UPS内部拓扑结构

高可用性电源系统，第 1 部分：UPS 内部拓扑结构

2008 年 1 月

高可用性电源系统，

第 1 部分：

UPS 内部拓扑结构

概要

“高可用性”电源系统要求具备以下四个要素：可靠性、功能性、可维护性和容错性。该白皮书研究 UPS 内部不同的拓扑结构，并说明各结构如何对上述四个要素产生影响。

市电异常给关键负载的供电带来极大挑战

虽然在大多数情况下市电供电是比较稳定和可靠的，但不幸的是，我们根本无法预测电网何时会因为电力风暴、供电设备故障和意外事故等而造成供电中断。

为降低上述风险，传统的方法是采用一台 UPS 和蓄电池组加上备用发电机来保障供电。但对要求 24×7 全天候不间断运行的关键核心负载而言，这一方法仍有许多不足。此类客户的关键负载必需要不间断运行，而且他们不允许在对 UPS 进行维护期间，核心负载只能够直接由不可控制的市电电源来供电，因为市电直接供电即意味着存在断电的故障隐患。

高可用性电源系统

在计算机行业里，用“多少个 9”来代表系统可用性的高低。它是指一年内，系统在线运行及可进行生产的时间比例。系统可用性为 4 个“9”是指可用性达到 99.99%，即每年系统可能存在的宕机时间少于 53 分钟。 5 个“9”（可用性可达到 99.999%），即每年可能存在的宕机时间少于

5.3 分钟。6个“9”（可用性可达到 99.9999%），即每年可能存在的宕机时间少于 32 秒。

在艾默生网络能源公司，我们对上述可用性概念进行了升华，将其运用到供电系统中来，提出了供电系统可用性概念。我们协助客户配置其系统，降低或完全消除由于市电故障或各种干扰造成

的对设备的供电影响。

高可用性的“多个九”供电系统，需要具备以下四个关键要素：

•可靠性。单独的 UPS 模块、静态转换开关和其它配电设备必须高度可靠，可根据现场记

录的 MTBF （平均无故障工作时间）进行衡量。此外，系统组件的设计和组装必须尽量简单并减少单点故障。

功能性。UPS 必须可以保护重要负载免受所有电源干扰的影响，而只有真正的双变换 UPS 才能做到这一点。某些经厂商销售价格较低的单变换（在线互动式）三相 UPS 产品，作为双变换 UPS 的替代产品。然而，这些互动式 UPS 产品并不能保护设备不受所有类型电源故障的干扰，诸如电源系统短路、频率漂移、谐波干扰和共模噪声等等的影响。如果重要设备确实不可或缺，那就必须选择真正的双变换 UPS。艾默生网络能源有限公司所有 3 相 UPS 设备都是双变换式产品。

可维护性。系统设计必须允许所有电源系统组件可以并行维护，当某一台 UPS 设备在进行维护时，可使用系统内的其它 UPS 向负载供电。真正的可维护性是指系统具有冗余的选择性功能（在其它白皮书中进行讨论），但是所有 UPS 系统都应具有内部或外部的维护旁路功能。

容错性。系统必须具有容错能力，可以实现对系统内任何出现故障的组件进行维修时，不会影响重要负载设备的运行。•••

UPS 内部拓扑结构对系统可靠性和功能性起着决定作用，这也是本文的主题。可用性的其它关键要素，尤其是可维护性和容错性，很大程度上取决于 UPS 冗余和配电选择，这将在该系列稍后的白皮书加以讨论。

审核标准

为了对各种 UPS 拓扑结构加以评估，我们将检验几种会影响系统可用性的一个或多个关键要素的衡量方法。

下列两条的影响 UPS 可靠性：

•

•简单性。相同条件下，系统越简单，运行越可靠。电池管理和维护。电池的可靠性是决定 UPS 系统可靠性的关键因素。UPS 拓扑结构应尽

可能减少电池系统的使用频率，减少电池系统的充放电次数。

下列几条影响 UPS 功能性：

•输入电源保护范围。UPS 必须保护重要负载免受所有可能的输入电源干扰的影响。•电气隔离。UPS 必须保护负载免受输入市电总线的谐波电流、共模噪声和设备短路故障等情况的影响，反之亦然。输出隔离变压器是实现 UPS 和负载间电气隔离的最普遍采用的方法。但是对于有些产品，它们将变压器作为选件，不仅增加了用户的额外成本也会占用更多空间。

