UPS及EPS的應用技術與發展趨勢

一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續充電，電池連續充電大約要減少一半的使用壽命。目前國外使用一種ABM(Advanced Battery Management)三階段電池管理方案，即充電分成三個階段：第一階段是恒流均衡充電，將電池容量充到90％；第二階段是浮充充電，將電池容量充到100％，然后停止充電；第三階段是自然放電，在這個階段里，電池利用自身的漏電流放電，一直到規定的電壓下限，再重復上述的三個階段。這種方式改變了以前那種充滿電后，仍使電池處于一天24h的浮充狀態，因此延長了電池的壽命。

金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優點，而且又無鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應用于UPS可以收到小型輕量化的優點。但其缺點是售價太高。美國Alupower公司研發的高功率鉛－空氣備用電源裝置(RPU)，運行≥50h，功率從600W到6000W，電壓有DC24V和48V兩種，其能量密度是鉛酸電池的十多倍，重量只有鉛酸電池的1／10，所占空間只有鉛酸電池的1／7，有望取代鉛酸蓄電池應用于UPS。

3.3 UPS的冗余技術和在線維護（熱插拔）

開關整流器的并聯和熱插拔已成為通信電源的基本運行方式，這種運行方式即所謂N＋1冗余供電方式，用于取代主備方式，使電源的可靠性大幅度提高。主備方式的備份電源的容量和主電源相同，因此使電源成本提高，而且在轉換時還會造成電能中斷。N＋1冗余供電方式不僅降低了電源成本，并且還保證了供電不中斷。這種冗余供電方式的實質是通過并聯平行操作的電源模塊提供分布式電源，所有的模塊并聯運行并平均負擔當前的負載，電源陣列比額定容量多配置一個功率模塊，當一個模塊出現故障時，特設的電路將故障模塊從負載上斷開，其它模塊將立即支持所有負載，使其連續不間斷地供電。替換模塊后UPS的控制電路和蓄電池均能在線運行。這種靈活的模塊化設計，用戶可以自行堆疊電池模塊，以增加UPS的輸出功率，延長供電時間，大大增強了電源的可靠性。

UPS的并聯和熱插拔技術要比開關整流器的并聯復雜得多，這是因為交流電的變量比直流電多，有相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個變量，其任意一個與市電電源不一致，都不能使UPS投入電網。在投入電網后還必須不斷地檢測各臺UPS輸出的有功功率和無功功率，通過調節電壓和相位實現各UPS輸出有功功率和無功功率的平均分配。

由此可見，UPS的并聯工作有3個方面。一是正常工作的UPS自動投入電網，二是并聯運行的UPS之間，有功功率和無功功率的均勻分配，三是UPS退出并聯，特別是在不干擾電網的情況下快速切除故障UPS。這3個要求的實現，也就解決了UPS的熱插技術。

3.4 智能化UPS的管理系統

所謂智能化UPS，是指將傳統UPS通過與計算機相連的硬件接口，結合特殊設計的軟件，以提供計算機及數據資料的雙重保護。當前UPS智能化技術有兩個方面：一是加強UPS新功能，與服務器上的軟件協同工作，使UPS除了完成最基本的不間斷供電功能外，還能實現網絡上事件記錄、故障告警、參數自動測試分析和調節等；另一方面是加強UPS的節能功能。

智能化的UPS，除了完成一般UPS所能完成的全部工作外，還應具備的功能是：

1）對運行中的UPS進行監測，隨時將采樣點的狀態信息送入計算機進行處理，一方面獲取UPS工作的有關參數，另一方面監視電路各部的工作狀態，從中分析電路各部分工作是否正常；

2）故障時，根據監測的結果進行故障診斷，指出故障部位，給出處理辦法；

3）完成部分處理工作，除了實現對UPS工作的控制外，還能在發生故障時，根據需要采取必要的應急控制，此外通過對整流部分的控制，按照對不同蓄電池的不同要求，自動完成對蓄電池的分階段充電；

