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UPS论文示范文本

深圳英亿达技术论文

题目：

UPS冗余电路及稳定性

部门：

工程技术部

姓名：

赵广磊

一．引言

为了提高供电的可靠性，在冗余并联技术问世前常采用热备份串连连接的方式，这种方式的特点是应用灵活，不外加设备，既使不同厂家、不同型号的UPS，只要有静态旁路，而且容量一样，就可以做这种连接，而且具有冗余的功能。

所谓冗余技术，通俗的说，就是为了保障重要系统设备不停止运转而采取的一些技术措施。

以计算机为例，其服务器及电源等重要设备，都采用一用二备甚至一用三备的配置。

正常工作时，几台服务器同时工作，互为备用。

电源也是这样。

一旦遇到停电或者机器故障，自动转到正常设备上继续运行。

确保系统不停机，数据不丢失。

二.UPS概念

UPS即不间断电源。

是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。

主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供稳定、不间断的电力供应。

当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将电池的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

UPS设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。

三.组成

UPS电源系统由五部分组成：

主回路、静态旁路、电池等电源输入电路，进行AC/DC变换的整流器（REC），进行DC/AC变换的逆变器（INV），逆变和旁路输出切换电路以及蓄能电池。

其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。

净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时R干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。

储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就像接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。

由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到净化功能，也称对干扰的屏蔽。

频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。

为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关,检修旁路开关等开关控制。

四.工作过程

以AEG品牌为例：

当市电正常380Vac时如（图1）所示，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的220V或380Vac交流电压，同时市电经整流后对电池充电。

当市电欠压或突然掉电如（图2）所示，则由电池组通过逆变器逆变继续向负载提供电能。

从电网供电到电池供电没有切换时间。

当电池能量即将耗尽时如（图3）所示，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作不间断的转为静态旁路，长鸣告警。

逆变器转静态旁路是不间断的，切换时间小于1ms。

不间断电源有过载保护功能且逆变器抗过载能力强，当发生超载（125%负载）时，能持续工作，超载（150%负载）能工作1min，（前提是在静态旁路停止工作的时候），并在负载正常时自动返回，当发生严重超载（超过200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面输入空气开关也可能跳闸。

消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。

图1

图2

图3

五.UPS电源并机的概念

当采用UPS向网络设备供电时，一旦这台UPS出现故障而断电，整个网络就会瘫痪。

这就是UPS的单路瓶颈，此时最好的解决措施就是采用冗余技术。

具体的冗余方案主要有主从式冗余、并机式冗余和切换式冗余三种方式。

在这三种方式中，并机式冗余系统的可靠性最高，即由两台或两台以上的UPS并机同时向网络负载供电，在容量上至少冗余一台UPS。

当其中一台或冗余的几台UPS出现故障时，其他的UPS仍可正常向负载供电，这就大大提高了UPS电源系统的可靠性。

这种允许一台以上单机发生故障的并机系统也称为冗余并机系统。

六.UPS电源并机的特点

（一）.相位和幅值相同，以保证UPS之间无破坏性的环流产生。

（二）.负载均分。

UPS并机后，各UPS输出电流必须均匀分配。

若n台UPS并机，必须保证每台UPS的输出电流是总输出电流的1/n，至少其相互之间的最大不平衡度在要求的范围之内（一般＜2%）。

因此，并机数量越多，发生故障的概率越大。

（三）.统一切换。

当UPS并机系统中任何一台逆变器出现故障（过载、短路或由于电池过放电而停止工作等）时，均不能将本身的负载单独转到旁路通道，而是将负载分配到与其并机的其他UPS中，只有并机系统中所有UPS的逆变器停止工作时，才转到旁路通道。

