UPS不僅是不間斷供電裝置，還具有電力凈化的作用。本文將重點(diǎn)討論UPS的選擇和配置、蓄電池組容量的選擇和配置以及UPS電源的安裝與維護(hù)。UPS即不間斷電源，隨著各種電子設(shè)備的普及，UPS電源得到了越來越廣泛地應(yīng)用。
UPS選型和配置
1了解UPS電源的性能指標(biāo)：
①輸入電壓：220V或380V(三相四線制)，-15%～+10%。
②輸出電流：根據(jù)這個(gè)值選擇導(dǎo)線截面和輸入保險(xiǎn)。
③輸出電壓：一是輸出電壓穩(wěn)定度，一般為±5%。有些為±3%左右。另一個(gè)是穩(wěn)壓精度：穩(wěn)態(tài)≤±1%、瞬態(tài)≤±5%。
④瞬態(tài)電壓恢復(fù)時(shí)間：≤±50ms。
⑤輸出容量：即視在功率S，S=UI
⑥后備時(shí)間：指輸入中斷后，UPS能繼續(xù)工作的時(shí)間，是UPS的關(guān)鍵指標(biāo)。
⑦功率因數(shù)：0.8(滯后)
⑧效率：≥90%(滿載時(shí))
⑨過載功能：10min(125%額定電流);10S(150%額定電流)。
⑩限流：100%～110%額定電流可調(diào)。
2UPS選擇：
UPS型號(hào)
①在線正弦波UPS電源。無論市電正常與否，它對(duì)負(fù)載供電都是由UPS電源逆變器提供的。只要機(jī)內(nèi)蓄電池能向UPS電源逆變器提供能量，當(dāng)市電中斷時(shí)，在線式UPS電源就能實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的真正不間斷供電，其正弦波波形失真系數(shù)最小，對(duì)負(fù)載供電轉(zhuǎn)換時(shí)間為零，可靠性高，故障率低但價(jià)格較高。
②后備式正弦波UPS電源。采用了抗干擾式分級(jí)調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)。僅僅在由蓄電池供電時(shí)才有可能向負(fù)載提供高質(zhì)量的正弦波，在從市電供電向逆變器供電進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)負(fù)載而言，大約有4ms左右的中斷供電(主要來源于繼電器的轉(zhuǎn)換時(shí)間)。后備式正弦波UPS電源處于市電供電時(shí)，由于市電是直接通過抗干擾濾波器對(duì)負(fù)載供電的，因此噪音較小，但是UPS電源處于逆變器工作時(shí)，由于PWM脈寬調(diào)制頻率一般為8KHZ左右，因此噪音較大。
③后備方波輸出UPS電源。向負(fù)載提供的交流電是方波而不是正弦波。此類UPS電源只能接微容性或純組性設(shè)備，負(fù)載越重，方波脈沖寬度越寬，而方波脈沖的峰值越小。此類UPS電源的轉(zhuǎn)化時(shí)間不一定。其變化范圍為4～9ms且用戶不能控制。此類UPS不能進(jìn)行頻率的關(guān)閉和啟動(dòng)，但造價(jià)較低。
負(fù)載容量、負(fù)載功率因數(shù)和UPS的波峰因數(shù)
選購UPS時(shí)，首先要知道負(fù)載的總?cè)萘?，同時(shí)還要考慮負(fù)載的功率因數(shù)才能確定UPS的標(biāo)準(zhǔn)功率容量。由于負(fù)載功率因數(shù)很難計(jì)算，所以UPS技術(shù)規(guī)范中給出了波峰因數(shù)這個(gè)指標(biāo)，波峰因數(shù)越高，UPS承受非線性的能力越強(qiáng)。一般波峰因數(shù)比應(yīng)大于3：1。
電池后備時(shí)間一般情況下，選擇后備時(shí)間時(shí)，通常選取滿載工作時(shí)間為10min、15min或30min即可。由于蓄電池價(jià)格較貴、長延時(shí)UPS一般僅在停電時(shí)間較長的場合選用。此時(shí)最好選擇有外接大容量的蓄電池功能的UPS，以確保市電停電后能長時(shí)間供電。
