信息通信系统中交流不间断电源的技术应用探讨

1 交流不间断电源应用概况

在早期的信息通信系统中，通信设备的不间断供电主要由高频开关电源来实现，也就是说，通信设备采用的是直流供电模式。采用直流供电模式，理论上来说，可以起到提高通信质量的作用。早期的通信设备功率较小，一台交换机机柜的功率一般只有几百瓦，一个交换局即使有100台机柜，总功率也只有几十kW，采用1套-48 V的直流电源来供电可以满足要求。采用直流供电系统的另一个优点是，蓄电池组与直流配电的输出端可以直接并联，输出至通信设备，这使得直流电源系统的供电可靠性相对较高。

为了满足业务开展的需要，运营商配套建设了很多IT系统，如计费账务系统，经营分析系统等，这些系统以服务器、计算机终端为主，设备采用交流供电。另一方面，随着信息通信技术的不断发展，数据通信业务迅猛增长，数据通信系统以路由器和IP交换机为核心，这些设备也是采用交流供电。

近十几年来，互联网数据中心（IDC）从无到有，尤其是近几年，随着网络视频、电子商务、网络游戏等业务的快速发展，IDC业务的市场高速发展，数据显示，2019年，中国IDC业务的市场规模已经达到了1 562.5亿元人民币，比上年增长27.2%，预计到2022年，市场规模将超过3 200亿元[1]。对通信运营商来说，随着通信网络的IP化，运营商的网络资源部署正从区域分层组网转向以数据中心为核心的组网，大量传统的电话端局机房也在向数据中心转型重构，数据中心将是信息通信网络的主要组成部分。数据中心内以大量的服务器机柜为主，服务器采用交流供电。而要实现交流不间断供电，就必须采用交流不间断电源（UPS）。

由上面的分析可知，随着信息通信网络技术的不断演进，网络中的交流用电设备将不断增多，交流不间断的供电模式将应用得越来越多，且越来越重要。

本文将从实际应用出发，介绍交流不间断电源（UPS）的分类，探讨信息通信系统中UPS的类型选择，针对UPS的各种运行方式，探讨最适合信息通信系统使用的运行方式，并对后备蓄电池的容量配置提出建议，最后对UPS的技术发展趋势进行了展望。

2 UPS的分类与选择

UPS的分类方式有很多种，可以按照安装方式、输入输出相数、拓扑结构、整流方式等进行分类。

按照UPS的安装方式，UPS可以分为塔式UPS和机架式UPS。所谓塔式UPS就是指UPS设备外形为独立的设备机柜，安放于机房地面上；而机架式UPS是指UPS设备安装于19英寸标准机柜内，通过导轨固定。塔式UPS由于外形几乎不受限制，容量范围很宽，一般为1 kVA～600 kVA，甚至有的厂商单机UPS容量可大于1 000 kVA。而机架式UPS由于受标准机柜尺寸和承重的限制，一般不大于30 kVA。

按照UPS的输入输出方式，UPS可以分为单进单出型UPS、三进单出型UPS、三进三出型UPS，单进单出型UPS是指UPS的输入和输出均为单相交流电，主要为小功率UPS，输出功率范围一般为1 kVA～10 kVA；三进单出型UPS是指UPS的输入为三相交流电，输出为单相交流电，输出功率范围一般为5 kVA～30 kVA；三进三出型UPS是指UPS的输入和输出均为三相交流电，输出功率范围一般为10 kVA以上。

按照UPS的拓扑结构，UPS可以分为后备式UPS、在线互动式UPS和双变换式UPS[2]。后备式UPS主要由充电器、逆变器和自动转换开关构成，后备式UPS的输出功率一般较小，一般在2 kVA以下；在线互动式UPS主要包括一个双向变换器和一个交流电源接口，输出功率一般也不大，一般在10 kVA以下；双变换式UPS一般包括整流器、逆变器、静态转换开关等，容量范围很宽，大、中容量的UPS均为双变换式UPS。以上三种UPS，只有双变换式UPS的可靠性、稳定性、供电质量、切换时间等可以满足信息通信设备的要求，因此，在信息通信系统中，一般均采用双变换式UPS。

对于双变换式UPS，按照整流方式又可以分为可控硅整流型UPS和IGBT整流型UPS，相对于可控硅整流型UPS，IGBT整流型UPS体积相对较小，重量较轻，转换效率更高，因此在信息通信系统中，IGBT整流型UPS已经成为了主流应用类型。

目前在业界通常将可控硅整流型UPS称为工频UPS，IGBT整流型UPS称为高频UPS，需要指出的是，这仅仅是一个通俗的市场化称呼，而无论是在国际标准、国家标准，还是在行业标准中，均没有工频机和高频机的定义。

