引言：
近幾十年來(lái)，我國(guó)通信業(yè)發(fā)展迅速,覆蓋了全國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)，已經(jīng)成為人們現(xiàn)代生活密不可分的重要組成部分。電源作為通信網(wǎng)絡(luò)的“心臟”，對(duì)保障通信網(wǎng)絡(luò)的安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。
1通信電源的三級(jí)劃分
電源系統(tǒng)可靠性是確保通信系統(tǒng)正常運(yùn)行的首要條件，為了確保可靠的供電，由交流電源供電的通信設(shè)備需要采用交流不間斷電源（UPS）。某些通信設(shè)備對(duì)交流電源的電壓和頻率指標(biāo)要求很高，也需要由交流不間斷電源（UPS）供電。通信電源可以分為三級(jí)，第一級(jí)電源為交流基礎(chǔ)電源，保證能源供給，但不能保證不間斷。直流電源和交流不間斷電源（UPS）為第二級(jí)電源，主要保證不間斷供電。第三級(jí)電源為二次電源，主要提供通信設(shè)備內(nèi)部各種不同交、直流電壓的要求。
綜上可知，在通信電源系統(tǒng)中引入U(xiǎn)PS是為了以?xún)?yōu)良的供電質(zhì)量向負(fù)載連續(xù)供電，從而提高供電系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量。因此，UPS的性能優(yōu)劣及其可靠性就顯得十分重要。
2通信用UPS電特性要求
通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通信用UPS的電氣性能技術(shù)要求如表1所示：
在實(shí)際設(shè)計(jì)和配置UPS時(shí)，可根據(jù)負(fù)載特性、電網(wǎng)以及對(duì)UPS的具體要求，來(lái)確定選擇側(cè)重的電氣性能指標(biāo)。
3典型UPS的組成及特點(diǎn)
UPS的較早形式由整流器、電池、直流電動(dòng)機(jī)、柴（汽）油機(jī)、飛輪和發(fā)電機(jī)組成，飛輪為儲(chǔ)能裝置，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)式UPS。其維護(hù)簡(jiǎn)單，比較穩(wěn)定，但系統(tǒng)龐大，操作不便，效率低，噪聲大，電力品質(zhì)不高。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，動(dòng)態(tài)式UPS逐漸被蓄電池做儲(chǔ)能裝置的UPS所取代，稱(chēng)為靜態(tài)式UPS，因其具有一系列優(yōu)點(diǎn)而成為主流，由整流器、充電器、蓄電池、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)和手動(dòng)維修旁路開(kāi)關(guān)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
根據(jù)運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)不同，可以分為后備式UPS、互動(dòng)式UPS、雙變換式UPS、Delta變換式UPS等四種類(lèi)型。
3.1 后備式UPS后備式UPS對(duì)市電進(jìn)行簡(jiǎn)單的升降壓及濾波處理后直接供給負(fù)載，當(dāng)輸入電源不符合要求時(shí)才由電池供電，絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)負(fù)載使用的是市電或經(jīng)簡(jiǎn)單處理后給負(fù)載供電。具有成本低、部件少、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但市電/電池供電轉(zhuǎn)換時(shí)間約4～10ms，輸出精度低、輸出波形差、輸出波形為方波，適用于單臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的斷電保護(hù)。
3.2 互動(dòng)式UPS互動(dòng)式UPS，當(dāng)市電正常時(shí)，供給負(fù)載為改良了的市電；市電故障時(shí)，負(fù)載完全由電池逆變供電。雙向變換器既可當(dāng)逆變器，又可作為充電器給蓄電池供電。市電正常時(shí)逆變器處于熱備份狀態(tài)而作為充電器給電池充電，故又稱(chēng)為在線(xiàn)互動(dòng)式UPS，此時(shí)其工作效率可達(dá)98%以上。具有輸出能力強(qiáng)，不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾等優(yōu)點(diǎn)。但輸出電壓精度和穩(wěn)定度比較差，能滿(mǎn)足一般負(fù)載的供電要求。
