UPS及其供电架构的选择和配置

作为负载用电可靠保障的UPS电源，在各行业领域中得到了广泛的应用。UPS的研发和应用已有几十年的历程，现有的各种品牌、机型和架构为用户提供了更多的选择余地。而在实际案例中，有些用户却因选择了不适合的UPS产品而对供电系统带来隐患或造成经济上的损失。为此，数据中心的UPS电源及其供电架构的选择和配置值得令人关注。

施耐德电气日前发布的《UPS如何选择、配置和降低成本》白皮书，为用户在选择UPS和配置架构时提供了更多的选择。文章指出，由于面临IT设备不断增多、用电量加剧、机房空间紧张、节能降耗需求等挑战，用户在选择UPS时，应重点考虑适用性、可靠性和可用性、节能减排、运维管理、成本等多方面因素。

根据需求选择适用的UPS

随着UPS技术的成熟与进步，行业厂商开发并提供了工频机型、高频机型、模块化机型和专用工业机型等多种UPS。用户可以根据自己的需求选择适用的机型。

单相或三相UPS的选择

根据UPS要保护的负载以及设备的电压范围或功率值，就可以确定是需要单相还是三相UPS。通常情况下，20kVA或更低的负载可以采用单相UPS，而功率较大的负载则需要三相UPS。

如果确定采用三相UPS，那么需要确定使用三相输入/单相输出配置还是三相输入/三相输出配置？这与负载类型有关。数据中心的服务器等IT设备通常使用单相电源，如磁共振成像系统(MRI)等医疗设备或大型工厂车间机器可能使用三相电源。

在需要三相输入/三相输出UPS的情况下，负载平衡问题将会很棘手。例如在石油天然气等行业中，不希望花费更多的精力去处理其负载平衡的问题，因此通常选用三相输入/单相输出UPS。

另一方面，使用三相输入/三相输出的优势在于可以采用集中式电源保护方案，使用一台大型UPS用于保护整栋建筑物或一组关键电路。从这个意义上讲，可以简化用户的电源保护方案。

如何确定UPS和电池容量

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UPS的容量

根据所保护的负载的能耗确定UPS容量。UPS基本容量E与负载能耗P的关系如下：E≥1.2P应考虑其运行时不超过其额定容量的60％至70％，出于安全性和将来扩容的需要，实际上40％至50％更常见。

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电池的容量

电池容量的计算可按恒电流法或恒功率法进行计算。

一个粗略估算法如下：

UPS功率（VA）×后备时间（h）÷UPS启动直流电压（V）=电池容量（Ah）

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后备时间的选择

当市电中断时客户所需后备时间的长短取决于现场是否有发电机。如果现场有发电机，那么在发电机启动之前，客户只需要一两分钟的延时来为负载供电即可。如果现场没有发电机，UPS将单独为负载供电，必须确定客户需要多长时间。

功能的选择

UPS供电系统所具备的功能对于系统的运维管理来说是相当重要的。用户所关注的功能主要有：远程管理、自动关机、冗余、断电通知、电池更换警告、环境监控、状态显示、事件日志等。

UPS的供电架构配置

按可靠性高低依次增加，UPS五种供电架构配置如下：

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满容量或N设计

N系统包括单个UPS或一组UPS，其容量与关键负载容量相匹配，如图1所示。

N冗余配置的缺点是如果UPS出现问题，负载可能不会得到保护。特别是在具有多个模块的三相UPS中，这种结构带来了多个单点故障的风险。

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串联冗余

通过隔离冗余配置，主UPS通常为负载供电，而第二级UPS则为主UPS的静态旁路供电，如图2所示。这要求主UPS具有用于静态旁路电路的单独输入。如果主UPS所带负载切换到静态旁路，那么第二级UPS会立即承载全部负载，而非将其转移到市电回路。该设计提供了一种增加冗余而无需完全替换已有UPS的方法。但其复杂程度大为提升，增加了更多的器件，引入了新的故障风险，从而导致可靠性降低。

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并联冗余（N+1）

并联冗余配置由多个容量相同的UPS并联运行并提供公共输出总线。如果“备用”UPS容量至少等于一个UPS的容量，则该系统被认为是N+1冗余，如图3所示。与串联冗余结构相比，故障概率较低，因为所有UPS始终在线运行。这也是一种更简单、更具成本效益的结构。

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分布式冗余

分布式冗余设计是在20世纪90年代后期开发的，用以提供完全冗余的能力而无需增加相关成本。这种设计通常用于大型数据中心，尤其是金融机构。此设计将用到3个或以上带有独立输入和输出馈线的UPS，输出总线通过多个PDU连接到关键负载，在某些情况下还连接到静态转换开关（STS）。STS有两个输入和一个输出。其通常接受来自两个不同UPS的电源，并为负载提供来自其中一个UPS的电源。如果主UPS发生故障，STS将在大约4到8毫秒内将负载切换到辅助UPS，从而始终为负载提供电源保护。

这种方案效率较低，因为UPS通常在远低于满载的情况下运行。如图4所示。

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系统+系统（2N，2N+1）

“系统+系统”模型是业内公认的最可靠的设计。该设计可以组成一个可能永远不需要将负载切换到市电的UPS系统，因为这个设计旨在消除所有可能存在的单点故障。

与分布式冗余方案一样，对于如何配置系统+系统模型存在许多选项，其中还包含多种架构，其中包括：串联并行、多并行总线、双端系统、2（N+1）、2N+2、[（N+1）+（N+1）]和2N。根据用户的需求，其架构设计可能很简单，也可能非常复杂。

该设计需要两路供电来支持所有关键负载，并实现从系统的进入端一直到末端，即关键负载端的完全冗余。

毫无疑问，由于冗余组件的数量及其较低的能效水平，系统+系统的系统设计在五个系统中成本最高。但考虑到其所保护负载的重要性，这种设计的高成本是合理的。实际上，许多大型企业都使用这种设计来保护他们的关键负载。

结束语

综上所述，提出如下建议：

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在选择和配置UPS及其供电架构时，不要过分追求降低前期建设成本，要选购知名厂商的UPS和电池。要着眼于降低后期的运行和管理成本，尽快收回前期建设的投资；

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锂电池的研发和应用现已成为业界技术潮流，不管在动力或储能领域，应充分重视锂电池的安全性。

随着现代电力技术的不断发展，对于供电质量要求也明显提高，随着电子器件和技术的进步与发展，使UPS在控制、结构、管理体系方面得到了加强和完善。只要用户根据自己的需求，充分了解各种品牌的技术特点和系统方案，一定能选择到最适合的UPS以及供电架构。