与发电机的兼容性。对于重要设备，长时间断电的情况下，一般使用发电机进行供电保护。当用电负载瞬间突加时，发电机的频率和电压都可能会在短时间内超出额定范围。对于性能良好的 UPS 而言，遇到发电机输出异常的情况是可以安全运行的，而其它 UPS 则不能。•

下列几条影响 UPS 可维护性：

•对双总线的兼容性。某些 UPS 拓扑结构与双总线电源系统不兼容，而双总线系统已被公

认为是业界“最可靠”的供电系统。双总线电源系统的特点是采用两个或两个以上的独立 UPS 系统分别为两个或两个以上的独立配电系统供电。各种负载设备都可与两套配电系统同时连接。双输入电源的负载可直接从两个系统引电。单电源负载必须使用静态转换开关，以便在某个配电系统发生故障时，可切换至另一个配电系统。但是，若要实现负载转换，两套 UPS 系统的输出电源必须在所有情况下都能实现同步，包括在电池供电运行模式下也必须同步。某些 UPS 拓扑结构除与其内部输入源同步外，与其它设备均

无法同步。

并行维护。系统的可维护性要达到最佳，就必须满足在维修系统内某些 UPS 设备时，另一些 UPS 设备可以继续向所连接的负载正常供电。多机并联冗余系统可实现 UPS 电源模块的并行维护，但仅限于 UPS 模块本身。然而，即便是并联冗余系统，每年至少也需要进行一次断电，以便对输入电源的配电系统进行维护。只有双总线系统可实现 100% 的并行维护，因为当一个 UPS 和配电系统完全掉电时，另一个系统可向重要负载正常供电。

内部和外部维护旁路电路。所有 UPS 都需要断电，以便进行周期性维护和维修。所有三相 UPS 产品都应内置维修旁路电路，以便 UPS 断电时，负载可通过市电（或发电机）供电。 UPS 一般都内置旁路静态开关与其它开关、电流接触器或断路器。这些开关器件必须协调运行，以保证在旁路和 UPS 逆变器输出之间进行可靠的切换。此外，高可用性系统应包含外部“封闭式”维护旁路机柜、面板或配电盘，使 UPS 可以完全断电，进行人工预防性维护操作。••

下列几条影响 UPS 容错性：

•单输入和双输入。单线输入 UPS 易于设计和安装，但其容错性不如分别提供整流器单独

输入和旁路输入的双输入 UPS。单线输入系统的输入断路器或开关可能出现单点故障。同样，通过同一个 ATS 自动转换开关向整流器和旁路输入供电，也会产生一个单点故障点。•

•内部容错性。UPS 内部设计必须足够地坚固耐用，以解决输入故障、负载保障、短暂过载和输入电源干扰。单点故障。UPS 的各种器件最终将不可避免地失效或老化。在任何已知的故障模式下，

UPS 必须能对负载进行保护，如果发生故障，在必要情况下，UPS 必须切换至旁路。

我们将根据上述要素对各种 UPS 拓扑结构进行分类，本文末尾将给出总结报表。

UPS 拓扑结构：离线式 UPS 或后备式电源（SPS）

离线式拓扑结构是最简单的一种 UPS 结构，如图 1 所示。正常运行情况下，交流市电直接流经 UPS 直至重要负载。充电器或“4 象限变流器”将交流电转换为直流电向电池充电。逆变器用于将电池提供的直流电转换成交流电，当市电故障时为负载供电。逆变器通常运行于待机模式，保持对电池充电。如果市电超过规定范围，逆变器通过电池向负载供电。

该拓扑结构被称为“单变换”，因为在任何时候，电源只能转换一次（交流转换为直流或直流转换为交流）。正常运行情况下，少量交流电转换为直流电，保持对电池供电。输入市电电超出规定范围时，UPS 检测到电源故障，切换继电器动作，输出逆变器启动逆变器将电池提供的直流电转换成交流电，向负载供电。

离线式 UPS 价格非常低廉，仅适合于家用或为向只需要实施断电保护应用的单台计算机工作站供电的情形。有时离线式产品内置浪涌抑制和/或“降压和升压”电路，补偿较高或较低的输入电压，但不尝试提供任何有效的输入电源调节。