UPS中性線截面由于UPS負(fù)載多為非線性負(fù)載，因而流過中線的電流不為零。即使在三相負(fù)載完全平衡時(shí)中線電流也可達(dá)三相電流的1.8倍。負(fù)載功率因數(shù)越小，倍數(shù)越大。因此在UPS電源中，其中線截面不得小于相線截面。否則易造成中線發(fā)熱，甚至燒掉電纜引起火災(zāi)，造成嚴(yán)重后果。
蓄電池的選擇和配置
蓄電池基本技術(shù)指標(biāo)：
①閥控式密封鉛酸蓄電池：每臺(tái)UPS各接一組。
②浮充電壓允差：1%。
③浮充電壓：2.23～2.27V/單體。
④均充電壓：2.3～2.4V/單體。
⑤放電終了電壓：1.67～1.70V/單體。
⑥溫度對(duì)蓄電池壽命的影響：在25℃時(shí)浮充運(yùn)行情況下，理論壽命不低于10年。
UPS蓄電池容量的計(jì)算
1蓄電池最大放電電流I
I=S×COSφ/η×Ei
式中：S為UPS電源的標(biāo)稱輸出功率;
COSφ為負(fù)載功率因數(shù)，一般取0.8;
η為逆變器的效率一般取0.8;
Ei為蓄電池放電終了電壓。
電池后備時(shí)間t電池后備時(shí)間t根據(jù)用戶的需要而定，中小型UPS多采用閥控鉛蓄電池。價(jià)格較貴，一般選取滿載工作時(shí)間為10min、15min或30min。
蓄電池容量C算出最大放電電流后，再根據(jù)負(fù)載性質(zhì)及用戶所需UPS的后備時(shí)間，算得蓄電池標(biāo)配容量：(C=It)。
UPS安裝
UPS的安裝位置要求
1為延長電池壽命，蓄電池應(yīng)安裝在環(huán)境溫度為15℃～25℃范圍內(nèi)，室內(nèi)溫度也不能太大。
2UPS的左右兩側(cè)要留有50mm空間，后面要留有100mm，前面留有足夠的操作空間。
3外置電池柜應(yīng)與UPS放在一起。
UPS與市電、負(fù)載的連接
UPS與市電及負(fù)載的連接都很簡單，但連接前應(yīng)檢查：
①UPS輸入?yún)?shù)與市電的電壓、頻率是否一致。
②接入U(xiǎn)PS的火線和零線是否與廠家規(guī)定一致。
③檢查負(fù)載功率是否小于UPS輸出功率。
④UPS與電池連接時(shí)一定分清正負(fù)極。
電纜截面的選擇選擇導(dǎo)線截面時(shí)應(yīng)考慮：
1符合電纜使用安全標(biāo)準(zhǔn)。
2符合電纜溫升要求。
3滿足電壓降要求。
①交流輸入電流I相。因?yàn)镻=3×U相×I相×COSφ(單相輸出者則為：P=UICOSφ)。所以I相=P/(3×U相×COSφ)=S/(3×U相)。
②直流輸出電流I=P/U(U應(yīng)取最小值)。求出交流輸入I相和直流輸出電流I后，再查表確定導(dǎo)線截面積。
UPS維護(hù)
筆者根據(jù)多年來的工作經(jīng)驗(yàn)，建議從以下幾個(gè)方面做好UPS電源系統(tǒng)的維護(hù)：
1掌握UPS的基本知識(shí)，認(rèn)真閱讀設(shè)備說明書，弄清各種警示信息，警示代碼，指示燈的含義，以及產(chǎn)生的原因和應(yīng)對(duì)方法。熟悉設(shè)備上各種開關(guān)，按鈕的作用。熟悉掌握UPS的各種操作，清楚連接關(guān)系，明白代通之法。
2加強(qiáng)日常的巡視、維護(hù)，查看設(shè)備有無告警，有無異味，有無異常響聲，檢查接頭有無松動(dòng)發(fā)熱現(xiàn)象，散熱扇運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，設(shè)備各種指示是否正常，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。
3制定定期維護(hù)計(jì)劃：每月定期測量設(shè)備輸出電壓、電流、功率以及蓄電池內(nèi)阻和端電壓。每季或半年對(duì)蓄電池做一次核對(duì)性放電試驗(yàn)，一般應(yīng)放出額定容量的30%～40%。每年清潔一次UPS內(nèi)部衛(wèi)生，檢查各接頭是否接觸良好。
