Abstract：This paper will introduces the architecture of double conversion UPS system including single system and redundant system. The maintainability and fault tolerance of various system will be analyzed .The trend of the architecture for double conversion UPS system will also be discussed.

Keyword：double conversion UPS parallel redundant isolated redundant hot standby redundant distributed redundant double bus

　　众所周知，UPS 的功能是确保负载供电的不间断，并改善供电电源质量，使市电电源的各种干扰与负载彻底隔离，保证在任何情况下均能供给负载稳定可靠的交流电源。
　　
　　UPS已有近40年的应用历史，最初的UPS 产品主要用于大型计算机系统的供电，随着数字技术的发展，其应用范围逐渐扩大，在电信、金融、能源、交通、医药、教育、商业、工业、军事等各个领域都得到了广泛的应用。现在UPS已成为重要负载必不可少的配套电源系统。目前要求由UPS 供电的负载设备容量范围很宽，对电源的要求也不尽相同，因此，不可能由采用同一种电路技术和系统结构的UPS为各种负载设备供电。在这种情况下，出现了各种各样不同的UPS产品和UPS供电系统，分别用于不同的应用场合。
　　
　　根据IEC62040-3标准规定，UPS有三种基本的系统结构形式， 即冷备用UPS （passive standby UPS）、市电交互UPS （line interactive UPS）和双变换UPS（ double　conversion UPS）。
　　
　　这些UPS系统各有其优缺点，其中双变换UPS是被公认为性能最好、可靠性最高的一种UPS，适用于各种应用场合。因而也是应用最多的一种UPS。在电信系统中应用的大中型UPS几乎全部是双变换UPS。 为了进一步提高UPS系统的可用度，可以采用多个双变换UPS单机系统构成各种类型的冗余UPS系统，以确保在一个单机系统故障或进行维护保养时UPS仍能不间断地为负载供电。
本文介绍双变换UPS的单机系统和各种冗余系统的结构、特点及应用趋势。

1　双变换UPS单机系统结构

1.1 系统组成和工作方式
　　
　　双变换UPS系统如图1所示，由整流器／充电机、逆变器　蓄电池和转换开关组成。其特点是整流器/充电机-逆变器串联连接在交流输入电源和负载之间，无论交流输入电源正常与否，负载始终由逆变器供电。

　　这种UPS有三种工作方式：正常方式、储能方式和旁路方式。

　　（1） 正常方式：
　　
　　交流输入电源经整流器／充电机－逆变器的组合电路，进行了整流（AC/DC）和逆变（DC/AC）两次变换，负载由逆变器供电，由于负载所需的全部功率经过了两次变换，因此这种UPS称为双变换UPS。

　　（2）　储能方式
　　
　　当交流输入电源电压超出预定的容限或故障时，由蓄电池放电供给逆变器直流电，使逆变器继续运行，不间断地供给负载交流电源。

　　当交流输入电源恢复正常时，UPS恢复正常工作方式，如果交流输入电源长时间停电，UPS将继续在储能方式下运行，直到蓄电池的储能用完。为了保护交流输入电源长时间停电，一般应配置备用柴油发电机组。

　　（3） 旁路方式:
　　
　　双变换UPS一般都有静态旁路开关，在下列情况下可以通过静态开关自动地将负载从逆变器暂时转换到旁路电源：

　　（1）UPS内部故障

　　（2）负载电流瞬变（出现浪涌或故障电流）

　　（3）UPS过载

　　（4）蓄电池放电至终止电压
　　
　　为了保证在逆变器和旁路电源之间不间断地进行负载转换，UPS的逆变器必须与旁路电源同步，以便采取先合后断的转换方式，即逆变器和旁路电源有短暂的一段时间并联，然后断开其中一个电
源 。另外还有一个称为维修旁路的电路，在UPS需要维修时通过维修旁路手动以先合后断的方式将负载换到旁路电源。
　　
　　将负载从一个电源转换到另一个电源供电的开关称为负载转换开关。UPS的负载转换开关的种类很多，图1采用的是由机械开关K2、K4和静态开关组成的混合转换开关。在从UPS向旁路电源进行转换时，静态开关首先接通，然后K4接通，K2断开。因此静态开关只是瞬时承受负载。这种转换开关既有转换速度开的优点，又有优良的隔离性能，而且可靠性高。

