1第8章交流不間斷電源設備交流不間斷電源系統（UninterruptiblePowerSystem，UPS）又稱為交流不間斷電源設備。UPS的輸入和輸出均為交流電。

28.1UPS的基本組成及分類與選用

8.1.1UPS的基本組成3UPS（主機）外觀舉例4UPS（主機）外觀舉例（續）58.1.2UPS的分類根據電路結構的不同，按照國際電工委員會標準IEC62040-3：1999，UPS分為三種類型，即：雙變換UPS、互動式UPS和后備式UPS。過去常用的“在線”UPS這一術語，IEC62040-3和GB/T7260.3—2003明確提出應避免使用。這是為了避免某些互動式UPS與雙變換UPS混淆。我國國家標準GB/T7260.3—2003《不間斷電源設備（UPS）第3部分：確定性能的方法和試驗要求》修改采用IEC62040-3：1999。

61．后備式UPS輸入交流市電正常時，轉換開關自動接通“旁路”，市電經旁路通道向用電設備供電（后備式UPS的旁路通道中通常加裝對市電進行簡單穩壓處理的裝置）；充電器對蓄電池充電；此時逆變器停機（冷備用）。當市電異常時，蓄電池對逆變器供電，逆變器迅速開機，轉換開關自動接通逆變器，由逆變器輸出交流電壓向用電設備供電。轉換過程中輸出電壓有10ms左右的中斷。

72．雙變換UPS?無論市電是否正常，均由逆變器經相應的靜態開關向負載供電。逆變器輸出標準正弦波，輸出電壓、頻率穩定，供電質量高。?輸出功率經整流器和逆變器兩級變換產生（串級運行），設備的體積較大，效率較低（為兩級效率相乘）。83．互動式UPS

互動式UPS的輸出功率以市電為主。在市電沒有超出允許變化范圍時，互動式UPS的輸出頻率等于市電頻率，若市電頻率不穩，則UPS的輸出頻率不穩；而雙變換UPS的輸出頻率等于逆變器的輸出頻率，能夠始終保持穩定。這就是兩者的根本區別。屬于互動UPS類型的Delta變換UPS98.1.3UPS的性能分類代碼電源質量

輸出電壓波形

輸出動態性能

VFISS111VISX222VFDSY333典型的UPS性能分類代碼108.1.4UPS的選用通信用UPS宜采用雙變換UPS，也可采用互動式UPS，不宜采用后備式UPS。雙變換UPS有單進單出、三進單出、三進三出3種類型。當通信局（站）需要UPS供電的設備較多、總負荷量較大時，為了供電可靠并節約能源，不宜多臺UPS單機分散供電，而以采用較大容量的UPS系統相對集中供電為好，此時應選用能夠并聯運行的UPS并聯供電，配置相應的輸出交流屏，并在各專業機房配置專用交流配電箱。UPS的額定容量用輸出視在功率（kVA）表示。11UPS的選用（續）所需UPS的額定容量應根據負荷確定，宜適當留有余量。為確保UPS能長期安全可靠運行，其最大負荷應不超過額定容量的80%。此外，高海拔地區空氣稀薄，當海拔超過1000m時，隨著海拔升高，設備的散熱性能下降，UPS應降額使用。降額系數，海拔3000m時為0.82，海拔5000m時為0.67（詳見教材P239表8.2）。128.2正弦脈寬調制（SPWM）技術UPS中的核心部件是逆變器。對輸出電壓波形為正弦波的UPS而言，逆變器的任務是把直流電逆變成頻率穩定、輸出電壓穩定、波形失真小的50Hz正弦波交流電供給負載。逆變器應可靠性高，變換效率高，動態特性好，對負載適應性強。目前在輸出正弦波的UPS中廣泛采用正弦脈寬調制（SPWM）逆變器。脈沖頻率約10～20kHz，脈沖寬度則按50Hz正弦規律變化，這樣易于濾除電壓中的諧波分量而獲得純凈的50Hz正弦波輸出電壓；逆變器可以做到體積小、質量輕、效率高；逆變器中的功率開關管大多采用IGBT。138.2.1正弦脈寬調制基本原理?加到比較器上的高頻等腰三角波us稱為載波，其頻率fs稱為載波頻率，應保持穩定；其振幅Usm應保持不變。?加到比較器上的正弦波uc稱為調制波，其頻率稱為調制頻率，用f1表示，調制頻率必須與要求逆變器輸出的頻率相同，故f1=50Hz；其振幅Ucm的大小可以調節。

14幅度調制比ma定義為

ma的變化范圍通常為0～1。頻率調制比mf定義為

mf通常是整數。幅度調制比ma和頻率調制比mf

158.2.2SPWM單相全橋逆變器A臂B臂?