3.3 雙變換式UPS雙變換式UPS的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，這是10kVA以上功率范圍的電源最常用的UPS類(lèi)型。不管有無(wú)市電，負(fù)載的全部功率都由DC/AC逆變器提供，能夠保證高質(zhì)量的電源輸出。市電掉電時(shí)，輸出電壓不受任何影響，沒(méi)有轉(zhuǎn)換時(shí)間，具備典型的在線(xiàn)式UPS功能。能夠徹底解決市電停電、電壓波動(dòng)、頻率不穩(wěn)、波形失真及電壓干擾等所有輸入電源的問(wèn)題。可以作為通信局（站）或者關(guān)鍵性負(fù)載的首選電源。
由于負(fù)載功率100%都由逆變器負(fù)擔(dān)，因而UPS的輸出能力不理想，對(duì)負(fù)載提出限制條件。而且，其可控輸入整流器決定了UPS輸入功率因數(shù)低，無(wú)功損耗大，輸入電流諧波成分大于30%，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的污染。
3.4 Delta變換式UPSDelta變換式UPS把電網(wǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)中的串并聯(lián)有源濾波技術(shù)應(yīng)用到了UPS電路結(jié)構(gòu)中，適用于功率范圍5kVA到的應(yīng)用領(lǐng)域。它始終由逆變器提供負(fù)載電壓，故有高性能輸出特點(diǎn)。而且，Delta變換器也向逆變器輸出供電，克服了雙變換式UPS對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染和輸出能力差的固有缺點(diǎn)。
其優(yōu)點(diǎn)在于過(guò)載能力、輸出電流峰值系數(shù)、輸出功率因數(shù)等都得到了提高。但是，當(dāng)市電存在時(shí)，Delta變換器承擔(dān)的最大有功功率為額定的20%左右，而兩個(gè)變換器承擔(dān)的無(wú)功功率可能為輸出功率的1倍。效率是個(gè)可變量，只有市電輸入為額定值，負(fù)載為線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，效率才達(dá)到最高值。當(dāng)輸入停電甚至出現(xiàn)短路時(shí)，Delta變換器將進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，若保護(hù)失效，則故障將是毀滅性的。事實(shí)上，電網(wǎng)停電或短路時(shí)有發(fā)生，相比之下，雙變換式卻不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象。
4通信用UPS的設(shè)計(jì)
綜合上述各種結(jié)構(gòu)UPS性能的優(yōu)劣，結(jié)合應(yīng)用實(shí)際。我國(guó)通信用UPS幾乎全部為雙變換結(jié)構(gòu)，為保證系統(tǒng)可用度，通常采用多個(gè)雙變換單機(jī)UPS組成適當(dāng)?shù)娜哂唷Ｔ谕ㄐ烹娫聪到y(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)UPS系統(tǒng)時(shí)主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：前級(jí)供電系統(tǒng)、UPS容量計(jì)算、冗余配置等。
4.1 前級(jí)供電系統(tǒng)UPS向負(fù)載提供電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、波形失真度小的高質(zhì)量電源，且保證實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷供電，其前級(jí)供電質(zhì)量很重要。
前級(jí)供電系統(tǒng)電源電壓及頻率要穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)，通常大容量UPS主機(jī)輸入電壓范圍為380V±15%。電壓過(guò)低將使UPS后備蓄電池頻繁放電，縮短蓄電池的使用壽命。電壓過(guò)高則容易引起逆變器損壞。而且如果前級(jí)電壓變化范圍過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致逆變器和旁路電源之間的切換被禁止或有間斷。