4）自動顯示所檢測的參數，在異?；虬l生故障時，可以自動記錄有關異?；蚬收系男畔ⅲ?p> 5）按照技術說明書給出的指標，自動定期地進行自檢，并形成自檢記錄文件；

6）能夠用程序控制UPS的啟動或停機，實現無人值守的自動操作；

7）具有交換信息功能，可以隨時向計算機輸入信息或從計算機獲取信息；

8）通過通信接口與計算機互聯，實現網絡化監控管理。

推動UPS技術發展的主要動力在于全球計算機網絡的迅速發展。為了使UPS能夠更好地適應網絡環境的要求，UPS正在向網絡化管理和控制方向發展。新型的網絡UPS采用一個集成的SNMP適配器，掉電期間，即使UPS不能通過網絡傳遞信息，用戶也可以依靠UPS通過串行端口適時關閉服務器，適配器接到UPS通信端口上，以實現網絡可維持局部停機控制。網絡管理人員通過網絡中的網管平臺，將UPS作為一個網絡設備來管理，實時處理電源故障及UPS狀態報警。SNMP適配器和管理軟件相配合可以同時向任何管理站發出電源故障及UPS狀態報警。在無人值守的情況下，當市電中斷時，軟件會發出告警信息，并開始倒計時，當倒計時計數到零時或電池耗盡前，軟件即關閉應用程序，并將現場資料存盤后關閉系統，向UPS發出關機命令，切斷UPS，當市電恢復后可自動啟動UPS。

智能化的網絡UPS最基本功能是在長時間斷電的情況下，能安全、自動地關閉網絡，確保網絡系統及數據的安全性。此外，通過遠程控制裝置，用戶也可以在遠方通過電話遙控UPS，有些UPS還可將UPS狀態或報警信息通過電子郵件、傳真機或手機等通知外出網絡管理人員。

3.5 提高UPS的可用性

從20世紀90年代中期開始，隨著信息技術的高速發展和網絡時代的到來，對UPS可用性的要求越來越高。所謂UPS的可用性，其物理概念是，在規定的使用期間內，UPS的正常運行時間與整個時間的比例。根據這個定義要提高UPS的可用性有兩個辦法：一是提高UPS的平均無故障時間MTBF，二是降低UPS的平均修復時間MTTR。提高UPS本身MTBF的傳統做法是，提高功率開關器件的規格和檔次；改進控制技術，提高邏輯控制組件的規格和檔次；使用更先進的主電路結構；提高智能管理和通信功能；嚴格生產工藝，加強質量管理(ISO9000)等。但當MTBF提高到一定程度后其效果就不明顯了。用降低MTTR的辦法，效果是非常明顯的。降低UPS的MTTR的做法有如下幾種。

1）一般的做法是加強對UPS，特別是其中的關鍵部件的維護；充足的備件并保證其完好性；加強對維護人員操作技能的培訓，特別是用戶在采購UPS時就要求廠家對售后服務(包括備件提供、反應時間和修復速度)條件做出嚴格承諾。

2）UPS的模塊化＋冗余配置，把整個UPS按電路功能分成幾部分，并在結構上設計成可以插拔的模塊，例如功率模塊(包括整流器和逆變器)、電池模塊、智能管理和通信功能模塊。

3）UPS的冗余并機配置，在UPS中，可以把控制電路集中起來作為一個獨立的可插拔模塊，也可以把功率變換部分集中在一個結構中，作為一個可以熱插拔的模塊。為了適應多臺UPS并聯供電，也可以把每臺UPS看作一個模塊，在冗余熱備份配置的情況下，同樣可以做到故障后熱插拔修復，或者使每臺UPS都具備直接并機的功能。

4）用集成設計提高UPS的可用性，以適應由多種設備組成供電系統的需要。集成化UPS供電系統的基本思想和原則是，供電設備制造和供應的統一化和標準化；系統中供電設備和包括負載機架結構的一體化和連接的規范化；系統中各供電設備和環節（包括負載機架中的PDU）電源狀態管理的集中化；系統中各供電設備和環節結構的模塊化和連接的熱插拔功能。

一個完整的供電系統的組成，除UPS設備外，還有輸入配電柜、ATS轉換開關、變壓器、瞬態電壓浪涌抑制器、負載配電開關柜、柴油發電機、交流穩壓器、電池系統、各種開關、斷路器、熔斷器、轉插板，上百乃至幾百個連接點和相應的傳輸線。對于一個復雜的供電系統如何提高其可用性呢?僅僅解決UPS設備的可靠性顯然是不夠的，根據系統實際運行的故障數據表明，直接由于UPS故障引起系統宕機的比例畢竟是較少的，由于系統中其他設備和環節以及人為事故造成的故障，或者由此引發的UPS故障占大多數。但是模塊化、冗余配置、熱插拔修復等設計原則還是適用的。當然，系統中各種設備和管理的標準化、統一化和集中化，減少單路徑故障點和大面積掉電的隱患，加快建設速度和安裝的規范化、對環境和負載變化的適應性和系統的可擴展性、降低維護管理的難度和減少人為事故的幾率等問題，也是要研究和解決的重點。