4蓄電池放電：在蓄電池放電操作中，如采用蓄電池脫機(jī)使用假負(fù)載放電，不僅拆卸繁瑣，且不安全，事后還需拆卸安裝再充電。為保證電池放電試驗(yàn)的安全有效，既能發(fā)現(xiàn)問題(落后電池、反極電池等)，又能保證供電安全可靠(不造成過放電、短路、供電中斷等)。這里推薦一種直接利用負(fù)載對(duì)電池放電的方法：即關(guān)斷UPS交流輸入開關(guān)，讓蓄電池放電。由于UPS電源多用于重要的網(wǎng)絡(luò)通信等系統(tǒng)中，負(fù)載變化幅度不大，所以用負(fù)載直接放電，其放電電流也基本不變，這樣就可根據(jù)蓄電池的電壓情況和放電情況確定放電終止電壓，算出放電時(shí)間，以后每季度的放電都與此次記錄相比較，并從中發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)排除。
1、 現(xiàn)有 UPS 設(shè)計(jì)方案
數(shù)據(jù)設(shè)備初建時(shí)，以使用交流電源為主，所以大多配置UPS 設(shè)備為其供電。
在配置UPS 設(shè)備時(shí)，由于要考慮用電設(shè)備擴(kuò)容的需要，加之早期UPS 設(shè)備無法擴(kuò)容，只能按數(shù)據(jù)設(shè)備遠(yuǎn)期負(fù)荷考慮配置。這樣就造成初期建設(shè)偏高，系統(tǒng)建成投產(chǎn)后，設(shè)備利用率又偏低。
下面以某樞紐樓BOSS 系統(tǒng)為例，2006 年，該樞紐樓新建BOSS 系統(tǒng)，設(shè)備負(fù)荷情況詳見下表1、表2.
表1 本期新增設(shè)備負(fù)荷情況
表2 遠(yuǎn)期設(shè)備負(fù)荷情況
根據(jù)以上設(shè)備負(fù)荷情況，還有UPS 廠商提供的UPS 輸出功率因數(shù)為0.8（功率因數(shù)為有功功率與視在功率之比，以COSΦ 表示。在交流電路里，電壓乘電流是視在功率，而能起到做功的一部分功率即有功功率則小于視在功率）。同時(shí)考慮負(fù)載的功率因數(shù)（按0.8 考慮），當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)與UPS 的輸出功率因數(shù)不一致時(shí)，應(yīng)注意保證UPS 的容量能提供給負(fù)載足夠的有用功率和無用功率，并以此為原則計(jì)算UPS 的容量。
根據(jù)計(jì)算，需配置250kVA UPS，當(dāng)時(shí)考慮支撐系統(tǒng)的重要性，采用了雙母線配置方式，即配置了2 套250 kVA UPS 設(shè)備，每套按1+1 并機(jī)系統(tǒng)考慮。由于UPS 設(shè)備本身諧波分量難以控制到要求的數(shù)值，必須配置濾波設(shè)備來降低諧波分量。UPS 設(shè)備配置及供電系統(tǒng)見下表3 及圖1。
表3 設(shè)備配置表
圖1 傳統(tǒng)UPS（1+1）雙母線系統(tǒng)圖
2、 模塊化 UPS 設(shè)計(jì)方案
由于傳統(tǒng)UPS 設(shè)計(jì)的局限性及設(shè)備本身的一些問題，如今一種機(jī)架式的模塊化UPS 正在悄悄地引起一種革命性的變革，它的引入必將引起不間斷電源新的革命。模塊化UPS 目前比較有代表性的結(jié)構(gòu)有兩類：一類是功率模塊化UPS，另一類是完全模塊化UPS.功率模塊化UPS 由機(jī)架加功率模塊構(gòu)成，功率模塊中包括傳統(tǒng)UPS 的整流、濾波、充電、逆變器等部分，但靜態(tài)旁通與系統(tǒng)的部分監(jiān)控和顯示共用一個(gè)機(jī)架，各模塊獨(dú)立控制并聯(lián)運(yùn)行，機(jī)架上的顯示控制模塊僅作為用戶開關(guān)UPS 主機(jī)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控平臺(tái)。完全模塊化UPS 由機(jī)架加單體模塊構(gòu)成，每個(gè)單體模塊內(nèi)部都裝有整個(gè)UPS 電源與控制電路，包括整流器、逆變器、靜態(tài)旁路開關(guān)及附屬的控制電路、CPU 主控板，每個(gè)UPS 模塊均有獨(dú)立的管理顯示屏。
我們同樣以前面的案例為依據(jù)，假設(shè)采用完全模塊化UPS 設(shè)備，配置方案如下：