當uc＞us時，VT1開通，uAN=UI；當uc＜us時，VT2開通，uAN

=0。?

當-uc＞us時，VT3開通，uON=UI；當-uc＜us時，VT4開通，uON=0。?

任一時刻都有兩個功率開關管被加上驅動脈沖，開關的接通狀態有四種組合方式，變壓器初級電壓：uAO=uAN-uON圖8.516與圖8.5等效的SPWM波形

17求uAO的平均值UAO

uAO的平均值為：據：uc=Ucmsinω1tma=Ucm/Usm得：

UAO=maUIsinω1t

UAO的振幅為：

UAOm=maUI

(ma≤1)單極性電壓開關SPWM波形的細節

188.2.3SPWM三相橋式逆變器198.3鎖相同步基本原理雙變換UPS當逆變器過載或發生故障時，在市電質量較好的條件下，應能平滑地切換為由市電旁路供電，并應避免切換時在靜態開關中產生較大的環流。為此在市電頻率比較穩定時，逆變器輸出的正弦波電壓應與輸入市電同頻率并且基本同相位，即逆變器應與市電鎖相同步。用來使一個交流電源與另一個交流電源保持頻率相同、相位差小且相位差恒定的閉環控制電路，稱為鎖相環。在正弦脈寬調制逆變器中，設置鎖相環來使調制正弦波和三角波的頻率分別鎖定在電網頻率和電網頻率的高倍率上。208.3.1鎖相環的組成

8.3.2鎖相環的基本工作原理

?在鎖相環路中，如果壓控振蕩器的角頻率ωo與輸入信號的角頻率ωi相差在一定范圍內，則由鑒相器輸出一定的誤差電壓，經過環路低通濾波器，去控制壓控振蕩器的角頻率ωo，使其向ωi值靠攏，這稱為頻率牽引或頻率跟蹤。當兩個頻率完全一致而且兩個信號間的相位差達到恒定時，環路便進入了鎖定狀態。處于鎖定狀態的鎖相環，輸入信號ui(t)和輸出信號uo(t)之間只存在很小的相位差，而無頻率差。?一個已經穩定工作的鎖相環，如果輸入信號的頻率發生了變化（如電網頻率變化），由于相位是頻率對時間的積分，因此ui(t)和uo(t)的相位差發生變化，鑒相器輸出相應的誤差電壓，經環路低通濾波器，使壓控振蕩器的頻率重新調整到和輸入信號頻率一致，于是環路進入一個新的穩定狀態。21鎖相環的基本工作原理（續）當壓控振蕩器的角頻率ωo和輸入信號的角頻率ωi相差很大時，環路無法使壓控振蕩器的角頻率ωo向ωi值靠攏，這種現象稱為“失鎖”。一旦電網頻率與額定頻率偏離過大而造成失鎖，UPS輸出電壓的頻率應能穩定在50Hz；這時不允許進行逆變器供電與市電旁路供電的自動切換。228.4靜態開關

8.4.1靜態開關主電路原理大多數UPS采用兩個反向并聯的晶閘管組成一個靜態開關。當輸入端為正弦波電壓正半周時，晶閘管VS1的門極觸發脈沖使VS1導通，電源經VS1向負載供電；VS1在交流過零點時關斷。當輸入端電壓為負半周時，晶閘管VS2承受正向陽極電壓，VS2的門極觸發脈沖使VS2導通，電源經VS2向負載供電。238.4.2靜態開關的應用逆變器輸出與市電旁路靜態開關的連接UPS中設置檢修旁路開關