圖7是集成化UPS供電系統示意圖，虛線框內是集成化所包含的內容。

圖7 集成化UPS供電系統示意圖

集成化UPS系統的特點如下：

（1）由單機模塊化＋冗余的UPS系統組成雙總線系統，是可用性等級最高的UPS供電系統；

（2）UPS供電系統與數據中心一體化機架式結構，整個系統只有電網進線與外接線；

（3）PDU作為基本組合的一個子系統，直接配置在標準的負載機架中；

（4）該系統結構的基本組合機柜上的服務器提供了整套基礎設施，這種基礎設施包括IT機柜中的冷卻設施、布線設施和配電設施；基礎組件包含在4個子系統中，即IT機柜、機架安裝PDU、環境監控以及電源和數據電纜布線。

3.6 綠色化

各種用電設備及電源裝置產生的諧波電壓和諧波電流，對市電電源是一種污染，隨著各種政策法規的出臺，對無污染的綠色UPS的呼聲越來越高。要求UPS做到使用戶負載既不受已污染的市電電源的影響，同時用戶負載產生的諧波電壓和諧波電流也不要污染市電。對于串并聯補償式UPS，它已經具備了這種功能，對于傳統雙變換UPS，除在輸入端加裝高效輸入濾波器外，還應在輸入整流器部分采用數控有源功率因數校正技術(PFC)，這樣就可以提高輸入功率因數，減少對市電電源的污染。

3.7 EPS的發展趨勢

由于EPS所帶負載類型的復雜性和環境的相對固定性，針對不同場合、不同負載，可對EPS功能做得更貼近現實應用。其中包括以下幾方面。

1）結構組成普通EPS為了更好地結合實際應用，往往采用“多合一”的結構設計，但由于負載及環境的復雜性，也由此帶來設備標準化和設計院所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設計，將主機與輸入或輸出配電分離開來。主機模塊完成主要的能量轉換及通訊控制功能；配電模塊實現豐富的配電管理功能。主機模塊通過標準控制接口實現對配電模塊的管理，如雙電源自動切換功能，多回路輸出功能，消防聯動功能均應在配電模塊中實現。

2）配電模塊應增加功能EPS用于緊急負載的供電，其負載往往為非單一的負載，而這些負載在緊急情況下的關鍵程度不盡相同，因此，對于EPS來說，某些配電管理功能至關重要。

（1）順序啟動功能諸如，EPS的負載很大一部分是感性沖擊負載，具有較大的啟動電流，在選型時必須加大EPS容量，從而造成設備資源的浪費以及用戶成本的增加。實際上，由于EPS負載供電的可間斷性，EPS可增加一個8路或16路的可編程配電管理接口，通過對負載啟動的順序、時間進行控制，可在很大程度上解決啟動沖擊電流和加大選型容量的問題。

（2）部分卸載功能由EPS負載性質決定，當過載發生時，需要EPS盡可能繼續工作，而不能象UPS那樣進行保護性關機，因此，同樣可通過配電管理接口卸除次要負載。

3）電池管理由于EPS的使用環境一般較UPS惡劣，為盡可能延長蓄電池的使用壽命，充電器應同時具備以下功能：

（1）可設定充電限流；

（2）可設定電池放電終止電壓；

（3）具有自動浮充功能，充電機制應符合DIN41773標準；

（4）具有浮充電壓溫度補償功能；

（5）智能電池檢測功能；

（6）深放電保護(可強制應急)。

4）變頻起動功能目前變頻起動型EPS的設計，如圖8所示，主要著眼于解決較大電動機，如電梯、水泵、風機等負載的起動沖擊問題，但更為合理的設計，應該是在線式UPS與變頻器技術的完美結合。在線式UPS具有成熟的整流、電池管理技術；變頻器具有成熟的變頻控制技術，兩者的有機結合才是這一應用領域的最終發展方向。

圖8 變頻起動

4 鳴謝

本文摘引近兩年《UPS應用》雜志曾發表過的文章，謹向原文作者表示感謝。