根據(jù)近期的負(fù)荷，結(jié)合遠(yuǎn)期發(fā)展需求，UPS 系統(tǒng)同樣按雙母線配置方式考慮，可配置2 套UPS 設(shè)備，每架只需配置2 個(gè)UPS 模塊（每塊50kVA）即可滿足本期需求，采用1+1 冗余方式配置，主用1 個(gè)模塊，冗余1 個(gè)模塊，若其中的一個(gè)模塊發(fā)生故障，它將自動(dòng)脫離系統(tǒng)，由其它模塊繼續(xù)給負(fù)載供電，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；2 套模塊化UPS 系統(tǒng)采用雙母線供電工作方式，主設(shè)備交流配電屏分別從2 套UPS 輸出屏各引接1 路，當(dāng)1 套UPS 故障時(shí)，由另1 套UPS 承擔(dān)全部負(fù)載供電，保證設(shè)備安全運(yùn)行。
采用模塊化UPS 設(shè)備后，無需配置濾波設(shè)備就可滿足諧波含量≤5%的要求，UPS 設(shè)備配置及供電系統(tǒng)見下表4 及圖2.
表4 設(shè)備配置表
圖2 模塊化UPS（1+1 模塊冗余）雙母線系統(tǒng)圖
3、兩種 UPS 設(shè)備的比較
對(duì)以上兩種設(shè)計(jì)方案所配置的UPS 設(shè)備，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行比較。
（1） 設(shè)備安裝及機(jī)房占地面積。
其一，模塊化UPS 采用先進(jìn)高頻技術(shù)，提高了功率密度，縮小了UPS 模塊的體積，其模塊本身就是一臺(tái)UPS，UPS 模塊安裝于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架中，相對(duì)于傳統(tǒng)UPS節(jié)省了占地面積與空間，便于安裝與維護(hù)。
其二，模塊化UPS 采用先進(jìn)的整流技術(shù)具有強(qiáng)抗干擾能力及較低的諧波失真度，一般正弦波輸入電流的總諧波失真度（THD）<5%，因而可以不必像傳統(tǒng)UPS配置濾波設(shè)備，減少了機(jī)柜數(shù)量。
我們同樣以前面的案例為依據(jù)，采用傳統(tǒng)UPS 設(shè)備占地面積約為13 平方米。
采用模塊化UPS 占地面積約為5 平方米。
（2）建設(shè)。
在供電系統(tǒng)建設(shè)初期，傳統(tǒng)UPS 設(shè)備無法擴(kuò)容，只能按照設(shè)備遠(yuǎn)期負(fù)荷需求考慮，面對(duì)層出不窮新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用，設(shè)備用電需求難以準(zhǔn)確估計(jì)，使得UPS 設(shè)備容量產(chǎn)生過高的估計(jì)，造成采購成本過高。而模塊化UPS 通過可擴(kuò)充的模塊結(jié)構(gòu)有效解決了這一問題，其模塊化結(jié)構(gòu)能夠很方便地安裝和擴(kuò)容，它可以幫助用戶在未來發(fā)展不明確的情況下分階段進(jìn)行建設(shè)和。即滿足了后期業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，又降低了用戶的初期建設(shè)成本。
我們同樣以前面的案例為依據(jù)，裝機(jī)容量按年增長20%考慮，比較如下表。
表5 比較表
以上不包括電池配置的考慮，若考慮電池配置，模塊化UPS 的優(yōu)勢將更加明顯。
（3）并聯(lián)冗余與可靠性。
在機(jī)架式模塊化UPS 中，功率模塊部分是并聯(lián)冗余的，即功率部分是由許多模塊并聯(lián)在一起并均分負(fù)載，它們不分主從，互不依賴，并且均分負(fù)載。即使有一個(gè)功率模塊發(fā)生故障退出，也不影響整個(gè)系統(tǒng)工作。采用傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)，為保證安全需采用“1+1”或“N+1”的關(guān)聯(lián)冗余方式，這不僅增加了采購、安裝及維護(hù)成本，而且一般情況下只能容錯(cuò)一次。而機(jī)架式模塊化UPS 系統(tǒng)，用戶只需購買相應(yīng)的功率模塊，即可實(shí)現(xiàn)“N+X”的故障冗余，容錯(cuò)率大大提高。