可控硅整流型UPS由于是一种降压整流方式，因此一般来说需要在输出前配置输出隔离变压器进行升压。但是，这也不是绝对的，笔者曾经见过可控硅整流型UPS不带输出隔离变压器的产品，这种UPS在整流器后面增加了Boost升压电路，从而在逆变器后端不再需要配置输出隔离变压器来进行升压。

IGBT整流型UPS的整流器由于采用的是IGBT整流器，其输出直流电压可以根据需要调节高低，直流输出电压可达800 V，因此逆变器后端无需再配置输出隔离变压器即可以满足输出电压的要求。但是，市场上也有带输出隔离变压器的IGBT整流型UPS，原因是IGBT整流器的直流输出电压不够高，或者是希望通过增加隔离变压器来隔离后端负载的冲击。

近年来，模块化UPS得到广泛的应用，模块化UPS是由若干台功率模块组成，有的还带有集中的旁路装置、充电装置。本质上来说，其内部的每台功率模块均相当于1台独立的IGBT整流型UPS。模块化UPS由于功率模块可以热插拔，其系统可用性和可维护性理应得到较大的提升，但是，当系统内的功率模块数量较多时，如何控制环流、如何使各功率模块协调一致地工作，就非常考验制造商的生产工艺水平和技术研发水平了，根据当前技术发展水平，建议一套模块化UPS系统内并联的功率模块数量不宜大于10个。另外，单个功率模块的容量也不应过大，否则，单个模块的体积和重量过大，将降低其可维护性，根据当前市场的功率密度技术发展水平，单台功率模块的容量应不大于50 kVA。

3 UPS的运行方式和选择

在信息通信系统中，由于用电设备重要性高，因此，它要求供电电源能实现不间断供电。而交流不间断电源虽然内部配置了蓄电池，但由于蓄电池并联在UPS内部的直流总线上，当市电故障停电时，蓄电池必须要通过逆变器才能输出给负载使用，这就使得逆变器成为了一个单点故障点。

通过UPS的冗余备份，可以提升供电可靠性。冗余备份的方式有很多种，早期的串联热备份，虽然提升了可靠性，但并不能消除单点故障点，因此实际应用中已经很少采用。在并联冗余方式中，有并联热备份冗余和并联功率均分冗余。并联热备份冗余方式在故障切换时电流冲击较大，备份单机需要快速地转入带载运行，各单机的老化程度也很难同步，因此，并联热备份已经应用很少，而并联功率均分冗余很好地避免了这些缺点，N+1并联冗余的UPS供电系统图如图1所示，其中，N是指基本需求，1为备份。图中的虚线是指组成并机系统的N+1台单机需要并机同步输出。

图1 N+1并联冗余UPS供电系统

并联功率均分冗余的难点在于组成并机系统的各台单机UPS间的环流抑制问题和负载均分问题，在实践中，这很难得到完美的解决。另一方面，当发生过载切换时，各台UPS的静态切换开关的动作一致性也将决定系统能否顺利切换。因此，N+1并机冗余UPS系统宕机事故也时有发生。

从上面的分析可以知道，由于组成并机UPS系统的各台单机UPS系统相互关联，导致并机UPS系统也无法保证高可靠性，那能否采用完全独立的两套UPS系统来给负载供电呢？答案是肯定的，这就是双总线供电方式。

UPS的双总线供电方式有两种，分别为2N双总线和2（N+1）双总线。

2N双总线UPS供电系统图如图2所示，图中包括上下两条UPS总线，每条总线是指一套并机UPS系统，内含N台UPS单机。两条总线相互独立，互为备份，当其中1套UPS系统发生故障时，不会影响负载的正常运行。因此，UPS系统的冗余量为系统总容量的二分之一。

图2 2N双总线UPS供电系统图

2(N+1)双总线UPS供电系统图与2N双总线类似，区别在于单条总线上有N+1台UPS单机并联冗余运行。

从用电设备的角度来考虑，只要其两路电源来自于不同的UPS供电系统，其供电可靠性就有保障。从这个角度出发，除了双总线方式外，实践中还有分布式冗余（DR）供电方式和后备式冗余（RR）供电方式。

分布式冗余（DR）UPS供电系统图如图3所示，它是由3套独立的UPS系统组成，互为备份。当其中1套UPS系统发生故障时，不会影响负载的正常运行。因此，UPS系统的冗余量为系统总容量的三分之一。

