簡述UPS電源系統的可用性設計

前言

程控交換機、數據通訊處理系統、計算機、通信基站、安防監控系統等設備在運行中要求交流供電系統不能停電，為了提高這些設備工作的可靠性和可維護性，很多企業都對其配備了UPS電源系統。UPS(即Uninterruptible Power )電源系統由整流器、儲能裝置、逆變器和靜態開關等幾部分組成。目前，國內外市場上有很多種類的UPS系統，其主要功能與原理基本相同。

UPS主要由整流系統、儲能系統、變換系統和開關控制系統四個部份組成，在電力供電系統供電時整流系統就是一個將交流電(AC)轉化為直流電(DC)的裝置，經濾波穩壓后供給逆變器或者給儲能系統充電，起到充電器的作用。儲能系統是UPS用來儲存電能的裝置，它由若干個蓄電池串聯而成，電池容量的大小決定了其維持放電(供電)的時間。儲能系統的主要功能是在電力供電系統正常時，將電能轉換成化學能儲存在電池內部;在電力供電系統故障時，將化學能轉換成電能提供給逆變器或負載。變換系統是一種將直流電(DC)轉化為交流電(AC)的裝置，它由逆變橋、控制邏輯電路和濾波電路組成。

對于可維修的系統來說，還有一個可用性的指標，其定義是

A = MTBF / (MTBF + MTTR)

其中A是一個百分比指標，MTTR值得是平均故障修復時間。如果系統出現故障時可以非常快速的恢復，那么系統的可用性指標就比較高。對于電網這類對象來說，使用可用性指標可以更加直觀的衡量其可靠程度。而對于在關鍵場合經常使用并聯冗余配置來說，可用性指標比可靠性指標更具有現實意義。

可靠性/可用性指標都是統計意義上的概念，一個電源系統的可靠性/可用性與構成系統的各個模塊的可靠性/可用性之間也存在統計意義上的關聯。

假設電源系統中存在兩個電源模塊，而這兩個模塊是并聯工作的，其中一個和另外一個是互相獨立的，見下面圖中所示

那么考察這兩個模塊組合起來的系統的可用性Asys與每個模塊各自的可用性A1與A2的關系就有

Asys = 1 – (1 – AFR1)×(1 – AFR2)

另外一種可能是系統中這兩個模塊是串聯的，見下面圖中所示

那么這兩個模塊組合起來的系統的可用性Asys與每個模塊各自的可靠性A1,A2的關系就有

Asys = A1×A2

由于可用性肯定是處于0~1之間的數值，因此兩個并聯模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個串聯模塊的可用性要低于各自的可用性。

UPS電源的可靠性

從單個UPS的設計來說，可以把整個產品按照模塊進行劃分，下面圖中是一個典型的UPS系統結構圖

從圖中可以看到，UPS各個模塊之間的依賴關系比較復雜，但是還是可以分出串并聯的關系如下

輔助電源與所有其他模塊都是串聯的，因此輔助電源的可用性直接限制了系統能夠達到的最高可用性等級;

控制模塊與除輔助電源之外的其他模塊也都是串聯的，因此控制模塊的可用性也會直接影響到系統總體可用性設計;

對于負載端來說，能夠直接相連的只有旁路模塊與逆變模塊，而這兩個模塊是并聯的;

PFC/整流模塊與電池升壓模塊是并聯的，之后再與逆變模塊串聯;

從能源提供者來講，這里旁路電源與市電電源是兩路獨立的電源，而電池能源是由市電經過充電模塊提供的。如果充電模塊故障的話電池就沒有能量存儲，實際上也無法實現正常的UPS功能，因此市電-充電模塊-電池也是串聯的。這樣可以畫出整個UPS系統的可用性串并聯路徑圖

從這一路徑關系里可以看到，總共存在3條并聯的路徑，而每一條路徑各自又是由數個模塊串聯起來的。正與前面分析的一樣，輔助電源與控制模塊的可用性是串聯在所有通路上的，因此如果這兩者設計有缺陷的話UPS的可用性是無法做的很高的。電池回路串聯有最多的模塊數量，也是可用性最低的一條路徑。