1.2　 双变换UPS系统的优点：

　　（1） 负载与交流输入电源的干扰完全隔离。交流输入电源的干扰不会影响关键负载。

　　（2） 负载始终由逆变器提供高质量的电源，在交流输入电源正常时，逆变器由整流器供电，交流输入电源故障时，逆变器由与整流器并联浮充的蓄电池供电，在此过程中没有电路的转换，没有任何供电中断或输出电压的瞬时下降。

　　（3） 当交流输入电源的电压在规定的范围内波动时，整流器能正常工作，不需要蓄电池放电；当交流输入电源的频率在负载要求的指标范围以内或以外波动时，只要交流输入电源的电压在规定的范围内，整流器仍能正常工作（整流器能适应很宽的输入电源频率变化），不需要蓄电池放电。需要说明的是，当交流输入电源的频率在负载要求的指标范围以内时，UPS系统输出频率跟踪交流输入电源的频率（内同步）；当交流输入电源的频率在负载要求的指标范围以外时，UPS系统输出频率跟踪内部频率基准（外同步）。无论运行在内同步或外同步，逆变器需要的直流电源都来自整流器，一般只有当交流输入电源电压超出规定的范围或故障时，UPS才转入储能方式，由蓄电池放电供给逆变器。因此，蓄电池放电的几率相对较小（比其他任何UPS的蓄电池放电的几率都小），故可延长蓄电池的寿命。

　　（4） 允许的交流输入电压变化范围较宽（例如+15%～-20%），输出电压稳定度较高（例如，可达到　1%，0.5%）。

　　（5） 输出频率稳定度高（内同步时，±0.005Hz），UPS有可能用做变频器。

　　（6） 逆变器输出一般都有一个隔离变压器，因此有一个隔离的电源中线，可以对负载进行共模噪声保护。

　　（7） 双变换UPS的整流器和旁路输入一般由两个独立的输入端子接入，这大大提高了UPS的故障容限。如果没有单独的旁路电源，整流器和旁路输入可以共用一个电源。

1.3双变换UPS系统的缺点：

　　（1） 因为100%的负载功率需要经过整流和逆变两次电力变换，损耗较大，降低了系统总效率。

　　（2） 由于双变换UPS输入端一般都采用相控整流器，相控整流器产生的输入谐波电流对交流输入电源造成严重干扰。特别在由备用发电机组供电时影响大，需要配置至少2～3倍UPS容量的柴油发电机组。这个问题可以通过在UPS输入端增加滤波器或采用12脉冲整流器加以解决。

1.4　关于双变换UPS的名称

　　IEC62040-3注释：“双变换UPS”（double conversion UPS）过去被称为“在线UPS”（on-line UPS），其本来的含义是无论交流输入电源情况如何，负载始终由逆变器供电，但术语“在线（on-line）” 也表示“在市电上（on the mains）”，即由市电供电，这与实际运行方式恰恰相反。为了防止定义上的混淆，应避免使用“在线”这一术语，而使用“双变换”术语。目前有些厂家采用双变换在线UPS（double conversion on line UPS）的名称，也不符合标准的规定。

2　　并联冗余UPS

2.1　 并联冗余UPS系统组成和工作方式

　　并联冗余UPS系统由两个或多个单机UPS系统组成，各单机UPS系统的输出并联连接到一个公共的配电系统。系统一般按N+1个单机UPS系统配置，其中N个单机UPS系统就足以供给系统全部负载，再增加一个作为备用。当N为1时即为1+1系统，1+1系统比N+1系统的可靠性高但投资较大，一般在最关键的应用中采用。如果资金短缺，可采用N+1系统，但N最好限制到3以下。