傳統(tǒng)UPS 供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，由于系統(tǒng)過于復(fù)雜，難以準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)，并且受限于維修人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)、備件儲(chǔ)備等客觀原因，造成故障排除時(shí)間過長。而且UPS 維修時(shí)均采取轉(zhuǎn)旁路的方式，在這種情況下負(fù)載完全不受UPS 保護(hù)，此時(shí)如果發(fā)生電源中斷、過載等故障，將會(huì)造成嚴(yán)重的問題。而機(jī)架式模塊化UPS 可以有效解決這些問題，因?yàn)槠渌械哪K都是熱插撥，熱插撥技術(shù)可以允許單體功率模塊在不需停電的前提下任意進(jìn)入或退出UPS 系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)無需專業(yè)技術(shù)人員到場，無需專門的儀器即可進(jìn)行系統(tǒng)在線維修。
（4）節(jié)能與環(huán)保。
綠色環(huán)保已經(jīng)成為社會(huì)各行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的必要趨勢。隨著各種政策的出臺(tái)，要求無污染的綠色電源設(shè)備已成為必然發(fā)展趨勢，以前各種用電設(shè)備及電源裝置產(chǎn)生的諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng)，模塊化UPS 采用電子式調(diào)整技術(shù)使輸入諧波失真低于5%，整流器使用IGBT 技術(shù)，可將輸入功率因數(shù)提高到0.99 接近于1，從而大大降低對(duì)電網(wǎng)的污染程度。
節(jié)能減排在當(dāng)今已成為基本國策，節(jié)約能源已成為企業(yè)發(fā)展和競爭的需要。
節(jié)電也是節(jié)能的一種體現(xiàn)，模塊化UPS 相比傳統(tǒng)UPS 設(shè)備在節(jié)電方面顯得更為突出。
我們可通過年節(jié)電費(fèi)用做一比較，下面我們根據(jù)設(shè)計(jì)滿載情況來比較，同樣以上面的案例為依據(jù)，傳統(tǒng)UPS 和模塊化UPS 的輸出功率都為250kVA 即200kW，傳統(tǒng)UPS 的輸入功率因數(shù)為0.9，效率為80%.模塊化UPS 的輸入功率因數(shù)為0.99，效率為95%.通過計(jì)算，可得出UPS 的輸入功率（輸出功率/效率）。傳統(tǒng)UPS 輸入功率=200/80%=250 kW，模塊化UPS 輸入功率=200/95%=210 kW.這樣就可計(jì)算出UPS 的熱損耗（輸入功率-輸出功率）：傳統(tǒng)UPS 熱損耗=250-200=50 kW，模塊化UPS 熱損耗=210-200=10 kW.
假設(shè)每度電按0.8 元計(jì)算，模塊化UPS 相對(duì)傳統(tǒng)UPS 每年可節(jié)電：
40*8760*0.8=28 萬元。
以上是按滿載情況比較得出每年節(jié)電28 萬元，如果以初建時(shí)負(fù)載率特別低的實(shí)際情況比較，節(jié)電效果將會(huì)更加明顯。
4、結(jié)論
模塊化UPS 相對(duì)于傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)而言，具有高可用性、高適應(yīng)性、高可管理性的特點(diǎn)，在便于設(shè)備安裝、節(jié)省占地空間、減少初期建設(shè)、方便維修、節(jié)能減排等各個(gè)方面都有明顯的優(yōu)勢。因此，模塊化UPS 設(shè)備將成為新一代的UPS，將會(huì)被越來越多的企業(yè)用戶所選擇。
