大功率通信用在线式不间断电源（UPS）测试技术研究与交流

［杨建华、郑泉、贾立鹏］

大功率通信用在线式不间断电源（UPS）测试技术研究与交流

［杨建华、郑泉、贾立鹏］

通过不间断电源（UPS）产品参数指标的测试，对采用不同整流器技术的几种不间断电源（UPS）产品，在技术参数、指标性能方面，进行比较、分析和探讨。提出工频整流器与高频整流器、一体化机与模块化UPS，各自的优缺点。本文为生产和研发不间断电源（UPS），提供技术参考和帮助。

不间断电源（UPS）整流器 逆变器 功率因数校正器（PFC）测试

杨建华

广东省科学技术研究院，高级工程师，1988年至今，在电信研究院工作，主要研究方向为通信电源产品认证测试、测试技术研究。

郑泉

东华理工大学，测控技术与仪器专业，本科学士，在广东省电信科学技术研究院艾特实验室，从事通信电源产品的认证测试工作。

贾立鹏

东华理工大学，测控技术与仪器专业，本科学士，在广东省电信科学技术研究院艾特实验室，从事通信电源产品的认证测试工作。

1 不间断电源（UPS）原理介绍

UPS的中文意思为“不间断电源”，是英文“Uninterruptible Power Supply”的缩写。从基本应用原理上讲，UPS是一种含有储能的装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备。主要有一个整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。

从功能上讲，不间断电源（UPS）在市电出现异常时，可以有效地净化市电；在市电突然中断时，可以持续一段时间给通信设备供电，使得有充裕的时间应付维修供电设施。

1.1 通信用在线式不间断电源（UPS）原理结构

UPS按工作原理，可分为后备式、在线式、互动式三大类。

上述三类UPS产品，在线式UPS应用范围广，技术性能完善、稳定性等，都优越于其他两个，能解决所有UPS电源问题，能够持续零中断地输出纯净的正弦波交流电，能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题。

其中，在线式UPS性能优点突显，在通信领域中，得到广泛使用。

图1 通信用在线式UPS原理结构图

1.2一体化不间断电源与模块化不间断电源的区别

从不间断电源（UPS）的结构形式，可分为一体化不间断电源和模块化不间断电源。

通信用一体化UPS测试执行的行业标准，是YD/ T1095-2008《通信用不间断电源-UPS》；模块化UPS测试执行的行业标准，是YD/T2165-2010《通信用模块化不间断电源》。

随着不间断电源（UPS）技术的发展，不间断电源（UPS）的容量越做越大，从以前的几kVA，到目前的200 kVA、300 kVA、400 kVA、500 kVA，甚至更大容量的不间断电源（UPS），在通信领域上应用。

2 大功率通信用在线式不间断电源（UPS）测试环境的搭建

2.1不间断电源（UPS）测试连接电路图

图2 测试连接电路框图

建设一个专业化强的电源检验测试室，必须有良好散热的测试场地，足够大的市电供电能力，完善地电能回收系统。实验室拥有齐全的、专业的测试用仪表设备等手段。

2.2 通信用在线式不间断电源（UPS）产品的关键指标要求、测试所涉及仪表设备

表1 按YD/T1095-2008标准的关键指标要求及测试用仪表设备一览表

表2 按照YD/T2165-2010标准的关键指标要求及测试用仪表设备一览表

3 大功率通信用在线式不间断电源（UPS）关键参数的测试、数据分析

影响UPS产品质量的关键，在于采用的整流器、逆变器、静态开关的技术和其他关键器件的质量。目前，UPS产品采用的整流器有6位脉冲、12位脉冲的工频整流器和IGBT整流器（高频整流器）。

影响UPS输入端技术参数的因素，主要是整流器和滤波器。其中，6脉冲、12脉冲的整流器，即SCR（晶闸管）整流器，为相控调制，输入功率因素较低，输入电流畸变较大。而IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）整流器可以通过控制其门极的驱动来控制IGBT的开通与关闭，开关频率高。通过调制，IGBT整流器可以保持输入电流与电压相位一致，且输入电流波形接近于正弦波，具有非常高的输入功率因数和非常低的输入电流谐波畸变。

