（中元国际（上海）工程设计研究院有限公司 上海 200125）
摘要：主要介绍了UPS设备的基础知识，在线式UPS的工作模式以及A级电子信息系统机房中UPS的供配电系统。对UPS设备的认知、在数据机房中的应用方式提供了参考。
关键词：数据机房；UPS；供配电系统
0 引言
据IDC统计，全部电脑故障的45%是由电源问题引起的。电网存在至少九种问题：断电、雷击尖峰、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰，并且精密的网络设备和通信设备是不允许电力有间断的，因此以服务器为核心的数据机房配备UPS是十分必要的。
1 UPS是什么
UPS是不间断电源（Uninterruptible Power System）的缩写。利用电池化学能作为后备能量，在市电断电或发生异常等电网故障时，为用户设备提供（交流）电能的一种能量转换装置。
UPS系统主要由整流器、逆变器、旁路/逆变静态开关、输入输出开关或接触器、电池系统等组成。
2 UPS的分类
UPS按工作原理分成后备式、在线式、串并联调整式与在线互动式四大类：
后备式UPS在市电正常时，市电通过开关后直接供给负载，逆变器不工作，同时市电给蓄电池充电。停电后，启动逆变器，把电池储存的能量通过逆变器和开关供给负载。
在线式UPS不管市电是否正常，交流电源都要先经过整流器转换为直流电，然后再由逆变器将直流逆变成交流电供给负载。使负载不受市电的电压、频率、谐波等因素的干扰。当市电因故停电时，系统自动切换到蓄电池组，蓄电池放出直流电，经逆变器对负荷供电。逆变器始终处于工作状态。
串并联调整式UPS多采用双逆变电压补偿技术也称为Delta技术。当市电正常时，两组逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿，实现稳压功能，不能稳定频率。
在线互动式UPS的逆变器一直处于工作状态，具有双向功能：在市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作状态，给蓄电池组充电，起充电器的作用；在市电异常时，逆变器立刻转入逆变工作状态，将蓄电池组的直流电转换为交流电输出。在线互动式UPS的输出通过变压器的抽头跳变，可实现稳压的功能。
3 UPS的工作模式
以下仅针对在数据机房内广泛应用的在线式UPS的工作模式做详细说明：
市电逆变工作模式：在主路市电正常时，UPS一方面通过整流器、逆变器给负载在线提供高品质交流电源；另一方面通过整流器为电池充电，将能量储存在电池中。
电池逆变工作模式：当市电异常时，系统自动切换到蓄电池组，蓄电池放出直流电，经逆变器对负荷供电。
静态旁路工作模式：在逆变器过载延时时间到、逆变器受大负载冲击等情况下，系统自动无间断切换到静态旁路电源向负载供电，此时图1中开关Q2和Q4闭合，开关Q1和Q3断开。在UPS恢复正常后，系统自动恢复正常供电方式。
维修工作模式：
需要对UPS电源及电池等进行全面检修或设备故障需维修时，将负载转向维修旁路直接供电，以实现UPS内部不带电而对负载仍然维持供电的维修工作模式。此时图1中开关Q3闭合，开关Q1、Q2、Q4及电池输入开关QF1断开。
4 UPS的效率
UPS效率的η的定义是：输出有功功率P与输入有功功率P’之比的百分数，即：η=（P/P’）％。
UPS损失的电能大多数是以热能消散掉的。
5 UPS的输入功率因数
对于UPS来说，由于它具有双重的身份，面对前级供电的变压器、发电机等，它是这些电源的负载。
GB/T7260.3中定义UPS的输入功率因数：在额定输入电压，额定输出表观功率（视在功率），蓄电池充满电和UPS正常运行方式下，输入有功功率对输入表观功率之比（视在功率）。
一般传统在线式UPS的标配功率因数大都在0.8左右，这就造成了约有30%的谐波电流对电网的干扰，其结果是使该电网上的变压器、电缆、保险丝和开关等设备发热、疲劳。若要改变这种状况就必须在前面加谐波滤波器或改6脉冲整流为12脉冲整流，这样可将UPS的输入功率因数提高至0.99。