8.5PWM整流器當對UPS的輸入功率因數、輸入電流諧波和系統效率的指標要求都很高時（如要求輸入功率因數λ≥0.99、輸入電流總諧波畸變率THDi<5%、系統效率η≥94%），UPS中的整流器宜采用PWM整流器。PWM整流器是由功率開關晶體管（常用IGBT）和儲能電感、電容等元器件組成的同時具備整流和有源功率因數校正功能的PWM高頻開關整流器，其交流輸入側可實現功率因數近似為1、輸入電流總諧波畸變率小于5%，其直流輸出側能得到穩定且波形平滑的直流電。在PWM整流器中沒有二極管組成的整流電路。由于它把整流和有源功率因數校正兩個環節變成了一個環節，因此效率更高。24PWM整流器（續）PWM整流器可分為電壓型與電流型、單相與三相、半橋與全橋、硬開關與軟開關、雙極性SPWM控制方式（簡稱雙極性調制）與單極性SPWM控制方式（簡稱單極性調制）等類型。最基本的分類方法是把PWM整流器分為電壓型與電流型兩大類。電壓型PWM整流器（VSR）最顯著的電路結構特征是直流側采用電容儲能濾波（電容與負載并聯），使直流側呈低阻抗的電壓源特性。而電流型PWM整流器（CSR）最顯著的電路結構特征是直流側采用電感儲能濾波（電感與負載串聯），使直流側呈高阻抗的電流源特性。根據應用需要，本節講述單相全橋電壓型單極性調制PWM整流器和三相半橋電壓型單極性調制PWM整流器的工作原理。258.5.1單相全橋電壓型單極性調制PWM整流器26單相全橋電壓型單極性調制PWM整流器不同時刻的電流回路

27不同時刻的電流回路（a）~（d）28不同時刻的電流回路（e）~（h）29單相全橋電壓型單極性調制PWM整流器的輸出直流電壓Uo

輸出直流電壓為：式中：U為輸入交流電源電壓有效值；

ma為幅度調制比，等于正弦調制電壓振幅Ucm與高頻等腰三角形載波電壓振幅Usm之比；Ψ為正弦調制電壓uc滯后于主電路輸入電壓u的相位角：R為交流輸入端的等效電阻.

由于macos1，因此Uo大于輸入交流電源電壓的振幅值，表明這是升壓電路。308.5.2三相半橋電壓型單極性調制PWM整流器三相電壓型PWM整流器最常用的是半橋結構，全橋結構相當于三個獨立的單相電壓型PWM整流器組合。三相半橋電壓型PWM整流器又稱為三相六管高頻開關整流器。輸入三相交流電壓經自耦變壓器降壓后加到整流器輸入端，六個橋臂上都接功率開關管IGBT，每個IGBT都接有反并聯二極管。六個功率開關管VT1~VT6的驅動脈沖ug1~ug6由各相正弦調制信號uka、ukb、ukc與等腰三角形載波us的交點來確定。

uka、ukb、ukc分別滯后于電網各相相電壓一個角度Ψ式中，ωLN為各相儲能電感的工頻感抗，LN=La=Lb=Lc；RN為相交流等效電阻：RN=UA0/Ia1，UA0為輸入相電壓有效值，Ia1為相電流基波有效值。31三相半橋電壓型PWM整流器主電路32三相半橋電壓型單極性調制PWM整流器驅動脈沖波形圖

33三相半橋電壓型單極性調制PWM整流器共有三種工作模式

34（1）1D2T模式:時區6，如圖（a）所示；時區9，如圖（d）所示。（2）2D1T模式:

時區7，如圖（b）所示。（3）3D0T模式:時區8，如圖（c）所示。三相半橋電壓型PWM整流器是升壓電路輸出直流電壓Uo大于輸入交流線電壓（A、B、C端之間電壓）的振幅值，其具體數值由線電壓值、幅度調制比ma和cosΨ決定。采用自耦變壓器降壓，是為了使整流器具有適當大小的輸出直流電壓。如果逆變器需要整流器輸出電壓高，可以省去自耦變壓器，這時往往UPS內專設充電器，且蓄電池組經升壓變換器給逆變器供電。這種電路輸入交流各相電壓和電流無相位差。

35368.6UPS系統中蓄電池容量的選擇UPS按其備用時間，有標機和長效機之分。“備用時間”的定義是：從交流輸入電源中斷切換到電池供電時起，在額定輸出負載情況下，UPS保持向信息技術設備連續供電的時間。標機的蓄電池置于機內，其電池容量較小，充電器能提供的充電電流也較小，備用時間短（約5~10分鐘）。標機一般不能外加蓄電池。長效機通常蓄電池組（一般采用閥控式密封鉛酸蓄電池）置于機外，機內的充電器可以為蓄電池組提供較大的充電電流，蓄電池組的額定電壓由UPS廠家確定，備用時間較長，例如30分鐘至幾小時，備用時間的長短取決于蓄電池的容量。37UPS系統中蓄電池容量的選擇（續1）

