银行数据中心UPS基础知识概述

不间断电源（UninterruptablePowerSupply，UPS）是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置。

从严格意义上讲，UPS不是一种电源，因为它不是依靠能量形式的转换来提供电能，而只是提供一种两路电源之间不间断互相切换的机会，这才是UPS的主要设计思想。

UPS是安装于电力系统和敏感型负载之间的电力装置，它提供的电力比电力系统提供的电力可靠得多，并能满足敏感型负载对电力质量和可用性方面的要求。自20世纪70年代首次推出以来，它的重要性与信息化技术的发展保持着同步增长。

1.UPS的主要作用

随着电子技术的发展，各种各样的用电设备越来越多，而用电设备绝大部分都是非线性负载（Non⁃LinearLoad）。非线性负载又称为畸变负载或污染负载，具有如下特点：

1）流入负载的电流波形与电压波形不一致。

2）负载阻抗随着加在其两端电压的变化而变化。

一方面，这些非线性负载给电网带来大量的谐波及其他干扰，使供电质量变差。为了降低这些电网中的干扰，国际国内均制定了有关的供电标准，规定用电设备给公共电网带来的干扰限制，限制用电设备对电网造成的扰动。

另一方面，这些非线性负载往往又是极其重要的负载，如机场、医院、银行、电信等部门的计算机、服务器、通信设备等，对供电质量的要求非常高，不仅要求不停电，还要求电压、频率稳定，波形准确完好。简而言之，需要有一个净化的电源。

为了解决负载与供电质量之间日趋加深的矛盾，人们用了多年的时间来寻找各种解决办法，在诸多的解决方案中，UPS方案是最佳的选择。通过创造出UPS这样的新型设备，使电网和用电设备进行隔离，既避免负载对电网产生干扰，又避免电网中的干扰进入和影响负载。

UPS的主要作用如下：

1）隔离电网中的干扰。将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前，使电网中的干扰不影响负载，又使负载对电网不会产生干扰。

2）提高供电质量。对电压跌落、过电压、欠电压、电压尖峰、三相不平衡等电压变动进行调整，起到稳压作用；对频率波动、过高、过低、闪烁等频率变动进行调整，起到稳频作用。

3）提供一定的后备时间。UPS的电池贮存一定的能量，在电网停电或间断时继续供电一段时间来保护负载，后备时间可根据所配置的蓄电池容量决定。

由于数据中心所承载的IT设备的重要性，要求数据中心保持7×24h不间断的高质量供电，对电力的可靠性要求和依赖性很高，供配电系统中的问题可能会带来重大损失或安全隐患，而UPS无疑是数据中心整个供配电系统中的核心设备，因此UPS的可用性和质量直接关系着数据中心供电的质量和连续性。

2.UPS的工作原理

UPS设备产生于20世纪60年代，经过60多年应用实践，UPS的电路结构形式、基本性能指标、系统应用配置方法等都发生了巨大的变化，但其工作原理大同小异。下面以传统双转换式UPS为例，如图4⁃33所示，对UPS工作原理进行简要介绍。

图4⁃33 双转换式UPS组成原理框图

在市电输入正常时，UPS通过整流器进行AC/DC转换，把主电源提供的交流电变换成直流电，以用于为逆变器供电，并为电池恢复性充电或浮充电。逆变器把来自整流器的直流电再进行DC/AC转换，变成稳定无杂质的交流电，给后级负载（IT设备）使用。UPS的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用晶闸管或高频开关整流器，本身具有可根据外界电压的变化控制输出幅度的功能，从而当外界电压发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流电能外，对整流器来说就像接了一只大容量电容器，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，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由逆变器来完成，频率稳定度取决于逆变器振荡频率的稳定程度。通过逆变器，完全再生出一个纯净的正弦波电压输出、幅值\频率和相位经过调整的交流电，较低的内阻使它成为非线性负载的理想电源。

一旦市电输入异常，比如突发停电，那么UPS的整流电路会被关断，同时启用备用能源——蓄电池，逆变器会把蓄电池的直流电逆变成稳定无杂质的交流电，继续给后级负载使用，维持设备的正常运行。

UPS通常有过载保护功能，当发生超载时，跳到旁路状态，由市电经整流后直接给负载供电。静态旁路也称为静态开关，用于将负载从逆变器切换到旁路交流电源，由于切换过程中是由电子元器件完成的，而不是依靠机械元件，所以切换时对负载的供电没有任何间断。