6 UPS的输出功率因数
当UPS面对用电负载时，它是供电的电源，与其它交流电源系统是相同的，即没有固定的输出功率因数。当它为不同类型的负载供电时，所输出的表观功率（kVA）和有功功率（kW）是随着负载的用电需求而变化的。因此在国家标准中并没有UPS"输出功率因数"一词的定义。所谓的UPS得输出功率因数"实际上就是 负载的功率因数。而负载的输入功率因数一旦在产品制造出来以后，便是相对固定的，或是随负载运行状态而变化的。
7 UPS容量的确定
确定UPS容量时需要留有余量，其目的有两个：一是使UPS不超负荷工作，保证供电的可靠性；二是为了以后少量增加电子信息设备时，UPS的容量仍然可以满足使用要求。
UPS的基本容量可按下式计算：
S＞K*∑P/cosφ
其中，S —UPS的容量（kVA）；
∑P —UPS所带的全部负荷之和（kW）；
cosφ—负载的功率因数；
K —UPS带载率，一般为60％~80％时，为最佳工作状态。因此K一般取1.2~1.6左右。
8 UPS在数据机房中的供电方式
UPS电源的工作方式根据用电设备对供电可靠性和连续性的要求可分为单一式、并联式、冗余式和并联冗余式等方式。具体如表1。
以下重点说明等级最高的A级电子信息系统机房的UPS供配电系统。
A级电子信息系统机房内的场地设备应按容错系统配置。所谓容错，就是具有两套或两套以上相同配置的系统，在同一时刻，至少有两套系统在工作。按容错系统配置的场地设备，至少能经受住一次严重的突发设备故障或人为操作失误事件而不影响系统的运行。2N的系统配置就是最常见的容错系统配置。
图2即为典型的2N带集中手动维修旁路的UPS供配电系统。两组UPS同时工作，互为备用，各承担50％的负荷。当任意一组UPS电源系统检修或者故障退出运行时，另一组UPS电源系统可以承担全部IT负荷，不影响系统正常运行。实现了系统的在线维护、在线扩容、在线升级，解决了供电回路中的单点故障问题。
UPS设备应设置专用的输入配电柜，主电源和旁路电源进线应分别引入，并宜由不同的输入配电柜引入。
UPS电源系统输出常规采用三级配电方式：UPS电源输出配电装置--机房内配电列头柜—单机柜内配电单元（机柜PDU）。
UPS电源系统输出应采用三相配电至列头柜，列头柜出线采用单相配电至末端回路，以利于三相平衡。
机房内A/B两路的配电列头柜应分设柜体，成对设置。每一台列头柜宜为两列设备机柜供电。机柜的A/B两路电源应分桥架敷设。
双电源输入的IT设备内部自带电源转换装置。对于单电源输入的IT设备，需额外设置静态转换开关（STS）进行双路电源转换。
9 结语
数据机房供配电设计非常重要的任务就是提供一个安全、可靠、稳定、抗干扰强、维护操作方便的供配电系统。UPS设备在数据机房供配电系统中扮演着非常重要的角色，本文对UPS设备及UPS设备在数据机房中的典型应用进行了介绍，希望能够为数据机房的电气设计师提供一些参考。
参考文献：
[1] 中华人民共和国电子工业部.GB50174-2008电子信息系统机房设计规范[S].北京：中国计划出版社，2008.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.09DX009 电子信息系统机房工程设计与安装[S].北京：中国计划出版社，2009.
[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.15DX202-3 UPS与EPS电源装置的设计与安装[S].北京：中国计划出版社，2015.
[4] 美国国家标准协会，美国电信产业协会，TIA技术工程委员会：数据中心电信基础设施标准ANSI/TIA-942-2005[S].2005.
作者简介：
杜松（1989-），男，江苏省盐城市建湖县人，本科，主要从事民用建筑的电气设计工作。
论文作者:杜松
论文发表刊物:《电力设备》2017年第10期
论文发表时间:2017/8/8
标签：在线论文; 市电论文; 逆变器论文; 负载论文; 功率因数论文; 系统论文; 电源论文; 《电力设备》2017年第10期论文;