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1、0、引言不间断电源设备(UPS)是一种电子电源系统，其基本功能是当市电电源发生故障时，不间断地为用户设备提供符合规定的交流电源。当市电电源停电时，UPS将转换为由蓄电池供电的工作方式，在规定时间内向用户设备供电。当市电电源较长时间停电时，UPS需要由备用发电机组供电，继续不间断地为负载供电。此外，在市电正常的情况下，UPS将市电电源进行适当的变换和调节，从而抑制市电电源的各种干扰;为负载提供高质量的交流电源。因此，UPS还具有改善市电质量的功能。UPS的负载是被视为关键性的或重点保护的设备。这些关键性负载包括数据处理、计算机和通信系统之类的设备等等。 为满足不同类型的负载对供电连续性和供电质量
2、要求，现已开发出功率范围从不足百瓦至数兆瓦的各种型式的静态UPS。静态UPS主要有三种典型的电路结构，长期以来被称为：在线UPS (on line UPS)、离线UPS(off line UPS)和在线互动UPS(line interactive UPS)。但是，这些UPS名称对其工作原理的表述是不准确的，很容易引起混淆。为了避免混淆，国际标准IEC62040-3 重新规定了UPS新的名称：双变换UPS (double conversion UPS)、冷备用UPS(passive standby UPS)、市电交互UPS(line interactive UPS)。“离线UPS(off lin
3、e UPS)”，其本来的含义是：逆变器在正常情况下，不向负载供电，而是由市电电源向负载供电。只有当市电交流输入电压超出允差时，逆变器才向负载供电。然而，术语“离线(off-line)”也有“不在市电电源上(not-on-the-mains)”之意，即正常情况下市电不向负载供电。而实际上，在正常情况下，负载是由市电电源供电的。为了防止这种定义的混淆，IEC62040-3明确提出，不使用“离线UPS(off line UPS)”这一术语，而使用“冷备用UPS(passive standby UPS)”术语。“在线UPS(on line UPS)”，意思是不论市电交流输入电源情况如何，负载始终由逆变
4、器供电。但是，术语“在线(on-line)”也可以理解为在市电电源上(on-the-mains)，即负载由市电供电(这与实际情况相反)。为了防止定义的混淆，IEC62040-3明确提出，应避免使用 “在线UPS”这一术语，而只使用“双变换UPS”术语。在线互动UPS(line interactive UPS)的汉语名称与英语名称不符，因为line 不是on line ，所以不是“在线”。实际上line 是指市电(the mains)。因此，“line interactive UPS” 应译为“与市电交互UPS”，或“与市电互动UPS” 。此外，由于双变换UPS (double conversi
5、on UPS)(即老名称“在线UPS”)被公认为实际性能最好的UPS 系统。在市场竞争中，出现了一些奇怪UPS的名称，例如，“准在线UPS(quasi online ups)”、“半在线UPS(semi online ups)”、“真在线UPS(true online ups)”、“在线均分技术(online-sharing technology)”等等。相关UPS厂家提出这些UPS名称的目的是试图让用户相信其UPS产品是双变换UPS。实际上，这些产品并不是双变换UPS，不能提供用户所希望的性能和可靠性。针对这种情况，IEC62040-3 除了废除不科学、不适当的老的UPS名称、规定了新的UP
6、S名称外，还提出了UPS 按性能分类的方法。这个分类方法基于UPS输出电压和输出频率与UPS 输入电源的参数的关系，提出了UPS 性能分类代码。按性能分类的目的是提供一个共同的基础，使用户可以在相同条件下，对额定功率相近的不同厂家的UPS产品进行比较。符合IEC62040-3国际标准的UPS将由厂家按规定进行性能分类代码的标识。用户一般应避免采用未标识性能分类代码的UPS产品。我国国标GB7260 已等效采用IEC62040-3国际标准，今后国产UPS 产品也应标识UPS 性能分类代码。在进行UPS 选型时应注意选用已标识UPS 性能分类代码的UPS。本文阐述IEC62040-3(和GB726
7、0)规定的UPS 的性能分类方法和标准化的UPS 系统结构。并介绍高可用度的并联冗余UPS 和分布冗余UPS。1、UPS 性能分类代码UPS 性能分类代码由三部分组成。(例如 VFI-SS-123 ，这是分类代码的一个例子)最前面的三个字符规定在正常工作方式下的电源质量。表示UPS输出电压和频率与交流输入电源(市电)电压和频率的关系。中间的两个字符规定在正常工作方式(包括暂时的静态旁路工作)和储能方式下的输出电压波形。表示是正弦波或非正弦波。最后三个字符规定在不同条件下UPS瞬态输出电压性能。表示是否符合标准规定的瞬态电压性能。1.1 电源质量的分类选项(三个字符或两个字符)以下各选项均表示在
8、正常工作方式下的电源质量。可以为VFI，VFD，VI。VFI： 表示这种UPS的输出与市电电源的电压和频率无关。VFD： 表示这种UPS的输出取决于与市电电源的电压和频率变化。VI： 表示这种UPS的输出(频率)取决于市电电源的频率变化。输出电压与市电电压无关1.2 输出电压波形的分类选项(两个字符)第一个字符表示在正常和旁路方式下的输出电压波形。可以为S，X，Y。第二个字符表示在储能方式下的输出电压波形。可以为S，X，Y。S： 表示在所有线性和基准非线性负载条件下，输出波形均为正弦波，其总谐波失真因数 D小于0.08 。X： 表示在线性负载条件下，输出波形均为正弦波(与S相同)，在非线性负载