在UPS单机组成的冗余并机系统中，可以通过外加并机柜的方式并机，也可以把具有并机功能的UPS输出端直接并联。

同一厂商的相同系列或相同型号的UPS产品更容易满足上述并机条件，因此在设计并机系统时，一般选用同一厂商相同型号的UPS产品。

在UPS冗余并机系统中，除了输出端并联外，还包括整流器输出并联、蓄电池组并联等。

有的UPS允许两台单机的整流器并联，以同时向两台单机的逆变器供电，并向几个并联的蓄电池组充电。

七.UPS电源并机的方式及分析

（一）.1+1冗余并机电源系统

当一台UPS完全满足负载功率的要求时，为了消除UPS输出的单路瓶颈，一般采用两台相同的UPS并机工作，组成1+1冗余并机系统。

在工作过程中，一台UPS工作，另外一台UPS冗余，当一台UPS发生故障时，另一台继续供电。

当两台UPS同时发生故障时，可经UPS静态旁路开关转到旁路通道。

当一台单机失效时，1+1冗余并机系统给维修提供了宝贵的时间。

1+1冗余并机系统一般都具有高级并机管理功能，使得整个并机系统的操作与单机的操作基本相同，即通过操作并机电源系统中的一台UPS面板，就可以控制整个并机电源系统。

（二）.1+n冗余并机电源系统

系统的冗余并机数量越多，系统的可靠性越高。

那么到底冗余并机多少单机才合适呢？

下面通过计算可靠性的主要指标—可靠度进行分析比较。

1+n冗余并机系统的工作原理是：

一台UPS工作，n台UPS冗余并机，即只要有一台UPS正常，就能保证系统正常工作。

因此1+n冗余并机系统的可靠度为1减去所有单机同时失效的概率，其计算见公式1。

在公式1中，R（t）的取值为

[0，1]，当n取[0，9]时，实际分布曲线如图4所示。

图1

（三）.1+n冗余并机系统的可靠度

由图1可知，随着冗余并机数量的增加，1+n冗余并机系统的可靠度也随之提高，但是并非随n的增加线性地增长。

随着并机数量的增加，1+n冗余并机系统的可靠度增长幅度逐渐减小，尤其当单机可靠度＞0.9、n由1增加到2及以上时，系统总可靠度的增加幅度很小。

另外，在1+n冗余并机系统中，当n≥2时，工程造价较高，一般的工程预算很难承受。

因此，实际工程中很少采用1+2或n>2以上的冗余并机系统，一般较多地采用1+1冗余并机电源系统。

由于单机负荷率＜50%的1+1冗余并机电源系统的可靠度增长幅度最大，故称其为“黄金冗余”。

（四）.n+1冗余并机电源系统

通过适当的冗余，UPS并机系统不仅能提高系统的可靠性，而且还可以用来扩充系统的容量。

当必须由n台单机容量加起来才能满足负载容量需求时，称为n台扩容并机系统，如果为了提高系统的可靠性再增加一台单机进行冗余并机，则称为n+1冗余并机系统。

当n+1冗余并机电源系统正常工作时，由n＋1台UPS单机来平均分担负载电流。

当一台单机失效时，其余的UPS将自动重新分担负载电流。

为使n+1冗余并机电源系统具有上述“容错”功能，要求用户的最大负载量不应超过n台UPS单机的总输出容量。

n+1冗余并机电源系统又叫做表决电源系统，在实际工程中广泛采用。

n+1冗余并机供电系统中有任何一台设备失效，系统都能正常工作。

因此，n+1冗余并机系统的可靠度应等于n+1台单机全部正常工作的概率加上n+1台单机中任意一台单机发生故障而其他n台单机全部正常工作的概率。

n+1冗余并机系统的可靠度计算见公式2。

在n+1冗余并机系统中，单机的可靠度R（t）的取值为[0，1]，当n取值为[1，9]时，n+1冗余并机系统可靠度Rs的实际分布曲线如图2所示

。

图2n+1冗余并机系统的可靠度

从图2中可以看出：

ln越大，n+1冗余并机系统的可靠度越低。

l1+0曲线为单机的可靠度曲线。

1+1系统曲线比1+0系统曲线有了大幅度提高，则说明在可靠度方面，n+1冗余并机系统比没有冗余的n台单机扩容并机系统有了较大的提高。

l当单机可靠度＜0.5、n＞1时，n+1冗余并机系统的可靠度小于单机的可靠度。

当单机可靠度＞0.9且n≤4时，与单机的可靠度相比，n+1冗余系统的可靠度有明显增加；当n≥5时，n+1冗余系统的可靠度一般小于单机的可靠度，这说明4台UPS单机扩容并机时就应该设置1台UPS冗余并机，同时还必须使UPS单机的可靠度＞0.9。