　　并联冗余UPS系统有四种工作方式：

　　（1） 正常方式

　　在正常工作时，所有N+1个单机UPS系统都同步运行并均分负载。如果一个单机UPS 系统故障或脱离系统进行维护，其余单机UPS系统可以不间断地给负载供电。

　　（2） 储能方式

　　市电停电时，各个UPS都由蓄电池放电供给逆变器，各个逆变器继续并联运行，不间断地为负载供电。

　　（3）旁路方式

　　当UPS过载时，负载通过集中的静态开关或分散的静态开关被转换到由旁路电源供电。
　　
　　如果UPS需要停机进行维护，通过维修旁路开关将负载转换到由旁路电源供电。


　　并联冗余UPS系统有两种不同的系统结构形式，即直接并联和通过并机柜并联。

2.2　采用并机柜的并联冗余UPS系统

　　有并机柜的并联冗余UPS系统，也称为采用集中的静态开关的并联冗余UPS系统。如图2所示，每一台单机UPS系统中都没有静态开关，但在并机柜中有一个集中的系统级静态开关。当UPS系统过载时，旁路输入电源经系统级静态开关可以为系统所有的负载供电。系统控制柜还有一个手动维修旁路开关，当所有的UPS和静态开关需要进行维护时，用以将负载转换到旁路电源。

2.3　直接并联的并联冗余UPS系统

　　直接并联的并联冗余UPS系统也称为采用分散静态开关的并联冗余UPS系统。如图3所示，每个单机UPS系统中都有静态开关。在正常方式下，两个UPS同步运行均分负载，当其中一个UPS故障时，这个UPS不转旁路而是自动地脱离系统，此时由其余的UPS为负载供电。当所有UPS均故障或UPS系统过载时，各单机UPS系统的静态开关同时将负载转换到由旁路电源供电。直接并联的并联冗余UPS系统有时还需要一个系统级手动旁路开关，当需要进行维护时，用以将负载转换到旁路电源。

2.4　 两种并联冗余UPS系统的比较

　　采用并机柜的并联冗余UPS系统的主电路和控制电路比直接并联的并联冗余系统简单，因此可靠性较高，但灵活性较差，扩容不方便。在负载变化大的应用场合不宜采用有并机柜的并联冗余UPS系统。

　　直接并联的并联冗余UPS系统，扩容方便，可直接将一个单机UPS加到现有系统上。这种系统的缺点是，系统过载时每个单机UPS都经各自的静态旁路开关给负载供电，但各静态开关只能在它们的输入输出电缆的长度和阻抗匹配时才能均分负载。输入输出电路阻抗较小的那个静态开关将会承担全部负载，这可能引起静态开关损坏和系统故障。因此，有必要在各单机UPS旁路输入电路中增加均流电感。

3　热备用冗余UPS

　　热备用冗余UPS的电路与1+1并联冗余UPS的系统结构完全相同（图3）。不同的是：两个UPS中有一个是主用（ UPS1），另一个是备用 （UPS2）。正常时两UPS同步运行（但不并联运行），只有主用UPS为负载供电，备用UPS空载运行。当主用UPS故障时，转换为由备用UPS供电，故障的主用UPS与负载断开。目前有的厂家销售的所谓“并联热备份”UPS ，实际上是热备用冗余UPS。（注：“并联热备份”的名称不准确，因为两个UPS在任何情况下也不并联。）

　　备用冗余UPS系统的控制电路较并联冗余UPS系统简单。但是，当从主用UPS向备用UPS转换时，备用UPS要承受100%额定阶跃负载。因此，对逆变器的动态性能要求较高。