离线式 UPS 在设计简单性方面得分较高，而在其它测量方面则稍有欠缺。下表详细地列出其各方面得分。

离线式 UPS 产品

标准

简单性

电池可靠性

保护范围

电源调节

电气隔离

发电机兼容性

双总线兼容性

并行维护

内部维护旁路

双输入

内部容错性

单点故障分数[1**********]0说明一定程度上弥补了低端产品的空白UPS 必须比其它产品更频繁地处于电池供电模式出现谐波、噪声或频率漂移时，必须转入电池供电模式高端型号产品可能提供降压和升压电路或 TVSS无电压和频率恢复时，才能返回至正常工作状态仅可与其输入源同步一般不适用于多模块并联冗余配置某些产品提供外部旁路装置无最少

许多。

离线式 UPS 一般应用于单相非重要负载。尤其是不兼容发电机（下节讨论）等不足，使其不适用于三相应用。

UPS 拓扑结构：互动式 UPS

接下来介绍互动式 UPS 拓扑结构，如图 2 所示。该结构与离线式 UPS 产品类似，不同之处是在市电电源和负载之间按照串联的结构加入变压器了或电感器。该电感器使 UPS 逆变器可以与输入电源“交互”，并对连接至负载的输出电源进行调节。也就是说在输入电压较高和较低状况下，“降压和升压”电路能够进行相应的调节。

四象限变换器一般为恒压设备。负载或输入电压变化时，四象限变换器通过调整输出相位角，作出相应的改变。负载频繁的发生变化，将导致电池放电，电池的频繁放电将大大缩短其使用寿命。

互动式 UPS 产品的另一个不足之处在于，如果不采用电池供电，将无法完全使重要负载与输入电源间实现隔离。频率出现微扰和电源质量较差，将直接影响到重要负载。若不实施电气隔离，共模噪声也将直接影响到负载的正常工作。

与离线式 UPS 相同，互动式 UPS 产品价格可能较低，而效率高，原因是，它仅在输入电源异常时向重要负载供电，且仅在电池工作期间运作。与离线式 UPS 相比，互动式 UPS 设备由于其串联电感器以及电源调节功能，在效率方面有所损耗。另外，当 UPS 转换为电池供电时，通常至少会出现一点（但可测）电压跌落。

发电机兼容性

离线式 UPS 和互动式 UPS 产品需要输入电源的频率和相位非常稳定。电源频率必须稳定，是因为逆变器必须跟踪电源频率，以校准电压和电流，这样系统输出频率才能与输入频率相同，除非 UPS 通过电池运行。

比较典型的运行问题是当启动发电机上的其它负载时，发电机的输出频率将发生很大变化，从而导致离线式 UPS 或互动式 UPS 通过电池放电。该问题在天然气发电机组上尤为明显。电池反复充放电，很可能导致电池的过放电，将大大缩短电池寿命。另一个潜在问题是 UPS 负载加载时，发电机输出会不稳定，也就是说 UPS 负载的突加，会导致发电机电压和频率跌落，从而导致 UPS 进入电池放电的运行状态。当发电机输出稳定后，UPS 恢复到正常状态，如果发电机输出电压再次下降时，UPS 将再次进入电池放电状态。

对于双变换 UPS 则不会出现上述问题，在下一节我们将加以阐述。双变换 UPS 调整输入电源，而且可以容许电源频率出现较大变化，同时继续提供稳定的输出频率，而无需使用电池供电。而且，双变换 UPS 主要制造商已经开发出减少输出电流畸变的技术，极大地提高 UPS 与发电机的兼容性，使负载规格选择更为准确。双变换 UPS 容量与发电机的容量配比可以达到 1.25~ 1.5：1，不会发生运行问题。

对于双变换 UPS 则不会出现上述问题，在下一节我们将加以阐述。双变换 UPS 调整输入电源，而且可以容许电源频率出现较大变化，同时继续提供稳定的输出频率，而无需使用电池供电。而且，双变换 UPS 主要制造商已经开发出减少输出电流畸变的技术，极大地提高 UPS 与发电机的兼容性，使负载规格选择更为准确。双变换 UPS 容量与发电机的容量配比可以达到 1.25~ 1.5：1，不会发生运行问题。