l当2+1冗余并机系统的单机可靠度≤0.5时，2+1冗余并机系统的可靠度小于单机的可靠度，而当单机可靠度≥0.5时，2+1冗余并机系统的可靠度大于单机的可靠度。

即只要单机可靠度＞0.5，2+1冗余并机电源系统的可靠度就比单机有较大幅度的增加。

可见当“黄金冗余”1＋1冗余并机系统不能满足负载容量的要求时，单机负荷率＜67%的2＋1冗余并机电源系统就成为最经济、可靠的选择。

因此，在设计相同输出功率的电源系统时，首先应选用UPS单机容量大、可靠度高、扩容并机数量少的1+1冗余并机系统，其次为2＋1冗余并机系统。

一般不选用UPS单机容量小、可靠度低，并机数量＞4的n＋1型冗余并机电源系统。

这是因为其存在故障率高、设备采购成本高等弊端。

当为网络服务器等重要负载供电的UPS并机台数增加到三台以上时，就应该采取分散供电，重新建设冗余并机电源系统。

（五）n+m冗余并机电源系统

   随着网络设备的不断增加，对UPS容量的要求越来越高。

大容量UPS的供电系统有两种构成方式：

一是采用单台大容量UPS；二是在UPS单机内部采用功率模块组成n＋m冗余并机结构。

前者的缺点是成本高、可靠性差，一旦出现故障将引起供电系统瘫痪。

后者的好处是提高了供电的灵活性和UPS的可靠性，不仅动态响应快，还可以实现标准化，更便于维修更换等。

   当n+1冗余并机电源系统的可靠度不能满足要求时，应采用n+m冗余并机电源系统。

n＋m冗余并机是指在一个UPS单机内部采用n＋m个相同的电源模块冗余并机组成UPS整机，其中，n为向负载提供额定电流的、扩容并机的模块个数，m为冗余并机的模块个数，也就是电源系统可以承受的同时发生故障的模块数。

m越大，电源系统的可靠度就会越高，但UPS电源系统的成本也越高。

在正常运行时，UPS由n＋m个模块冗余并机向负载供电，每个模块平均负担1/（n＋m）的负载电流，当其中某一个或k个

   （k≤m）模块发生故障时，自动由剩余的n＋（m－k）个模块继续均分负载电流，从而保证了网络服务器等重要负载的不间断供电。

其系统的总可靠度计算见公式3。

   当单机可靠度R为0.9、0.8、0.7，n取值为[1，10]，m取值为[0，10]时，实际分布曲线如图3、图4、图5所示。

图3  单机可靠度R为0.9时n+m冗余并机电源系统的可靠度

图4  单机可靠度R为0.8时n+m冗余并机电源系统的可靠度

图5  单机可靠度R为0.7时n+m冗余并机电源系统的可靠度

   比较图3、图4、图5后可以看出：

   l当n和m不变时，n+m冗余并机系统的可靠度受单机可靠度的影响较大。

单机可靠度高，n+m冗余并机系统的总可靠度就高。

例如，当R=0.9时，5+2冗余并机系统的可靠度为0.97；当R=0.8时，5+2冗余并机系统的可靠度为0.85。

   l当n和系统的总可靠度不变时，冗余并机数受单机可靠度的影响较大。

单机可靠度高，冗余并机数就少。

例如，要求5台扩容冗余并机系统的可靠度为0.97，当R=0.9时，m=2；当R=0.8时，m=3。

   l当R=0.9时，单机负荷率＜80%的4+1冗余并机电源系统比单机的可靠度略有增加，4+1冗余并机电源系统与8+2冗余并机电源系统的可靠度略小。

因此，对于逆变模块组成的n+m冗余并机的UPS电源系统来说，如果要保证系统的可靠度不低于模块的可靠度0.9，那么就应按照4:

1的比例进行冗余，即电源系统模块的负荷率必须低于80%。

l随着m的增加，n+m冗余并机电源系统的可靠度初始增加较快，后期趋缓，即当m＞n时，再继续增加m，对于提高n+m冗余并机电源系统的可靠度没有明显效果。

因此，m的选取应根据n和R共同来确定，单机可靠度低，m就应该增加，一般来说m≤n，但当n增加时，m也应该增加

八.分析结论

综上所述，除了选择优秀的UPS主机以外，采用1+1、2+1或者n+m冗余并机电源系统是提高系统容量和可靠性的关键。

单路瓶颈严重制约着UPS供电系统可靠性，而解决的惟一途径就是采用适当的冗余并机。

当单机容量能够满足负载需要时，适合采用“黄金冗余”1+1冗余并机系统；当必须两台以上并机才能满足负载容量需要时，适合采用2+1或n+m（m≤n）冗余并机系统。