3.1输入功率因数测试

输入功率因数定义公式：

功率因数（PF），输入有功功率（P），电压真有效值（URMS），电流真有效值（IRMS）。

在带上额定非线性负载时，6脉冲整流器的UPS输入功因，普遍指标在0.80～0.90范围；12脉冲整流器的UPS输入功因，普遍指标在0.90～0.95范围；IGBT整流器的UPS输入功因，指标可达到0.95～0.99范围。

模块化的UPS，采用集成化高的IGBT整流技术，产品的输入功率因数，指标都达到0.95以上。YD/T2165-2010标准的指标要求：在100%非线性负载时的输入功率因数应大于等于0.99，在50%非线性负载时的输入功率因数应大于等于0.95。

表3 大功率UPS的输入功率因数实测数据统计

3.2输入谐波测试（电压和电流谐波）

总谐波失真（THD）定义公式，可选择下列两种计算方法。

按IEC，公式如下：

按CSA，公式如下：

上两式中，C1：基波（1次谐波）有效值。

Ck：k次谐波有效值；k：谐波次数；n：最大谐波次数，n=50。

输入电流谐波产生的原因，6脉冲整流器的谐波，为5、7、9、11、。。。、6k±1各次谐波的总和；12脉冲整流器的谐波，为11、13、15、17、。。。、12k±1各次谐波的总和；所以，12脉冲整流器的输入谐波，要比6脉冲整流器的小很多。采用IGBT整流技术的输入谐波，比上述二者都小。

表4 大功率UPS输入谐波实测数据

表5 大功率UPS输入谐波实测数据（带输入滤波器）

谐波总含量：6脉冲整流器+5次滤波谐波总含量：≤20%；12脉冲整流器+11次滤波谐波总含量：≤15%；IGBT整流器谐波总含量：≤10%。

3.3 输出波形失真（输出电压谐波）

定义公式，跟输入谐波一样。只是测量端口放在输出端。

如图3所示，是用日本HIOKI公司，型号3196 电能质量分析仪，测量200kVA容量的UPS，测量数据。三相电压，U1的输出电压谐波（THD）2.7%，U2的输出电压谐波（THD）2.8%，U3的输出电压谐波（THD）2.7%。

图3 输出波形失真测试数据

3.4 输出稳压精度

输出稳压精度定义公式：

公式中，ua（b）为调节输入电压上限（或下限）时，测量出的输出电压；

u0为UPS的额定输出电压。

影响UPS输出稳压的因素，主要是源效应和负载效应。合格的UPS，输出稳压精度几乎都可达到≤±1%。

3.5输出电流峰值系数比

电流峰值系数比定义公式：

Icf为输出电流峰值系数比，IMax为输出电流峰值，波峰和波谷中较大的一个，IRms为输出电流有效值。

输出电流峰值系数比考核UPS的带载能力。输出电流峰值系数比值越大，UPS带载能力越强，耐负载波动性的能力越强。

图4是输出电流峰值系数比的实测数据。从C 4波形看出，输出电流的有效值（Rms）306.507A，峰值（Max）920A。输出电流峰值系数比达标（大于3:1）。测试中发现，如果没有大功率的、标准的非线性负载，容性与阻性比例不匹配的负载，输出功率因数很难达到0.8。从而，影响电流峰值系数比测量的数值。

图4 输出电流峰值系数比测试

3.6动态电压瞬变范围

在下列两种情况下，进行动态电压瞬变范围测试。第一种情况，UPS在正常工作方式时，输出接阻性负载，用断路器或接触器使输出电流由零突加至额定值，再由额定值突减至零。用存储示波器分别测量两次电流突变时的输出电压的瞬变值，与输出电压额定值之比；第二种情况，UPS在正常工作方式时，输出接阻性负载，用存储示波器分别测量UPS正常工作方式与电池逆变方式相互转换时输出电压的瞬变值，与输出电压额定值之比。