互动式 UPS 产品

标准

简单性

电池可靠性

发电机兼容性

双总线兼容性

并行维护

内部维护旁路

双输入

内部容错性

单点故障分数[1**********]1说明取决于特定型号的特点UPS 必须比其它产品更频繁地处于电池供电模式无法消除谐波、噪声或频率偏移等干扰，电池供电时除外会对电池寿命产生负面影响无兼容性仅仅体现在将发电机的频率偏移直接传递至重要负载无，仅可与其输入同步仅限于某些产品具有多模块版本某些产品提供外部旁路装置无很少

许多

UPS 拓扑结构：具有功率因数校正功能的在线性互动式结构

（包括“Delta 变换式”产品）

近年来，有几家公司推出了具有功率因数校正功能的在线互动式三相 UPS 产品。与离线式产品和一般的互动式产品相比，这些产品改善了电源的调控性能，提高了输出的电源质量。但同时也产生了一些不利因素，如有源功率调节会使效率降低。实际上，在带非线性负载（一般为计算机负载）时，其效率一般都低于双变换 UPS 产品。并且这种产品结构的复杂性相对于双变换 UPS 而言往往是有过之而无不及。及为容易误导用户的是，该种类型的在线互动式产品甚至被标榜为“在线式”产品 ? 因为其逆变器始终“运行”，提供电压调节或输入功率因数校正。传统意义上，这些产品应被称为互式动 UPS，即串联变压器和输出逆变器与输入市电进行互动，从而调整输出电压。有些产品具有小型的输入逆变器/充电器（有时又称为“delta”逆变器），用以调整输入电压。小型逆变器一般与直流总线连接，直流总线为输出（主）逆变器提供电能转换的通道，输出逆变器会对输入功率因数进行校正，断电时将电池的能量逆变输出提供负载供电保护。

正常模式下（标准输入电源波形，UPS 负载为线性负载），输入隔离开关、市电输入静态开关和输出隔离开关为闭合，市电直接向负载输出供电。输入逆变器用作充电器，对电池系统进行浮充充电。 在上述理想（非现实）状态下，主逆变器是不工作的。

当 UPS 输入电压出现过异常情况时，delta 变换器产生相应的电压，通过降压/升压变压器与输入电压相叠加（相加或相减），从而调整输出电压，保证其输出的稳定。这种调控原理与当前市面上的某些电子电压调节器类似。

当输入电压超出可调控范围时，主逆变器开始工作，将电池提供的直流电逆变输出，提供满幅输出电源，这时须将市电输入静态开关断开，防止电源向输入侧反灌，其作用与离线式 UPS 类似。

若在线互动式 UPS 使用整流式市电输入静态开关，当输入电源出现故障时，就极容易受到故障的影响，因为它们无法快速关闭，导致逆变器向出现故障的输入电源端反向供电，然后关闭。在线互动式 UPS（或 Delta 变换式）还可提供负载谐波电流和输入功率因数校正。主逆变器产生所需的补偿电流 — 包括谐波电流和基波电流两种。逆变器只要一运行，无论是用于电压校正逆变器/充电器（Delta 变换器），还是对谐波电流和功率因数进行校正的主逆变器，都会发生额外损耗，大大降低设备效率，因此其实际效率是远低于其标榜的效率的。

具有功率因数校正功能的在线互动式 UPS 产品

标准分数说明

电源调节

电气隔离

发电机兼容性

双总线兼容性

并行维护

内部维护 旁路

双输入

内部容错性

单点故障额外功能增加了产品复杂性，控制更为复杂无法消除谐波、噪声或频率偏移等干扰，电池供电时除外可能缩短电池寿命，输入干扰增加会影响输出电压无，不存在可选隔离变压器仅可通过将频率偏移传递至重要负载实现仅可与其输入同步某些产品具有多模块版本基于静态开关无随制造商而异

许多

UPS 拓扑结构：双变换在线式 UPS

真正的在线式或双变换 UPS 产品（如图 4 所示）是极受欢迎的 UPS 拓扑结构。整流器将输入交流电转换为直流电，向 UPS 的内部直流总线供电，输出逆变器将直流变换为交流，输出稳压稳频的交流电，向重要负载供电。正常运行期间，与直流总线连接的电池采用浮充充电。输入电源超出规定范围时，电池向逆变器和重要负载供电。

