第四代不间断电源：
UPS-X综合供电主接线系统

　　UPS--交流不间断、净化电源 ；X--电源系统 ；
　　主接线--电源设备中输送电能回路的接线
　　综合供电系统--能输出0. 4KV以下各种交流、直流电源的系统；
　　随着国民经济的飞快发展，智能化办公设备、通信设备、网络设备、商业设备、工业自动化设备的不断增加，用户对不间断高保安电源的可靠性要求越来越高，容量越来越大，同时希望大幅度的提高产品的性价比。目前，以单机UPS并联，加大UPS的输出容量的工作方式，技术十分复杂，并且存在着多方面的不尽人意之处。为了适应市场的需求，我们必须研究和探讨不间断电源的新技术，下面介绍的就是其中的方案之一。

　　一、 不间断电源技术发展历史的回顾
回顾不间断电源技术发展的历史，大致可分以下三个阶段：
　　第一阶段：以研究UPS的基本功能电路技术为主，单机的容量在50KVA以下，产品性能还不够稳定，时有故障发生，一般只输出一种AC220V交流电源。可谓第一代不间断电源技术。
　　第二阶段：以研究大容量UPS的电路技术和功率器件技术为主，单机的容量可达到300KVA，技术成熟，工作稳定可靠，可输出三相AC380V或单相AC220V交流电源。可谓第二代不间断电源技术。
　　第三阶段：以研究UPS大容量多机并联技术为主，将两个或三个大容量单机UPS并联工作，形成一个不间断的有冗余功能的供电系统，较大的提高了供电的可靠性，可以输出三相AC380V或单相AC220V交流电源。可谓第三代不间断电源技术。
　　下面介绍的是第四代不间断电源；UPS-X综合供电主接线系统技术。它是单机冗余零中断供电系统的新技术，它是综合运用各种成熟的电力电子技术，自动化技术，采用多路电源同时工作，多种功能的电源模块并联冗余的高保安综合供电系统的新技术。本系统技术简单，逆变和配电一体化，能输出多种交流或直流电源，系统可用性可达99.9999%，寿命可达30年以上。它将成为高可靠性、高可用性、高可维护性、高性价比的新一代不间断电源供电系统。

　　二、 问题的提出
1、 对不间断电源的可靠性要求越来越高、容量需求越来越大
　　随着经济的发展和科技的进步，以计算机技术为核心的智能化办公设备、通信设备、网络设备、军事设备、金融设备的大量应用，对供电的可靠性的要求越来越高，容量越来越大。目前，普遍使用的技术复杂的单机并联供电的UPS技术方案，尚有不尽人意之处。
2、 要求不间断电源的电源种类越来越多
　　不同行业对不间断电源的种类有不同要求，除50HZ 交流不间断电源外，还有各种电压，各种频率的交、直流不间断电源。例如，铁路信号电源系统就要求有6~8种不间断电源。
3、 电网污染的情况越来越严重，要求使用净化电源的设备越来越多
　　在电气化铁路、化工厂、电镀厂、电解厂、炼钢厂、城市轨道交通以及家用电器上大量的运用功率电子设备，这些设备在生产过程中会产生多种电磁干扰，给电网造成了严重污染，而且情况越来越严重。因此，要求使用净化电源的设备也越来越多。
4、 单机并联供电的UPS系统有多方面的不尽人意之处。
　　（1）技术十分复杂，对控制的精确度要求特别高。在并联的UPS单机之间必须随时做到电压、频率、相位、相序、波形基本相同；同时随时保持与市电同步锁相；每一个单机必须能自动投入和故障推出；对静态旁路开关要准确的控制；各UPS之间的有功和无功负荷必须平均分担；所有的控制都有严格的时序要求，对其中任意一点达不到要求，系统就不能正常工作。复杂的技术对产品的设计、生产提出了特别高的要求，同时也使价格居高不下。
　　（2）多路电源输入时，电源不能同时工作，系统电源没有并联冗余功能；
　　（3）系统中存在可能引发故障的电源切换、旁路切换、维护切换多个切换环节，增加了故障的几率。
　　（4）输出电源单一，不能同时输出交、直流多种电源；
　　（5）容错能力有限，局部故障对可靠性的影响仍比较大。
　　（6）不易实现标准机柜安装、全模块化和热插拔，造成扩容、维护检修不便；
　　（7）系统化程度低，只有电源部分没有配电部分，系统各级保护不易配合；
　　（8）占地多、整机功率密度低、产品价格高。