为方便UPS的日常操作与维护，设计了系统工作开关，即手动旁路。手动旁路也称为手动维修开关，用于维护时将负载切换到旁路。

此外，UPS与其外部环境监控的通信能力也变得十分重要。目前的UPS具有与市场标准相兼容的通信接口板，用于实时监视UPS运行情况和环境、对任何潜在的和已存在的问题进行报警等。

3.UPS的分类

随着电路技术水平的提升、半导体器件的持续发展以及实际应用需要的不断变化，UPS技术也在不断进步、电路结构不断更新和完善，出现了多种电路结构形式的UPS。

目前，对UPS进行分类的方法很多，有的反映了UPS技术发展的阶段性，有的反映了技术实现的手段，有的体现了UPS的不同性能和应用场合。分类方法的多样性，也造成了实际工作中某些概念的模糊和混淆。从工程实践需要出发，本书从UPS运行方式、逆变器工作频率、输出电流性质和储能装置角度，对UPS进行分析和讨论。

（1）后备式UPS、互动式UPS和双变换式UPS 根据运行方式的不同，UPS分为后备式UPS、互动式UPS和双变换式UPS3种。《不间断电源设备（UPS） 第3部分：确定性能的方法和试验要求》（GB/T7260.3—2003）将UPS运行方式分为双变换运行、互动运行和后备运行3类。

1）后备式UPS。《不间断电源设备（UPS） 第3部分：确定性能的方法和试验要求》（GB/T7260.3—2003）对后备式UPS的定义为“在正常运行方式下，负载由交流输入电源的主电源经由UPS开关供电”。后备式UPS在市电正常时，它的逆变器是不工作的，当市电掉电时才起到逆变器给负载供电的作用。后备式UPS一般只用于小功率供电，通常小于2kV·A。其特点是电路简单、可靠性高、价格便宜，电性能指标能满足一般负载要求。市电掉电时，输出电压切换时间取决于继电转换开关的动作时间，一般为4～10ms。(www.xing528.com)

2）互动式UPS。《不间断电源设备（UPS） 第3部分：确定性能的方法和试验要求》（GB/T7260.3—2003）对互动式UPS的定义为“在正常运行方式下，由合适的电源通过并联的交流输入和UPS逆变器向负载供电”。Delta变换式UPS是典型的互动式UPS，它将交流稳压技术中的电压补偿原理用到了UPS的主电路中，采用了两个可双向传输功率的四象限高频半桥变换器（Delta变换器和主逆变器），Delta变换器的输出变压器串联在UPS主电路，主要功能是对主电路电压进行补偿；主逆变器并联在UPS输出端，当市电掉电时向负载输出功率。基本组成原理框图如图4⁃34所示。

图4⁃34 Delta变换式UPS基本组成原理框图

3）双转换式UPS。《不间断电源设备（UPS） 第3部分：确定性能的方法和试验要求》（GB/T7260.3—2003）对双变换式UPS的定义为“在正常运行方式下，由整流器/逆变器组合连续地向负载供电。当交流输入供电超出了UPS预定允差，UPS单元转入储能供电运行方式，由蓄电池/逆变器组合在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前（按两者之较短时间），连续向负载供电”。在这种配置中，由于使用了静态开关，将负载切换到逆变器所需的时间可以忽略不计。而且，输出电压和频率完全独立于输入电压和频率，可作为频率转换器使用，具有稳压、稳频、切换无间断等特点。

需要注意的是，国标强调避免使用“在线”一词。工程实践中，经常有在线式UPS的说法。后备式UPS通常又称为离线式UPS，指的是在市电正常时逆变器是不工作的。那么，在线式UPS（如果非得有这种类型）应该是在市电正常时逆变器也一直工作的UPS，无论这时逆变器是否输出功率。

（2）工频机和高频机 根据逆变器工作频率及其相应的电路结构的不同，UPS可分为工频机和高频机。随着功率半导体器件的进步，UPS经历了由带多个输出工频变压器到单个输出工频变压器的演变过程，而性能更好的大功率IGBT（绝缘栅双极型晶体管）器件和更先进的控制技术的出现，为UPS设备从根本上去掉输出变压器奠定了技术基础。最初的UPS逆变器都是带有输出变压器的，其主要功能是为单相负载提供所需的零线以及对输出电压的匹配（也就是升压）。当新的电路结构本身具备这两个功能时，输出变压器也就自然没有存在的必要了。

