電源：UPS的性能分類與標(biāo)準(zhǔn)化UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

標(biāo)簽：不間斷電源 UP 電源系統(tǒng)

0 引言

不間斷電源設(shè)備(UPS)是一種電子電源系統(tǒng)，其基本功能是當(dāng)市電電源發(fā)生故障時，不間斷地為用戶設(shè)備提供符合規(guī)定的交流電源。當(dāng)市電電源停電時，UPS將轉(zhuǎn)換為由蓄電池供電的工作方式，在規(guī)定時間內(nèi)向用戶設(shè)備供電。當(dāng)市電電源較長時間停電時，UPS需要由備用發(fā)電機組供電，繼續(xù)不間斷地為負(fù)載供電。此外，在市電正常的情況下，UPS將市電電源進行適當(dāng)?shù)淖儞Q和調(diào)節(jié)，從而抑制市電電源的各種干擾;為負(fù)載提供高質(zhì)量的交流電源。因此，UPS還具有改善市電質(zhì)量的功能。

UPS的負(fù)載是被視為關(guān)鍵性的或重點保護的設(shè)備。這些關(guān)鍵性負(fù)載包括數(shù)據(jù)處理、計算機和通信系統(tǒng)之類的設(shè)備等等。 為滿足不同類型的負(fù)載對供電連續(xù)性和供電質(zhì)量要求，現(xiàn)已開發(fā)出功率范圍從不足百瓦至數(shù)兆瓦的各種型式的靜態(tài)UPS。

靜態(tài)UPS主要有三種典型的電路結(jié)構(gòu)，長期以來被稱為：在線UPS (on line UPS)、離線UPS(off line UPS)和在線互動UPS(line interactive UPS)。但是，這些UPS名稱對其工作原理的表述是不準(zhǔn)確的，很容易引起混淆。為了避免混淆，國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62040-3 重新規(guī)定了UPS新的名稱：雙變換UPS (double conversion UPS)、冷備用UPS(passive standby UPS)、市電交互UPS(line interactive UPS)。

“離線UPS(off line UPS)”，其本來的含義是：逆變器在正常情況下，不向負(fù)載供電，而是由市電電源向負(fù)載供電。只有當(dāng)市電交流輸入電壓超出允差時，逆變器才向負(fù)載供電。然而，術(shù)語“離線(off-line)”也有“不在市電電源上(not-on-the-mains)”之意，即正常情況下市電不向負(fù)載供電。而實際上，在正常情況下，負(fù)載是由市電電源供電的。為了防止這種定義的混淆，IEC62040-3明確提出，不使用“離線UPS(off line UPS)”這一術(shù)語，而使用“冷備用UPS(passive standby UPS)”術(shù)語。

“在線UPS(on line UPS)”，意思是不論市電交流輸入電源情況如何，負(fù)載始終由逆變器供電。但是，術(shù)語“在線(on-line)”也可以理解為在市電電源上(on-the-mains)，即負(fù)載由市電供電(這與實際情況相反)。為了防止定義的混淆，IEC62040-3明確提出，應(yīng)避免使用 “在線UPS”這一術(shù)語，而只使用“雙變換UPS”術(shù)語。

在線互動UPS(line interactive UPS)的漢語名稱與英語名稱不符，因為line 不是on line ，所以不是“在線”。實際上line 是指市電(the mains)。因此，“line interactive UPS” 應(yīng)譯為“與市電交互UPS”，或“與市電互動UPS” 。

此外，由于雙變換UPS (double conversion UPS)(即老名稱“在線UPS”)被公認(rèn)為實際性能最好的UPS 系統(tǒng)。在市場競爭中，出現(xiàn)了一些奇怪UPS的名稱，例如，“準(zhǔn)在線UPS(quasi online ups)”、“半在線UPS(semi　online ups)”、“真在線UPS(true online ups)”、“在線均分技術(shù)(online-sharing technology)”等等。相關(guān)UPS廠家提出這些UPS名稱的目的是試圖讓用戶相信其UPS產(chǎn)品是雙變換UPS。實際上，這些產(chǎn)品并不是雙變換UPS，不能提供用戶所希望的性能和可靠性。

針對這種情況，IEC62040-3 除了廢除不科學(xué)、不適當(dāng)?shù)睦系腢PS名稱、規(guī)定了新的UPS名稱外，還提出了UPS 按性能分類的方法。這個分類方法基于UPS輸出電壓和輸出頻率與UPS 輸入電源的參數(shù)的關(guān)系，提出了UPS 性能分類代碼。按性能分類的目的是提供一個共同的基礎(chǔ)，使用戶可以在相同條件下，對額定功率相近的不同廠家的UPS產(chǎn)品進行比較。

符合IEC62040-3國際標(biāo)準(zhǔn)的UPS將由廠家按規(guī)定進行性能分類代碼的標(biāo)識。用戶一般應(yīng)避免采用未標(biāo)識性能分類代碼的UPS產(chǎn)品。

我國國標(biāo)GB7260 已等效采用IEC62040-3國際標(biāo)準(zhǔn)，今后國產(chǎn)UPS 產(chǎn)品也應(yīng)標(biāo)識UPS 性能分類代碼。在進行UPS 選型時應(yīng)注意選用已標(biāo)識UPS 性能分類代碼的UPS。

本文闡述IEC62040-3(和GB7260)規(guī)定的UPS 的性能分類方法和標(biāo)準(zhǔn)化的UPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并介紹高可用度的并聯(lián)冗余UPS 和分布冗余UPS。

1 UPS 性能分類代碼

UPS 性能分類代碼由三部分組成。(例如 VFI-SS-123 ，這是分類代碼的一個例子)

