陈永强
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摘要：不间断电源应用于多个领域，是一种重要的蓄能装置。该电源有着较高的故障发生率，主要是电阻器、电容器、
关键词：继电器模块等失效引起的。
关键词：UPS；供电；故障
引言
随着科学技术的飞速发展，工业生产设备、检测仪器、计算机等精密设备对电源的稳定性要求越来越高。一旦设备电源出现不稳定现象，易损坏高精密设备，给企业造成极大的经济损失。因此，不间断电源（UPS）对于工业生产具有重要作用。由于UPS本身具有的供电稳定性，它已经广泛应用于工业生产的各个领域。
1市电/不间断电源混合供电系统电能质量问题
不间断电源工作原理为了保证在断电时能够正常工作，不间断电源拥有一套独立的蓄电池。正常情况下，不间断电源使用外部电源，同时外部电源给蓄电池充电。当外部电源断开时，蓄电池给不间断电源供电。根据上述工作原理，不间断电源供电模式主要包括以下三种。（1）主电源供电模式此模式是不间断电源的正常工作状态。此时，电压为175～264V的交流电（也即市电）给UPS设备提供电源，同时为设备中的蓄电池充电。（2）蓄电池供电模式当市电突然中断供电时，设备中的蓄电池会立即输出电力，为不间断电源负载端供电。由于蓄电池的电量有限，如果主电源中断时间较长，设备中的元器件具有优先级供电设置。即如果蓄电池为UPS所有设备提供0.5h左右后主电源还处于中断状态，则设备将会优先给通信元件进行供电，而断开其他元器件的供电。在某数据中心采用了市电/不间断电源混供系统的方案为ICT设备供电，方案分为以下两种。方案1：市电+高频UPSICT设备采用双路供电模式，A路输入电源为220V交流市电，B路输入电源为交流高频UPS。方案2：市电+336V高压直流电源，ICT设备采用双路供电模式，A路输入电源为220V交流市电，B路输入电源为336V高压直流电源。两种供电方案在正常工作情况下每路承担50%负载，当市电断掉后，UPS电源系统和336V高压直流电源系统将承担100%负载。
2电能质量扰动功率
众所周知，电能质量现象由电能质量扰动引起（类似一种噪扰），有扰动也就有提供扰动的能量源。扰动能量一般由系统电源提供，例如非线性负载吸收系统能量并将其部分能量转化为引起电能质量扰动的扰动能量又注入系统；随着非线性电源例如光伏发电的出现，这些非线性电源也会提供扰动能量。在面对电能质量约束问题时，为了便于分析确定各类电能质量扰动的影响权重，本文首先提出并定义扰动功率的概念，再依此确定各类电能质量指标影响的权重。电能质量扰动功率可定义为：系统基波额定电压作用下施加由非线性负载/电源特征确定的扰动电流形成的三相等效功率。
3336V高压直流电源
336V高压直流电源采用基于PWM控制的PFC整流电路，该电路通过控制系统，使输入电流跟踪输入电压同相位的正弦信号，减小了谐波电流含量。同时采用了Boost升压电路实现了PFC（PowerFactorCorrection，功率因数校正）功能，使输入功率因数大大提高。与高频UPS类似，336V高压直流电源在输入端同样包含滤波电路，滤波电容的存在使得该输入端呈容性，且容性特征不随负载率的改变而改变。
4ICT设备PSU（供电单元）
在市电/不间断电源混供系统中，ICT设备PSU分为两种：220V交流电源模块和336V直流电源模块。都包含了PFC电路，该电路能对满载时输入功率因数及消谐特性进行优化。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但是由于PFC滤波电容引起的容性无功绝对含量是基本不变的，因此当负载率较低时，有功功率较低，功率因数也随之降低。当负载率为10%时，功率因数只能达到0.5左右，而当满载时，功率因数为0.95以上，但始终呈容性。目前大部分ICT设备电源系统按照TPS、或MPS（MidrangePowerSupplySpecification，中容量供电电源规范）要求都具备PFC功能，但是当市电/不间断电源混供系统应用于改造工程时，不可避免要给早期还在运行的ICT设备供电（如PC机、网管、服务器、交换机等），而早期的ICT设备大都不带PFC电路，虽然输入无功功率绝对量不大，但是电路中会含有大量的谐波电流，使功率因数大大降低，综合电能质量较差。综合以上数据及理论分析，高频UPS和336V高压直流电源设备由于其电路原理及控制系统的特点，输入端含有极少的谐波电流，且功率因数较高，虽然高频UPS（空载或低载）及336V高压直流电源输入端无功功率呈容性，但是容量较小，因此对整个供电系统的影响基本上可以忽略不计。对于ICT设备，当PSU单元带PFC功能时，输入端产生一定容量的容性无功功率，在空载或低载时，功率因数较低；当不带PFC功能时，输入端会产生大量的谐波电流，也会导致功率因数大大降低。当数据中心大规模采用市电/不间断电源混合供电系统为ICT设备供电时，在市电直供回路，可能会产生大量的容性无功或者谐波电流。当市电正常供电时，大量谐波电流注入电网，会造成变压器、断路器及电缆等设备温度升高，加快设备绝缘老化，缩短使用寿命。谐波还会引起并联或串联谐振，造成电容器等设备烧毁，以及谐波干扰导致二次控制误动作等。同时考虑容性无功功率的影响，使得系统功率因数减小，导致电力罚款。当市电故障时，柴油发电机组将直接为ICT设备供电，大量的容性无功会直接导致发电机组电压调节器关闭，机组输出电压失去控制不断上升，结果引起控制电路检测到输出电压过高而立刻关机。油机宕机将会给数据中心造成不可挽回的巨大损失。
5系统电能质量优化方案
5.1采用SVG+APF混合滤波补偿方案
对于无功功率和谐波，大多数数据中心采用在变压器二次侧母线上并联电容+电抗的方式，该方案只能补偿感性无功和消除部分次的谐波。对于市电/不间断电源混合供电系统而言起不到完全补偿和滤波的作用。因此针对该混供系统可采用SVG+APF混合滤波补偿方案。其中SVG（StaticVarGenerator，静止无功发生器）是一种既能补偿感性也能补偿容性的双向无功补偿装置，而APF（Activepowerfilter，有源电力滤波器）是一种能根据负载所产生的谐波电流主动向电网注入补偿谐波电流的消除谐波的装置。
5.2严格ICT设备的选型标准
ICT设备PSU单元的容性无功功率是由PFC电路中滤波电容引起的，因此PSU容量及电容器的大小直接决定了容性无功的绝对值大校除此之外，不同品牌不同类型ICT设备容性无功功率大小差别也很大。因此为了减少系统的容性无功功率，提高功率因数，在数据中心选择ICT设备PSU单元时，要根据容量严格控制滤波电容的大小，一般建议选用不大于5μF/kW电容的PSU电源。
结语
由于不间断电源对电源的稳定性具有重要作用，因此发生时需要快速维修，以减少因故障而产生的损失。技术人员可以通过采用观察法和分级压缩测试法快速找到故障原因，从而有针对性地开展维修工作。
参考文献
[1]杨晓宏，胡生记.风电场UPS电源故障分析及处理[J].电子制作，2013，（2）：51.
[2]王平.UPS电源供电系统故障原因分析及解决措施[J].中国新技术新产品，2013，（6）：96-97.
论文作者:陈永强
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：市电论文; 设备论文; 谐波论文; 电源论文; 功率因数论文; 电能论文; 功率论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;