1）工频机。工频机是指使用低频50Hz的晶闸管作为整流器，配置逆变器输出变压器的UPS。

2）高频机。高频机是指采用高频整流技术（IGBT⁃PFC）同时完成对输入功率因数校正和提升电压功能，消除了逆变器输出变压器的UPS。由于IGBT整流器的斩波频率较传统的50Hz高，故称为高频机。此外，由于高频机消除了输出变压器，因此目前国内工程实践中多有简单地以输出端是否有“逆变变压器”进行工频机和高频机的区分。

与传统的带输出变压器的UPS相比，高频机在缩小体积、减轻重量、改善性能、提高效率和降低成本方面，都有明显的改善，集中体现了UPS电路技术的进步，代表着UPS技术的发展方向。

（3）交流输出UPS和直流输出UPS 根据UPS输出电流性质的不同，UPS可分为交流输出UPS（AC⁃UPS）和直流输出UPS（DC⁃UPS）。

传统UPS设计中，备用电源（电池）必须经过逆变器向负载提供交流电，这就造成UPS必须两次变换能源、系统中存在负载和UPS两个谐波源、系统结构复杂、效率低下、可靠性难以有效提高等问题。如果能够改变传统UPS备用能源配置方法，能由电池直接用直流电给负载供电，那么UPS的可靠性、建造成本、能源利用率等将产生根本性变革，这也就是直流输出UPS产生的来由。

1）交流输出UPS。电网电压提供的是交流380V/220V、50Hz，而IT设备的逻辑电路用的是直流低电压（如5V），因此包括UPS在内的为IT设备供电的电源设备的核心任务就是完成两种制式电压的转换。UPS的发展与其供电的负载（也就是计算机设备）的发展，以及其自身所采用的功率半导体器件的技术进步密不可分。

20世纪60～70年代，计算机是由电网市电直接供电的，因此计算机设备内电源担负着高压交流电到低压直流电的转换任务，在电源输入端都必须配置工作在交流状态的工频降压变压器，稳压功能以线性调节稳压电路为主，如图4⁃35所示。

图4⁃35 20世纪60～70年代计算机设备供电示意图

20世纪70～80年代，开始使用UPS为计算机设备供电。由于计算机内电源的输入端都配置有工频变压器（如图4⁃35所示，另外一个原因是计算机内风扇要求使用交流电），因此UPS只能输出交流，这就是传统UPS交流输出的原因，也固定了后续UPS的电路结构形式，如图4⁃36所示。

图4⁃36 20世纪70～80年代计算机设备供电示意图

20世纪70年代，由于功率半导体器件性能的进步，电源业内开始了一场革命，无输入变压器的开关电源开始成熟并逐渐产品化，到80年代末，计算机设备内的开关电源基本上去掉了输入变压器，可以由电网交流高压直接供电，如图4⁃37所示。

图4⁃37 20世纪80年代后计算机设备供电示意图

一方面，现行的设备标准使得计算机设备还是采用交流电供电，这也就要求作为计算机设备前级输入电源设备的UPS，必须输出交流电。另一方面，由于传统UPS只提供交流电，所以计算机设备的开关电源必须保留输入端的AC/DC转换，因此，整个计算机设备供电就形成了UPS设备的AC/DC和DC/AC的两级转换，以及计算机设备内开关电源的AC/DC和DC/AC两级转换，如图4⁃37所示。为了解决传统UPS能量需要经过两次变换才供给负载，并从根本上消除系统中的谐波源，直流输出UPS应运而生。

2）直流输出UPS。如前所述，直流输出UPS给负载提供的是直流电，用直流UPS替代交流UPS的设计理念始于20世纪90年代，目的是解决输入电源多次变换问题，通过减少变换过程来提高设备的可靠性和能源利用率。

确定直流输出电压是直流输出UPS研制开发的首要任务。目前，直流输出UPS输出电压有48V、240V、300V、320V和380V等类型。

48V直流输出UPS在数据中心只有少量的应用，而240V、380V等高压（HVDC）直流输出UPS近年来随着电信行业用户和互联网公司用户的使用发展较为迅速。

（4）飞轮式UPS和蓄电池式UPS 根据储能装置的不同，UPS可分为飞轮式UPS、蓄电池式UPS等。

在使用蓄电池时代之前，UPS曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，这种UPS被称为飞轮式或旋转式UPS。飞轮式UPS由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机（或汽油机）及发电机等组成。在电网供电的情况下，由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转，并且带发电机为负载供电。由于飞轮的惯性作用，发电机转速可以保持均衡，此时UPS起过滤电网干扰的作用。当电网断电后，飞轮继续带动发电机的转子旋转，同时起动柴油机带动发电机发电，替代原有电网为负载供电。