要提升系統的可用性首先要提升關鍵路徑的可用性。從路徑圖上可以看到就是控制模塊與輔助電源。輔助電源是整個UPS的關鍵點，如果輔助電源不工作整個UPS都將癱瘓。提升輔助電源可用性的方式可以有很多種方案：一種是改進設計，提升MTBF;一種是對輔助電源也適用并聯冗余設計，提升可用性;再一種是對UPS的三條可用性路徑分別使用不同的輔助電源，相當于把原來完全串聯的路徑改成并聯。在UPS設計中可以混合使用這幾種方式，由于上面三條可用性通路是并聯的，而旁路通路本身是可用性最高的一條，因此最為推薦的設計就是優先提升旁路的可用性，對旁路單獨使用一套輔助電源供電，并且這套電源的盡量采用簡單的設計，以擁有高的MTBF。

控制模塊同樣也是影響到所有路徑的關鍵點，也必須擁有高的可用性。參照輔助電源的處理方法，也可以給相對獨立的旁路路徑配備單獨的控制模塊，并且通過與其余控制功能協調工作來達到高可用性的目的。同樣，旁路上的控制模塊也要盡量簡單，以提升可靠性。一種推薦的做法是旁路控制模塊不斷的檢測UPS主控制模塊的狀態，如果發現主控制模塊，則自動切換到旁路方式。此外，對于主控制模塊來說也可以通過冗余的方式來提升可用性，比如采用雙MCU結構，當一個MCU檢測到另外一個MCU發生故障時可以接管另一個MCU的功能，或者采取緊急措施如轉旁路來保證負載不斷電。

對于UPS來說，電池是保證UPS能夠在市電或者旁路斷電發生時繼續維持供電的關鍵，但是串聯環節最多，也恰恰是可用性最為薄弱的環節。一般電池規格書里面會說明充電電流不要超過0.15CC,這就意味著電池在UPS滿載放電放完之后要用數倍的時間才能重新充滿，從這個意義上講其可用性一般都在20%以下。但是由于電池并不是連續工作的，只要在電池放完前市電恢復，在重新充電的過程中也沒有再發生斷電，那么負載仍然不會受到影響。從這方面來看，電池的可用性在只會發生短時間的斷電情況下還是很高的。

再重新來審視電池回路的可靠性，在電池與市電之間還有一個充電器模塊環節。如果充電器損壞則電池在一次放完電之后就無法再充回，導致下一次市電停電時負載斷電。但是充電器只是在電池需要充電時才會工作，因此如果能夠及時對充電器的狀態進行監控，在發現充電器異常時及時報警，就能夠避免充電器故障帶來的問題，從而提升整個UPS的可用性。對于電池也有一樣的手段。電池在使用多次之后也會面臨容量下降和失效的問題，但是如果能夠通過電池狀態監控發現電池失效并及時更換，也能夠有效提升UPS的可用性。

UPS系統的可靠性

使用UPS電源系統時，不僅要定期對各主要元件進行檢查，還要對UPS電池組的各個電池單元端電壓與內阻進行檢測。若發現其電池組的某個電池單元的端電壓差值>0.4 V或者內阻>0.08Ω的時候，就應該斷開工作異常的電池單元與電池組的連接導線，使用外置的獨立充電器對工作異常的電池單元進行單獨充電，將其充電電壓(對12V蓄電池而言)保持在13.5~13.8 V之間，充電時間控制在10~12h.需要注意的是，UPS電源在使用過程中，電池組內的各個電池單元的充電會不一致，可能產生電池單元端電壓以及電池內阻的不平衡。這些是無法依靠UPS電源系統內部充電回路對其充電而得到消除和校正的，若不及時對不平衡電池單元進行脫機均衡充電的話，可能導致上述問題更加嚴重。

為了解決這一瓶頸，可以在UPS系統中加入一個特性和電池互補的備用電源：在市電斷電時的不需要很快反應，但是在長時間停電條件下能夠持續提供電力，燃油發電機組就是最為合適的一個選擇。因此在UPS系統配置上可以加入一個自動切換裝置，在市電停電后切換到發電機組。這樣一來能夠極大的提升長時間斷電條件下UPS系統的可用性。如此則UPS系統的可用性路徑就成為

雖然在可用性路徑里面多串聯了一個市電與發電機切換用的ATS，增加了單調路徑發生故障的概率，但是相對長時間斷電帶來的可用性問題來說還是值得的。