图5是用断路器使输出电流由零突加至额定值，再由额定值突减至零。用存储示波器分别测量两次电流突变时的输出电压的瞬变值，与输出电压额定值之比。动态电压瞬变范围测量结果优于1.3%。

图5 动态电压瞬变范围的测试

3.7切换时间

逆变转旁路的切换时间，模块化UPS的切换时间，普遍能达到＜1 ms；工频UPS的切换时间，能在≤3 ms范围内。标准要求≤4 ms范围内。

图6，300 kVA工频UPS的转换时间测试数据。转换时间为3.9 ms。

图6 逆变转旁路的切换时间测试

3.8噪音

UPS功率越大，散热风扇的噪声就越大。噪音小，UPS的能效比高，才能满足环保要求。测试结果显示，1 kVA～10 kVA 的工频UPS噪声在50 dB（A）以下；10 kVA～100 kVA 的工频UPS噪声在55 dB（A）以下；200 kVA～400 kVA 的工频UPS噪声在65 dB（A）以下。相比之下，高频机和模块化UPS，同等容量对应的噪声，比工频UPS的小。

3.9效率

UPS效率定义公式：

η为UPS效率，Pin为UPS输入有功功率，Po为UPS输出有功功率。

举例：一台容量400kAV的在线式UPS（采用工频整流技术的），用日本HIOKI公司的型号3196 电能质量分析仪进行测试，测量数据：（1）100%阻性负载下，Pin=395.2 kW，Po=360 kW，算出UPS效率为91.1%；（2）50%阻性负载下，Pin=198.9 kW，Po=180 kW，算出UPS效率为90.5%。

另一台容量500 kAV的在线式UPS（采用高频整流技术的），用日本HIOKI公司的型号3196 电能质量分析仪进行测试，测量数据：（1）100%阻性负载下，Pin=421.9 kW，Po=400 kW，算出UPS效率为94.8%；（2）50%阻性负载下，Pin=209.9 kW，Po=200 kW，算出UPS效率为95.3%。

高频在线式UPS的效率，普遍比工频在线式UPS的效率高。

4 功率因数校正器（PFC）介绍

前面提过，UPS输入端采用有效的滤波技术，可以降低输入谐波含量。

PFC（Power Factor Corrector），是功率因数校正器。它可以在交流转换为直流时提高电源对市电的利用率，减小转换过程的电能损耗，达到节能的目的。此外，PFC还能减少电源对市电电网的干扰，尤其是避免它在突然启动时对其他电器的影响。

大功率UPS，采用主动式PFC。主动式PFC电路，由电感线圈配合IC控制芯片组成。PFC电路可以提高UPS的功率因数（高达0.99）；优良的电路设计，PFC能适应更高的输入电压范围。PFC可以使电流电压实现同相位，从而，提高输入功率因数，减少电流谐波分量。

图7 PFC控制电路

5 小结

通信用在线式UPS，从工频整流技术，发展到高频整流技术，产品技术不断地改革和提升。工频UPS特点，带载适应性强，适用于各种不同情况的负载；缺点，效率不高（能效比不高）。高频UPS特点，采用集成电路技术，体积小、能效高，维护方便，适用于现在的大数据处理中心和大型服务器的供电。

随着整流、逆变技术的不断提高，UPS越来越多采用有功率因数校正的IGBT整流、IGBT逆变功率组件，数字信号处理技术DSP（Digital Signal Processing）应用到UPS里。从而，使得UPS产品越来越臻至完美。目前，很多技术含量高的UPS的关键器件，例如集成化程度高的IGBT和PFC（功率因数校正器）器件，主要在技术发达的欧美国家研制生产。

1IEC 61850-2：术语

2申忠如、郭福田、丁晖，《电气测量技术》，科学出版社，2003年1月1日

3YD/T1095-2008《通信用不间断电源-UPS》

4YD/T2165-2010《通信用模块化不间断电源》

5杨建华，电源模块输出效率测量不确定度评估，广东通信技术，2010年01期

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.018

（2016-10-12）