4　隔离冗余UPS

4.1　系统组成和工作方式

　　隔离冗余UPS系统一般是由两个单机UPS 系统按照隔离方式连接。这两个单机UPS，一个是主UPS，另一个是冗余UPS。如图4所示，冗余UPS（ UPS2）的输出直接与主UPS（UPS1）的旁路输入端连接。因为冗余UPS与主UPS串联连接，所以这种UPS也称为串联冗余UPS。
隔离冗余UPS系统有四种工作方式：

　　（1）正常方式
　　
　　正常工作时，主UPS为负载供电，冗余UPS空载运行。主UPS 与冗余UPS的同步运行。

　　（2）储能方式
　　
　　市电故障时，主UPS工作于储能方式继续为负载供电；冗余UPS也工作于储能方式空载运行。如果市电故障时间超过蓄电池的备用时间，主UPS转入旁路工作方式，即由工作于储能方式的冗余UPS继续为负载供电。

　　（3）旁路方式

　　主UPS故障时，主UPS自动转换到旁路工作方式，即由冗余UPS经主UPS的旁路开关为负载供电。在此期间，如果冗余UPS故障，冗余UPS也将自动转换到旁路方式，即负载由旁路电源经冗余UPS和主UPS的旁路开关供电。

　　如果主UPS需要停机进行维护，其维修旁路开关可以将主UPS完全隔离。负载经维修旁路开关由冗余UPS供电。

4.2　由一个冗余UPS和多个主UPS组成的隔离冗余UPS

　　隔离冗余UPS可以构成由一个冗余UPS为多个独立的主UPS提供备用电源的系统（图5）。每个主UPS的配电系统都是独立的。因为多个主UPS同时故障的几率比较小，所配置的冗余UPS一般只能支持一个主UPS，故当有一个主UPS转换到旁路工作时，应断开其他主UPS的旁路与冗余UPS 的连接，即转换到外部的旁路电源上（市电）。

　　任何一个主UPS需要进行维护时，其负载都可由冗余UPS供电，此时负载仍可以与市电电源的各种干扰隔离。冗余UPS需要维护时，可将主UPS的旁路输入转换到外部的旁路电源（市电）。

4.3　隔离冗余UPS与并联冗余UPS的比较

　　隔离冗余UPS与并联冗余UPS是两个最常用的冗余UPS，两者之间有一定的差别，但各有其优缺点。究竟哪一种更优越些，国内外上尚有不同的意见。目前，在我国电信系统中，并联冗余UPS使用较多。

　　隔离冗余UPS的优缺点：

　　（1）不需要复杂的逆变器并联技术，即使不同容量的UPS、不同生产厂家的UPS也可以构成隔离冗余UPS。主UPS与冗余UPS可以安装在不同的机房。因为不需要系统级转换柜，占用机房面积较小。

　　（2）因为负载总是由一台UPS 供电，其负荷率较高，工作效率较高。

　　（3）当主UPS从正常方式向旁路方式转换时，冗余UPS要承受100%负载阶跃变化。因此要求冗余UPS具有较高的动态性能。

　　（4）系统可靠性完全取决于主UPS向旁路转换和冗余UPS接受转换的成功与否。但转换开关是UPS的薄弱环节，转换过程往往会出故障，而且，如果转换的原因是负载故障，则冗余UPS还要向旁路转换。即需要进行两次向旁路方式的转换。

　　并联冗余UPS优缺点：

　　（1）要求稳定可靠的逆变器并联技术。但当一个UPS故障时，不需要进行电源转换，只需使故障UPS与系统脱离。目前，UPS并联和故障UPS的隔离技术已相当成熟。

　　（2）正常时，各UPS均分负载，在两台并联的系统中，故障UPS与系统脱离时，正常UPS只承受50%的负载阶跃变化，故对UPS逆变器的动态性能要求不太严格。

　　（3）任何一台UPS都可与系统完全脱离进行维护。

　　（4）如果负载故障，仅需进行一次向旁路方式转换，即可排除故障。

5　 分布冗余UPS　

　　上面介绍的各种冗余UPS系统与单机UPS系统相比已经相当可靠了，但是电源系统的冗余只是集中在UPS 设备，对于每个负载设备，其输入电源仍然没有冗余。在实际运行中，UPS输出端至负载之间的配电电路（包括开关和线路）的故障往往多于UPS本身的故障。因此，最重要的不是保证UPS输出端的电源可靠，而是保证负载输入端的电源可靠。基于这种考虑，提出了分布冗余UPS。
分布冗余UPS的目的是将电源系统的冗余扩展到每一个负载设备，而且应使电源系统的冗余尽可能接近负载设备的输入端。