　　 三、不间断电源系统可靠性设计的基本原则
1、不间断的概念：
　　 不间断一般是指市电中断时不中断供电。并没有绝对的不间断供电系统，所谓不间断都是相对的在一定条件下的不间断。
2、不间断电源系统的安全设计原则是：
　　 从系统工程学来讲，一般情况下只考虑系统中一处故障时，系统应保证正常供电；两处同时故障的工况不能作为安全设计条件。 因为，在系统工程学中，可以设想出许多种两处同时故障的条件，系统将无法设计。但是，在一些技术先进的系统中，可以作到出现某些两处同时故障时，也不会影响系统的正常工作。例如，UPX -X电源系统，就允许很多种两处同时故障的工况，并不中断系统供电。

　　 四、UPS-X综合供电系统典型主接线结构
　　下面介绍的UPS-X综合供电系统典型主接线结构图，是将交直交逆变系统的各部分功能进行了分解，由一组整流模块集中完成AC/DC的变换，形成直流母线；在母线上接入蓄电池后备直流电源；再依据不同种类负载及容量的要求，分组进行DC/AC、DC/DC的变换，形成了多路多种电源输出功能，同时实现了逆变及配电一体化。

第四代不间断电源：UPS-X综合供电系统典型主接线结构图

　　 五、UPS-X综合供电系统主接线结构特点
首先，一个供电系统的主接线结构是否合理，是供电系统可靠供电的首要条件，必须予以足够的重视。本系统的主要特点是：
　　 1、系统属于单机冗余系统，容量可做到10~300KVA。
　　 2、系统是由专门设计的各种功能模块组合构成的。
　　 3、多种交、直流电源同时并联冗余工作，没有主、备关系，其中一个电源断电、断相、错相，不影响系统正常工作。具备两路市电电源时，在没有蓄电池的条件下也可做到不间断供电。
　　 4、适应多种电源组合方案
　　 　　 （1）一路市电电源加蓄电池电源；
　　 　　 （2）两路市电电源；
　　 　　 （3）多路市电电源加蓄电池电源；
　　 　　 （4）多路市电电源，
　　 5、集中整流
　　 各路交流电源由一组集中的并联冗余工作的整流模块，经AC/DC变换后，形成DC350V的直流母线平台。
　　 6、分散逆变，输出交流、直流多种电源
　　 在直流母线平台的基础上，经过DC/DC变换、DC/AC变换，形成0.4KV以下交流各种频率、各种电压、单相或三相的电源；各种直流电压连续可调的电源。
　　 7、无切换环节的静态供电系统
　　 系统中没有主、备电源的切换；没有主、备模块的切换；没有旁路切换；没有维护切换。并联电源的退出和投入，并联模块的退出和投入都是在自动的情况下完成的，没有复杂昂贵的STS静态切换旁路开关。
　　 8、高频电气隔离
　　 系统可方便的实现不同输入电源之间；输入和输出电源之间；不同种类输出电源之间的高频电气隔离。
　　 9、计算机智能监测系统。
　　 利用计算机对整个系统进行实时监测、显示、存储系统各部分电气参数，工作状态、故障报警和向控制中心传输电源工作信息，实现系统远程管理。