最前面的三個字符規(guī)定在正常工作方式下的電源質(zhì)量。表示UPS輸出電壓和頻率與交流輸入電源(市電)電壓和頻率的關(guān)系。

中間的兩個字符規(guī)定在正常工作方式(包括暫時的靜態(tài)旁路工作)和儲能方式下的輸出電壓波形。表示是正弦波或非正弦波。

最后三個字符規(guī)定在不同條件下UPS瞬態(tài)輸出電壓性能。表示是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的瞬態(tài)電壓性能。

1.1　電源質(zhì)量的分類選項(三個字符或兩個字符)

以下各選項均表示在正常工作方式下的電源質(zhì)量。可以為VFI，VFD，VI。

• VFI：　表示這種UPS的輸出與市電電源的電壓和頻率無關(guān)。

• VFD： 表示這種UPS的輸出取決于與市電電源的電壓和頻率變化。

• VI：　 表示這種UPS的輸出(頻率)取決于市電電源的頻率變化。輸出電壓與市電電壓無關(guān)

1.2　輸出電壓波形的分類選項(兩個字符)

第一個字符表示在正常和旁路方式下的輸出電壓波形?？梢詾镾，X，Y。

第二個字符表示在儲能方式下的輸出電壓波形?？梢詾镾，X，Y。

• S： 表示在所有線性和基準(zhǔn)非線性負(fù)載條件下，輸出波形均為正弦波，其總諧波失真因數(shù) D小于0.08 。

• X： 表示在線性負(fù)載條件下，輸出波形均為正弦波(與S相同)，在非線性負(fù)載條件下(如果超過規(guī)定的極限)，其總諧波失真因數(shù) D大于0.08 。

• Y： 輸出波形是非正弦波。

1.3　瞬態(tài)電壓性能的分類選項(三個字符)

第一個字符表示改變工作方式時的輸出電壓瞬態(tài)性能?？梢詾?，2，3。

第二個字符表示在正常/儲能方式下，帶線性階躍負(fù)載時的輸出電壓瞬態(tài)性能(最不利的情況) ?？梢詾?，2，3。

第三個字符表示正常/儲能方式下，帶基準(zhǔn)非線性階躍負(fù)載時的輸出電壓瞬態(tài)性能(最不利的情況) ?？梢詾?，2，3。

• 1： 表示瞬態(tài)電壓≤ 圖 1 的1類輸出動態(tài)性能數(shù)據(jù)(無中斷或無零電壓出現(xiàn))。

• 2： 表示瞬態(tài)電壓≤ 圖2 的2類輸出動態(tài)性能數(shù)據(jù)(輸出電壓為零持續(xù)1ms)。

• 3： 表示瞬態(tài)電壓≤ 圖3 的3類輸出動態(tài)性能數(shù)據(jù)(輸出電壓為零持續(xù)10ms)。

圖1　1類輸出動態(tài)性能

圖2　2類輸出動態(tài)性能

圖3　3類輸出動態(tài)性能

1.4　完整的UPS分類代碼

下面是典型的UPS完整的分類代碼：

電源質(zhì)量　　　 輸出波形　　　 輸出動態(tài)性能

VFI　　 —　　　　SS　　 —　　　111

VI　　　—　　　　SX　　 —　　　222

VFD　　—　　　　SY　　 —　　　333

實際的UPS產(chǎn)品的性能分類代碼舉例：

Powerware 9370 ：VFI-SS-111

Powerware PB4000(BORRI 4000)：VFI-SS-111

Socomec DELPHYS MP：VFI-SS-111

AEG/SAFT SVS Power System：VFI-SS-111

2 UPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1　UPS性能分類代碼與UPS內(nèi)部結(jié)構(gòu)

綜上所述，UPS 按性能分類，可分為三類，用代碼表示為：

VFI 　 (UPS的輸出與市電電源的電壓和頻率無關(guān))

VFD 　(UPS的輸出電壓和頻率取決于與市電電源的電壓和頻率)。

VI　 (UPS的輸出(頻率)取決于市電電源的頻率變化。輸出電壓與市電電壓無關(guān))

然而，實際上，UPS按性能分類的VFI、VI、VFD與按UPS內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)分類的雙變換、市電交互、冷備用單機UPS系統(tǒng)是密切相關(guān)的。

UPS性能分類代碼表示的是UPS輸出電壓和頻率與市電電源的關(guān)系、輸出波形和動態(tài)性能，這些性能和功能指標(biāo)都是與UPS單機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)的。

在前面給出的完整UPS性能分類代碼的例子中 ，VFI-SS-111，VI-SX-222，VFD-SY-333和單機UPS系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系如下：

2.1.1 VFI-SS-111，雙變換UPS

性能分類代碼VFI-SS-111表示UPS輸出電壓和頻率與市電電壓、頻率無關(guān)。要達(dá)到這個要求，必須在正常方式下，通過直流中間環(huán)節(jié)再生一個交流電源。這種UPS技術(shù)就是雙變換UPS，它也能滿足對正弦波輸出波形和1類輸出動態(tài)性能(圖1)的要求。

2.1.2 VI-SX-222，市電交互UPS

性能分類代碼VI-SX-122表示UPS輸出電壓與市電電源電壓無關(guān)，但輸出頻率與市電頻率有關(guān)。

這種UPS技術(shù)就是市電交互UPS。其輸出電壓可以調(diào)節(jié)到某個極限內(nèi)，可以認(rèn)為UPS 輸出與市電電壓無關(guān)，但輸出頻率取決于市電頻率。這種UPS在正常方式下不需要直流中間環(huán)節(jié)。這種UPS在工作方式轉(zhuǎn)換時不能滿足1類輸出動態(tài)性能的要求，只能滿足輸出2類動態(tài)性能(圖2)的要求。