所需蓄電池額定容量可按下式計算

式中Ce—蓄電池的額定容量（Ah）；λ—負載功率因數，一般取0.8；S—UPS的額定輸出視在功率（VA）；T—所需備用時間（h）；U—蓄電池組放電時的端電壓，可按單體電池電壓1.85V取值（依據GB/T51194—2016），即采用12V電池時：U=（1.85×6）N，采用2V電池時：U=1.85N，N為蓄電池組中串聯的電池只數，等于蓄電池組的額定電壓除以每只電池的標稱電壓（2V或12V）；ηn—UPS中逆變器的效率，取0.9，最好按UPS說明書取值；η—蓄電池的放電容量系數，取決于備用時間，按蓄電池說明書取值；如沒有電池說明書，固定型閥控式密封鉛酸蓄電池可按表4.1取值，非固定型（型號中無字母G）12V閥控式密封鉛酸蓄電池可參考表8.3取值。α—電池溫度系數（1/℃），備用時間≥10h，α=0.006；10h>備用時間≥1h，α=0.008；備用時間<1h，α=0.01；t—蓄電池組所處的最低環境溫度（℃）。Ce≥38UPS系統中蓄電池容量的選擇（續2）選取蓄電池額定容量更為精確的方法是：先求出每只電池需具備的放電功率P，即然后根據所需備用時間，查閱蓄電池廠家的“恒功率放電表”來確定蓄電池的額定容量。獲得同樣的功率，電壓高則電流小，而電流小則線路損耗功率小。為了提高效率，大、中功率的UPS通常蓄電池組的額定電壓較高（例如192V、360V、384V、396V、420V、480V、576V等），因此大多采用12V電池來構成蓄電池組。

UPS的備用時間應適當選擇UPS的備用時間應適當選擇，并非越長越好。備用時間長，則需蓄電池額定容量大，除了考慮投資等因素外，還要考查UPS中是否有足夠大容量的充電器來滿足對蓄電池充電的要求。蓄電池放電后，充電器應以恒壓限流方式對蓄電池組充電，在24小時內將電量充足。如果UPS的充電器不能提供足夠大的充電電流（不小于0.05Ce），蓄電池放電后將需要很長時間才能充足電量，假如充電不足時市電又停電，則備用時間達不到預期值。39408.7UPS的串并聯使用

雙變換UPS與互動式UPS雖有較高的供電質量和可靠性，但畢竟是由大量電子元件、功率器件、散熱風機和其他一些電氣裝置組成的功率電子設備，當采用單臺UPS供電時，由于其平均失效間隔時間（MTBF）是個有限值，一般為幾萬小時，所以還可能發生由于UPS本身的故障而中斷供電的現象。采用冗余UPS系統，可使供電的可靠性得到很大提高。418.7.1雙機串聯熱備份工作方式?將熱備份的UPS輸出電壓連接到主機UPS的旁路輸入端。UPS主機正常工作時承擔全部負載功率，當UPS主機發生故障時自動切換到旁路狀態，UPS備機通過UPS主機的旁路通道繼續為負載供電。?市電異常時，UPS處于電池放電的工作狀態，由于UPS主機承擔全部負載功率，所以其蓄電池先放電到終止電壓；然后自動切換到旁路工作狀態，由備用UPS繼續為負載供電，直到備機的蓄電池放電終了。?UPS主機與備機、備機與市電應鎖相同步。?UPS中的靜態開關是影響供電系統可靠性的重要部件。

428.7.2并聯冗余供電工作方式用于雙機并聯的UPS必須具有并機功能，使兩機輸出電壓的頻率、相位和幅度保持一致，輸出電流均衡。這種并聯是為了提高UPS供電系統的可靠性，而不是用于供電系統擴容，所以負載的總容量不應超過其中一臺UPS的額定輸出容量。當其中一臺UPS發生故障時，可由另一臺UPS來承擔全部負載電流。