9、条件下(如果超过规定的极限)，其总谐波失真因数 D大于0.08 。Y： 输出波形是非正弦波。1.3 瞬态电压性能的分类选项(三个字符)第一个字符表示改变工作方式时的输出电压瞬态性能。可以为1，2，3。第二个字符表示在正常/储能方式下，带线性阶跃负载时的输出电压瞬态性能(最不利的情况) 。可以为1，2，3。第三个字符表示正常/储能方式下，带基准非线性阶跃负载时的输出电压瞬态性能(最不利的情况) 。可以为1，2，3。1： 表示瞬态电压 图 1 的1类输出动态性能数据(无中断或无零电压出现)。2： 表示瞬态电压 图2 的2类输出动态性能数据(输出电压为零持续1ms)。3： 表示瞬态电压 图3 的3类
10、输出动态性能数据(输出电压为零持续10ms)。图1 1类输出动态性能图2 2类输出动态性能图3 3类输出动态性能1.4 完整的UPS分类代码下面是典型的UPS完整的分类代码：电源质量 输出波形 输出动态性能VFI SS 111VI SX 222VFD SY 333实际的UPS产品的性能分类代码举例：Powerware 9370 ：VFI-SS-111Powerware PB4000(BORRI 4000)：VFI-SS-111Socomec DELPHYS MP：VFI-SS-111AEG/SAFT SVS Power System：VFI-SS-1112、UPS 系统结构2.1 UPS性能分
11、类代码与UPS内部结构综上所述，UPS 按性能分类，可分为三类，用代码表示为：VFI (UPS的输出与市电电源的电压和频率无关)VFD (UPS的输出电压和频率取决于与市电电源的电压和频率)。VI (UPS的输出(频率)取决于市电电源的频率变化。输出电压与市电电压无关)然而，实际上，UPS按性能分类的VFI、VI、VFD与按UPS内部电路结构分类的双变换、市电交互、冷备用单机UPS系统是密切相关的。UPS性能分类代码表示的是UPS输出电压和频率与市电电源的关系、输出波形和动态性能，这些性能和功能指标都是与UPS单机系统结构有关的。在前面给出的完整UPS性能分类代码的例子中 ，VFI-SS-11
12、1，VI-SX-222，VFD-SY-333和单机UPS系统的对应关系如下：2.1.1、VFI-SS-111，双变换UPS性能分类代码VFI-SS-111表示UPS输出电压和频率与市电电压、频率无关。要达到这个要求，必须在正常方式下，通过直流中间环节再生一个交流电源。这种UPS技术就是双变换UPS，它也能满足对正弦波输出波形和1类输出动态性能(图1)的要求。2.1.2、VI-SX-222，市电交互UPS性能分类代码VI-SX-122表示UPS输出电压与市电电源电压无关，但输出频率与市电频率有关。这种UPS技术就是市电交互UPS。其输出电压可以调节到某个极限内，可以认为UPS 输出与市电电压无关
13、，但输出频率取决于市电频率。这种UPS在正常方式下不需要直流中间环节。这种UPS在工作方式转换时不能满足1类输出动态性能的要求，只能满足输出2类动态性能(图2)的要求。2.1.3、VFD-SY-333，冷备用UPS性能分类代码VFD-SY-333表示UPS输出电压和频率取决于市电电源电压和频率。在正常方式下，市电电源的各种干扰都会影响到负载。这种UPS技术就是冷备用UPS。这种UPS在市电故障时，启动逆变器，负载由机械开关转换到逆变器供电，转换时间大约48ms。因此，只能满足3类输出动态性能(图3)的要求。VFI-SS-111，VI-SX-222，VFD-SY-333对应的单机UPS系统及其特
14、点如表1 所示。表1 IEC 62040规定的UPS分类与其对应UPS 系统下面简单介绍这三种标准化单机UPS的系统结构及特点。2.2 冷备用UPS (passive standby UPS)冷备用UPS如图4所示。这种UPS 有正常和储能两种工作方式。在正常工作方式下，负载由市电电源经UPS开关直接供电。也可以采用一些附加设备(例如铁磁谐振变压器或自动改变抽头的变压器)对输入电源进行简单的调节后为负载供电。整流器给蓄电池充电。当交流输入电源指标超出UPS的预定允差时， UPS转入储能工作方式，启动逆变器，负载由蓄电池经逆变器直接或通过UPS开关(电子开关或机械开关)供电。从市电供电向蓄电池供
15、电的转换过程将引起48ms 的中断时间。蓄电池/逆变器组合将一直为负载供电到蓄电池放电终止。或者供电到交流输入电源恢复，负载转换回由输入交流电源供电。(以先到者为准)这种UPS是最简单、最经济的UPS。但是有一些严重的缺点，(1)负载没有与市电电源的干扰隔离。(2)市电停电时负载转换为由逆变器供电的过程中供电中断时间较长，对许多重要的应用场合(特别是IT系统)是不适合的。(3)在正常工作方式下输出电压和频率没有调节，取决于市电的电压和频率。因此这种UPS仅适用于小容量系统。图4 冷备用UPS2.3 市电交互UPS (line interactive UPS)2.3.1 典型的市电交互UPS市电交互UPS如图5所示，系统由电源接口电路、逆变器、蓄电池、UPS开关等所组成。接口电路包括静态开关和电感(扼流圈)。逆变器是双向变换器，即有市电时将市电交流电整流为直流电给蓄电池充电;市电停电时将蓄电池的直流电逆变为交流电为负载供电。市电交互UPS有三种工作方式：正常方式