　　 六、UPS-X综合供电系统的功能特点
1、高可靠性工作
　　 （1）全面并联冗余的主接线，输出电源零中断系统
　　 输入电源并联冗余工作，形成容错功能，允许电源故障，故障的电源自动退出、投入，不应影响系统正常工作。
　　 各种模块采用N＋M的并联冗余工作方式，形成容错功能，允许模块故障，故障的模块自动退出、投入，不应影响系统正常工作。
　　 允许不同并联模块组中，两个模块同时故障，也就是多点同时故障，不影响系统正常工作。
　　 同一组并联模块均分负荷，模块均处于非满载下运行，发热低，寿命长。
　　 所以，本系统在各类故障的情况下，都能做到输出电源零中断，是一个真正的不间断供电系统。整个系统平均无故障工作时间MTBF（正常供电的时间）：应大于30年。
　　 （2）采用比较简单的技术实现了系统扩容
　　 系统中没有复杂的大功率三相UPS并联和故障静态旁路环节，采用了比较简单的技术实现了系统扩容。
　　 （3）系统没有旁路状态，没有整机维修状态，始终输出的是被保护电源。
　　 （4）技术全面的过压、欠压、短路、限流、温升保护。无论在主接线系统中发生短路，还是在控制回路中发生短路都能及时的切除故障，防止设备损坏。
　　 （5）全面的人身安全和火灾防护。屏体安全防护不低于IP20标准。屏内设备做到全绝缘，不留裸露带电导体；，防止短路故障和电气火灾的发生。
2、高可用性。
　　 系统中各种模块均为并联冗余系统，任一个模块故障都不影响机组正常供电；整机做到不带电维修，模块做到不带电维修，不做预防性维修，各种维修不影响正常供电。平均维修时间MTTR（维修影响正常供电的时间）：几乎为零。系统可用性可达到100%，完全满足365×24小时全天候工作。
3、高保真输出电源
　　 由于整个系统采用的是高频电力电子逆变技术，所以，在逆变过程中可以完成对电源的净化功能，输出符合国家电磁兼容标准的净化电源。
4、整机的性价比高
　　 各种模块采用N+1的备用方式，与1+1的备用方式相比，备用容量小，技术简单价格便宜。
5、全模块化，标准机柜安装，扩容方便，可扩展性强
　　 电源屏中监控和功能部分全部采用模块化结构，拔除全部模块机架上只剩下端子、开关和配线。可以方便的完成扩容和维修工作。
6、电源部分和配电部分一体化，同时具备电源变换和配电功能。
7、全面的智能监测技术。实现了系统实时状态和故障监测及远程监控和管理。监控部分故障不影响主系统的正常工作。

　　 七、UPS-X综合供电系统主要适应场合
1、 铁路车站、机场、码头、发电厂
2、 国家政府机关、军队、公安、海关
3、 有线通信、移动通信、网通中心站、电视台、广播电台
4、 智能化写字楼、银行、证券
5、 一切要求高保安电源的供电场所

　　 八、UPS-X在高速铁路车站信号电源上的应用
　　 采用第四代不间断电源UPS-X系统技术，生产的PNXG系列高速铁路信号电源，已经通过了铁道部产品质量检测中心的检测，陆续在提速铁路线上使用，受到广大用户的好评。正在作为铁路信号一项重要的新技术在全路推广。在一段时间内，将全部替换下老式的信号电源设备。产品通用的系统接线如下图：

PNXG系列高速铁路信号不间断供电系统图

　　 九、成果的重要意义
1、 对模块化不间断电源技术的全面整合，实现了真正意义上的全天候零中断供电！
2、 在不使用十分复杂的三相并联技术的情况下，实现了UPS容量的扩展！
3、 为容量在10KVA以上的不间断电源提供了优化的接线结构！
4、 可能改变UPS电源产品的格局，对不间断电源技术的发展具有深远意义！

　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　 　　 　　 　 　　 　　　 赵祚义
　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　 　　 　　 　 　　 二○○四年五月十八日

作者介绍：高级电力工程师， 北京铁信通科技发展有限公司技术总监
中国电子商会电源专业委员会理事，多年从事电源技术研究，有十余项科研成果，发表论文20余篇。

返回<<...