?多臺UPS并聯的“N+1”供電系統，其能量轉換效率和設備利用率都高于兩臺UPS并聯供電系統。?例如，對一個240kVA的負載系統，可采用每臺額定容量為100kVA的4臺UPS并聯供電。此時具有“3＋1”的冗余度。即3臺UPS可滿足全部用電需要并有適當余量，4臺UPS中如有1臺發生故障，不會影響對負載的正常供電；供電系統正常運行時，每臺UPS承擔60kVA的負荷，設備利用率為60％。并聯冗余供電工作方式（續）在實際應用中，由于“N＋1”并聯冗余系統當N值較大時故障率較高，因此并聯的UPS單機臺數不宜過多，一般以不超過4臺（即N≤3）為宜。在并聯冗余UPS系統中，當某個單機發生故障時，該單機的靜態開關自動將該機退出系統，系統中并聯的其余單機繼續給負載供電；當出現系統過載時，負載通過集中的靜態開關或各單機分散的靜態開關被轉換為由市電旁路供電。4344UPS并聯冗余供電配置參考2臺UPS并機：每臺UPS額定容量為總負載容量的1.25倍。2臺UPS正常運行時，每臺UPS的負載率不超過40%。1臺UPS退出時，剩余1臺UPS的負載率不超過80%。3臺UPS并機：每臺UPS額定容量為總負載容量的0.625倍。3臺UPS正常運行時，每臺UPS的負載率不超過53%。1臺UPS系統退出時，另外二臺UPS的負載率不超過80%（有的通信運營企業不允許UPS并機超過3臺，即規定N≤2）。8.7.3模塊化UPS隨著交流并聯技術逐步成熟，在模塊化UPS的可靠性達到要求時可用其組成冗余供電系統。模塊化UPS由輸入配電部分、輸出配電部分、功率模塊（包括整流和充電、功率因數校正、逆變以及相關控制電路）、監控模塊、旁路模塊（可集成到功率模塊）等組成。模塊間能協同工作，功率模塊并聯輸出。功率模塊、監控模塊、旁路模塊均可在線熱插拔，并應任意單一模塊的退出或接入不影響系統正常輸出。YD/T2165—2017《通信用模塊化交流不間斷電源》明確了對模塊化UPS的要求。例如：規定功率模塊容量包括10、20、25、30、40、50、100kVA；系統容量范圍為40~500kVA；功率模塊輸出電流不均衡度應不大于5%；系統應有至少2組可由功率模塊共用的電池組接口，并具有電池組智能管理功能等。45468.7.4雙母線供電系統

LBS：負載母線同步電路。STS：靜態轉換開關。在實際運行中，不僅要保證UPS輸出端的電源可靠性，更重要的是保證負載輸入端的電源可靠性。基于這種考慮，出現了分布冗余UPS，即雙母線UPS供電系統（又稱雙總線UPS供電系統），其目的是將電源系統的冗余擴展到每一個負載設備。478.8UPS的電氣性能指標

8.8.1通信用雙變換UPS的電氣性能指標見教材P260~2618.8.2若干指標的含義YD/T1095-2018《通信用交流不間斷電源（UPS

）》中所稱“在線式UPS”，宜稱為“雙變換UPS”（根據GB/T7260.3—2003）。48（1）輸出電壓穩壓精度

輸出電壓穩壓精度，是指UPS的輸入交流電壓在下限值和上限值之間變化，負載在額定電阻性負載和空載之間變化，輸出電壓偏離額定值的變化率。49（2）輸出電壓不平衡度

——三相電壓不平衡度?三相電壓不平衡度，可用4位半數字萬用表或交流電壓表（精度不低于1級）分別測試三個線電壓，按圖示畫法來計算。?圖中AB、BC、CA分別為所測三個線電壓，以CA為公共邊分別作兩個等邊三角形△OAC和△PAC，連接OB和PB，用幾何法求得OB和PB的長度，則三相電壓不平衡度為式中，Un為電壓的負序分量，Up為電壓的正序分量。?三相電壓不平衡度也可用電能質量分析儀測量。50（3）動態電壓瞬變范圍動態電壓瞬變范圍，是指UPS的交流輸入電壓不變，輸出接電阻性負載，用斷路器或接觸器使輸出電流由零突加至額定值、再由額定值突減至零時，以及輸出為額定電阻性負載不變，正常工作方式與電池逆變方式相互轉換時，輸出電壓瞬變值與輸出電壓額定值之比的百分數。輸出電壓瞬變值用存儲示波器測量。51（4）電壓瞬變恢復時間

電壓瞬變恢復時間，是指UPS接電阻性負載，分別在電流突加和突減時、正常工作方式與電池逆變方式相互