流，在空載時環流具有自平衡功能;

（3）線路簡單、可以在線檢修、維護，也可脫機檢修UPS主機。

（4）因系統結構一樣，備件成本低。

3 UPS雙機冗余系統運行中的不足

我公司購買多臺該系統設計的UPS，車間使用后反映效果良好，但在使用中也存在一些不足：

（1）由于故障時需要并聯運行，故需要并聯運行的UPS品牌、型號、參數一致，對于多品牌的使用增加了局限性;

（2）并機使用有環流存在，降低了運行的穩定性。

總之，在對UPS電源系統進行設計時，要結合使用工況、負載情況有針對性的選型設計，我們具有考慮可操作性、智能化，也要考慮投資成本、后期維護費用，同時還要考慮將來系統的擴容，不要只顧眼前利益，對設備進行簡單的堆積或組合，避免投資費用過大，又為達到預期要求，只有準備充分、用心設計，就一定能設計出滿足自己需求、性價比高的UPS冗余系統。

參考文獻：

[1]路華山.海南煉化生產控制系統UPS的應用技術探討與改進[J].電工技術，2010（03）.