在UPS供電系統(tǒng)中不應(yīng)帶有其他頻繁啟動(dòng)的負(fù)載，否則其開(kāi)、閉會(huì)出現(xiàn)瞬間高電壓或低電壓，導(dǎo)致供電線(xiàn)路上電壓波形失真過(guò)大，造成UPS市電旁路供電與逆變器供電轉(zhuǎn)換控制電路誤動(dòng)作，進(jìn)而引起同步控制電路故障。
大多數(shù)通信用UPS都備有發(fā)電機(jī)組，以解決較長(zhǎng)時(shí)間停電時(shí)的供電問(wèn)題。在配置發(fā)電機(jī)組時(shí)，其容量不低于UPS額定輸出功率的1.5~2倍，以保證發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率正常，并改善其波形失真度。
4.2 UPS容量的計(jì)算通常UPS的容量首先要滿(mǎn)足當(dāng)前負(fù)載的需要，同時(shí)也要考慮負(fù)載性質(zhì)對(duì)UPS輸出功率的影響。UPS電源實(shí)際可帶負(fù)載量受負(fù)載功率因數(shù)的直接影響，對(duì)不同的負(fù)載功率因數(shù)要進(jìn)行功率折算，UPS容量不宜過(guò)大或過(guò)小，還應(yīng)考慮擴(kuò)容的需要。
在計(jì)算UPS容量時(shí)，所有共用1臺(tái)UPS的用電設(shè)備額定功率總和即為總負(fù)載功率P。UPS的最佳運(yùn)行負(fù)載裕量百分值稱(chēng)為裕度，一般裕度m的值取20%為宜。考慮到通信行業(yè)的特點(diǎn)，功率因數(shù)PF取為0.9~。則可以根據(jù)負(fù)載大小來(lái)確定UPS的容量S。
S=
式中：——UPS容量（kVA）；
P——負(fù)載有功功率（kW）；
PF——負(fù)載功率因數(shù)；
m——裕度。
如果以PF取為0.9~，m為0.2，則S=（1.3~1.4）P。可見(jiàn)，在確定UPS容量時(shí)，應(yīng)按照所有負(fù)載功率總和的1.3~1.4倍來(lái)設(shè)計(jì)。
4.3 UPS冗余配置方式提高UPS系統(tǒng)可用性問(wèn)題的根本辦法是采用多個(gè)雙變換單機(jī)UPS組成冗余。UPS冗余主要有并聯(lián)冗余、備用冗余、主—從串聯(lián)冗余和分布冗余等幾種形式。
并聯(lián)冗余UPS由兩個(gè)或多個(gè)單機(jī)UPS組成，各單機(jī)UPS的輸出并聯(lián)到一個(gè)公共的配電系統(tǒng)。系統(tǒng)一般按照個(gè)單機(jī)UPS配置，其中個(gè)單機(jī)就足以滿(mǎn)足系統(tǒng)的全部負(fù)載用電，再增加一個(gè)作為備用。
備用冗余UPS的兩個(gè)UPS中有一個(gè)是主用，另一個(gè)是備用。正常時(shí)兩UPS同步運(yùn)行，只有主用UPS為負(fù)載供電，備用UPS空載運(yùn)行。當(dāng)主用UPS故障時(shí)，轉(zhuǎn)換為備用UPS供電，故障的主用UPS與負(fù)載斷開(kāi)。其控制電路簡(jiǎn)單，但主用UPS向備用UPS轉(zhuǎn)換時(shí)，備用UPS要承受100%額定階躍負(fù)載，故對(duì)逆變器的動(dòng)態(tài)性能要求較高。
主—從串聯(lián)冗余UPS由兩個(gè)單機(jī)UPS按照串聯(lián)方式連接，一個(gè)是主UPS1，另一個(gè)是冗余UPS2。冗余UPS2的輸出直接與主UPS1的旁路輸入端連接。當(dāng)主UPS或冗余UPS需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，負(fù)載可由另一臺(tái)UPS供電，此時(shí)負(fù)載仍可與市電電源和各種干擾隔離。
在實(shí)際運(yùn)用中，UPS輸出端至負(fù)載之間的配電電路往往產(chǎn)生故障。為了既保證UPS輸出端的電源可靠，又保證負(fù)載輸入端的電源可靠，設(shè)計(jì)了分布冗余UPS。其目的是將電源系統(tǒng)的冗余擴(kuò)展到每一個(gè)負(fù)載設(shè)備，使電源系統(tǒng)的冗余盡可能接近負(fù)載設(shè)備的輸入端。它有兩個(gè)獨(dú)立的UPS，每個(gè)獨(dú)立的UPS都能為全部重要負(fù)載供電，構(gòu)成雙母線(xiàn)供電系統(tǒng)。每個(gè)UPS系統(tǒng)的輸出功率總?cè)萘慷即笥诨虻扔谙到y(tǒng)負(fù)載總?cè)萘俊Ｍㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)呐潆婋娐罚梢詾閱坞娫摧斎牒碗p電源輸入的各種負(fù)載設(shè)備供電。分布冗余除了提高系統(tǒng)的可靠性外，還可使系統(tǒng)在線(xiàn)維護(hù)和擴(kuò)容升級(jí)變得容易。
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