后备式冗余（RR）UPS供电系统图如图4所示，它采用了一套UPS系统为其它若干套UPS系统提供公共备份。任何一套UPS系统发生故障，不会影响负载的正常运行。

图3 分布式冗余（DR）UPS供电系统

图4 后备式冗余（RR）UPS供电系统图

以上几种常见的UPS系统冗余方式的对比，如表1所示。

由于2(N+1)双总线冗余方式投资很高，很少采用。而DR和RR双总线冗余方式由于系统较为复杂，不利于现场人员的操作和维护，也不建议采用。

因此，对于重要的信息通信机房，UPS供电系统建议采用2N双总线冗余方式。

还要指出的是，2N双总线包括两种，一种带同步控制器，另一种不带同步控制器、完全独立[3]。通常建议采用不带同步控制器，完全独立的2N双总线冗余方式。

4 后备蓄电池组的配置

在信息通信系统中，按照国家标准GB 50174-2017《数据中心设计规范》的要求，A类数据中心的交流不间断电源应配置备用时间15分钟的蓄电池组[4]。在工程实践中，该配置一般以单套UPS的满载容量来配置。A类数据中心一般采用2N双总线供电方式,根据表1可知，正常工作情况下，最大负荷率为40%，因此，后备蓄电池的实际放电时间将远远大于15分钟。下面举例说明：

某数据中心的服务器机柜采用2N双总线供电方式，每条总线为3台500 kVA的高频UPS并联运行；每台UPS单独配置蓄电池，蓄电池按单机满载后备时间15分钟配置。假设UPS的蓄电池标称电压为480 V，输出功率因数为0.9，逆变器效率为0.95，2 V蓄电池放电终止电压为1.67 V，某厂商蓄电池的恒功率放电数据如表2所示。

表1 常见UPS系统冗余方式对比表

表2 某厂商2V蓄电池恒功率放电表（放电至1.67 V)（W）

经过配置计算可知，每台500 kVA的单机UPS需要配置1组GFM 800蓄电池，含240只2V蓄电池，6台UPS一共配置了1 440只蓄电池。在实际运行中，UPS运行的负荷率不超过80%，即最大的总负荷为1 200 kVA，且为6台UPS共同分担，此时，经过计算，并经插值法可确定，整套系统的蓄电池实际后备时间约为76分钟。

由此可见，当按照单机满载后备时间15分钟来配置蓄电池时，其实际工作时的后备时间将远远超过15分钟，原因主要有如下两个：

（1）设计配置时考虑了单条总线故障，此时只有一半的蓄电池可以正常放电。

（2）单条总线故障时，UPS运行的最大负荷率不超过额定容量的80%。

单条总线发生故障，同时市电发生故障，两者同时发生的概率较小，建议在实际工程设计中，可以根据正常工作情况下的最大负荷对蓄电池组进行容量配置，这样可以节约工程投资，降低机房面积和承重的要求。

5 UPS的技术发展趋势

在信息通信系统中，供电电源起着非常重要的作用。高可靠性、高效率、高功率密度、高可维护性是供电电源的永恒追求，UPS也不例外。用户的这些需求推动着UPS技术的发展，而要满足这些需求，UPS技术已经在朝着下面趋势进行发展：

（1）高频化。随着功率器件开关频率的提高，设备体积可以显著减小，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善，目前，开关频率已经上升到MHz以上。

（2）小型化。小型化可以节约机房空间。几年前，400 kVA的主流UPS主机尺寸约为2 400 mm*1 100 mm*2 000 mm左右（长*宽*高），现在体积已经降低了一半以上，部分厂商的体积降为了原来的35%左右。

（3）模块化。模块化UPS内的功率模块可热插拔，这使得可维护性大大提高，模块化还可以降低初始投资，系统的实际负荷率也能提高，而较高的负荷率可以大大提高系统运行的实际效率。

（4）智能化。UPS系统的运行更加智能，对系统内部的参数监控更加全面，设备的人工界面也更加友好，这些都使UPS的可靠性和可维护性得到提升。

6 结论

从上文的分析可知，我们可以得出如下结论：

（1）信息通信网络中的交流用电设备将越来越多，交流不间断电源的应用日趋普遍和重要。

（2）信息通信网络中，交流不间断电源应主要选择IGBT整流型UPS（含模块化UPS）。

（3）模块化UPS内的功率模块数宜不大于10个，单个功率模块的容量应不大于50 kVA。

（4）重要的信息通信系统，UPS的运行方式宜选择2N独立双总线冗余方式。

（5）后备蓄电池组容量宜按照正常运行情况下的最大实际负荷进行配置。

（6）UPS的永恒发展目标是高可靠性、高效率、高功率密度、高可维护性，技术发展趋势是高频化、小型化、模块化、智能化。