　　如图6所示，分布冗余UPS系统中有两个独立的UPS系统，每个独立的UPS系统都能为全部重要负载供电，构成双母线供电系统。通过适当的配电电路，可以为单电源输入和双电源输入的各种负载设备供电。
　
　　假设负载需要300kva的UPS系统，构成冗余供电系统的常规方法是：将两个300kva的UPS连接成并联冗余或隔离冗余系统或备用冗余UPS系统。如采用分布冗余，可将同样的两个300kva的UPS用做两个独立的UPS。正常时，300kva的负载的一半接在其中一台UPS输出上（负载母线 1），另一半负载接在另一个UPS输出上（负载母线 2）。采用适当的配电电路，就可以在所有的负载设备输入端上（不是在UPS输出端上）得到了冗余电源系统。即电源系统的冗余已分散到各个负载设备，因此称为“分布冗余”。

　　对于双电源输入的重要负载设备，只要任何一个输入电源正常，负载设备就可以正常工作。当两个UPS给双电源输入的负载设备供电时，只需将两个UPS电源直接接到双电源输入的负载设备的输入端，当其中一个UPS 出现故障时也不必进行电源转换。因此两个UPS是完全独立的，其输出不必同步。这种配电电路最简单。

　　对于单电源输入的重要负载设备，其输入电源是不允许停电的。当两个UPS给单电源输入的负载设备供电时，应采用静态转换开关（STS），正常时由其中一个UPS为负载供电，当供电的UPS 故障时或需要维护时，静态转换开关将负载转换到由另一UPS供电。为了缩短两个UPS之间的转换时间，减少单电源输入的负载设备供电中断时间，有效地保护负载和电源设备，必须在两个UPS系统同步的情况下进行电源转换。

　　目前，双电源输入的负载设备正在不断增加，但是大部分负载设备还是单电源输入的。因此，分布冗余UPS的配电系统必须考虑两个UPS 的同步和相互之间转换的问题。两个独立的UPS系统 必须在全部时间内保持同步。

　　分布冗余UPS也可以扩容，对于较大应用系统，每个独立的UPS系统可以采用并联无冗余UPS（仅扩大容量）或并联冗余UPS（参见图6）。

6.　结论

　　本文介绍的几种双变换UPS系统各有其优缺点。其中单机系统既没有容量的冗余和内部模块的冗余，也没有配电系统冗余。因此，单机系统在可维性和故障容限方面存在着一定的局限性。

　　并联冗余、隔离冗余和热备用冗余UPS系统具有UPS模块的冗余，在一定程度上提高可维护性和故障容限；改善了系统可用度。一般说来，这些冗余UPS系统均适用于较重要的应用系统，可以满足各种关键负载的要求。这三种冗余UPS系统目前在电信系统中均有应用，并联冗余系统应用最多。

　　分布冗余UPS系统具有UPS模块、UPS系统和UPS配电的冗余；因此具有UPS模块、UPS系统和UPS配电同时维护和故障容限的性能，可达到连续的（100%）可用度，是一种较新的UPS系统。分布冗余UPS系统提供了双母线供电系统，用于双电源输入的负载最简单、方便；但对于单电源输入的负载，需要配置适当的负载转换设备和配电电路，实施比较困难。然而，随着通信和数据等重要负载设备对UPS的系统容量和可用度要求的不断提高，分布冗余UPS系统的应用将逐渐增多，越来越多。