艾默生网络能源有限公司所有型号的 UPS 都是双变换 UPS 产品，包括： GXT、US11R、UH11、UP11、Itrust 2G、UH31、NX、UL33、Industry、Hipulse。

该配置部分优点如下：

•

•

•重要负载与输入交流电完全隔离。重要负载始终由输出逆变器供电，而输出逆变器始终由内部直流总线供电。当输入电源故障时，输出电压不会出现切换跌落，因为逆变器一直是通过直流输入运行。输入市电的电压和频率可能会变化，但双变换 UPS 不会因此受到影响，因为整流器仅会

向直流总线提供直流电。例如，UL33 系列 UPS 可长时间运行，甚至当电池输入电压比其标称电压低 15% 时，可再次向电池充电。它可在电压比标称电压低 20% 的情况下继续运行，无须释放电池电量。同样，如果输入频率低于或超出规定范围，整流器将继续提供直流电，而输出逆变器则继续输出 50 Hz 电源，而不使用电池供电。

输出逆变器通常配备有可以提供另外一根中性线的隔离变压器。 UPS 从而可以实现电气绝缘，并为负载提供共模噪声保护。艾默生网络能源有限公司 UL33 和 Hipulse 系列的三相 UPS 产品标配有输出隔离变压器。

双变换 UPS 内置双输入接线结构，即分别具有整流器输入和旁路电路输入接线端子。客户可能会为安装的方便而选择单输入型 UPS，但双输入 UPS 产品容错性更高。

艾默生网络能源有限公司三相 UPS 产品的输出逆变器正常运行时，可与任何内部或外部参考源同步（不采用电池供电）。正常运行情况下，艾默生网络能源有限公司三相 UPS 产品将与其自带旁路源同步。采用系统电池组运行时，通常它与内部参考时钟同步。真正的双变换 UPS 可用于双总线电源系统，在所有运行模式下，该系统内的双变换 UPS 与指定的参考源同步：市电、电池或备用发电机运行模式。

输入电源线出现故障，将导致 UPS 进入电池供电模式，此时 UPS 整流器将防止电流由直流总线向前级的输入端反灌。••••

•

这种设计非常完善，应用十分广泛。已经在各种相关领域得到成功应用。艾默生网络能源有限公司所有中型及大型三相 UPS 产品均采用双变换拓扑结构，已经实现了上百万小时的重要总线 MTBF。

分数

标准

简单性

电池可靠性保护范围电源调节电绝缘

发电机兼容性双总线兼容性并行维护

内部维护 旁路双输入

内部容错性单点故障

说明

成熟技术

线性整流直流总线尽量减少电池放电处理所有断电和市电故障逆变器始终进行电源调节

采用输出隔离变压器（部分产品可选）

一般兼容性非常好，取决于输入功率因数特性一般为 100% 兼容适用于双总线系统

静态开关与旁路断路器或开关提供，但并非始必须采用

比线互动式 UPS 产品更能容忍输入和输出端出现的故障几乎不存在，取决于制造商

结论

所有 UPS 拓扑结构都能提供断电保护，在当前的电源保护行业发挥着一定的作用：

••

离线式 UPS 是一个操作简便、费用较低的断电保护解决方案。仅适用于单相工作计算机应用。

互动式 UPS 性能较之离线式有很大提高，但仍然无法完全消除所有市电和油机带来的故障和干扰，可以为小型网络应用提供一定的电源调节。可适用于单相计算机和非重要服务器应用。

具有功率因数校正功能的在线互式 UPS 为小型网络应用提供较好的电源调节。适用于单相工作站和非重要服务器应用。不适用于工厂内的三相应用。

双变换 UPS 性能最佳，提供所有电源故障保护。建议用于所有重要的单相及三相应用，尤其是高可用性和全天候不间断运行应用。

••

所有拓扑结构总结表标准

简单性电池可靠性保护范围电源调节电绝缘

发电机兼容性双总线兼容性并行维护

内部维护 旁路双输入内部容错性单点故障总分

离线式

线性交互式

具有 PF 校正功能的在线互动式

双变换

10

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