UPS是一種利用電池化學能作為后備能量，在市電斷電或發生異常等電網故障時，不間斷地為用戶設備提供(交流)電能的一種能量轉換裝置，正式名稱為不間斷供電系統(UninterruptiblePower System)。UPS的設計和選型對于數據中心供電系統的建設具有核心的意義。

　　1. UPS分類及定義

　　根據中華人民共和國國家標準《不間斷電源設備第3部分：確定性能的方法和試驗要求》GB 07260—2003的附錄B定義，將UPS運行分為：雙變換運行、互動運行、后備運行等三類運行方式，即UPS行業廣為熟悉的雙變換UPS、互動UPS、后備UPS等三種。我國的國標GB 7260等同國際電聯標準IEC62040 UninterruptiblePower System(UPS)，也等同歐洲標準EN 62040-2001。

　　(1).雙變換UPS國標GB 07260—2003定義為“在正常運行方式下，由整流器/逆變器組合連續地向負載供電。當交流輸入供電超出了UPS預定允差，UPS單元轉入儲能供電運行方式，由蓄電池/ 逆變器組合在儲能供電時間內，或者在交流輸入電源恢復到UPS設計的允差之前(按兩者之較短時間)，連續向負載供電”。同時國標強調，避免使用“在線”一詞，防止定義混淆，而只使用術語“雙變換”。

　　(2).互動UPS國標GB 07260—2003定義為：“在正常運行方式下，由合適的電源通過并聯的交流輸入和UPS逆變器向負載供電。”國標GB 07260—2003特別強調：“逆變器或者電源接口的操作是為了調節輸出電壓和/或給蓄電池充電;UPS輸出頻率取決于交流輸入頻率。”

　　(3).后備UPS國標GB 07260—2003定義為：在正常運行方式下，負載由交流輸入電源的主電源經由UPS開關供電。可能需結合附加設備(例如鐵磁諧振變壓器或者自動抽頭切換變壓器)對供電進行調節。這種UPS通常稱為“離線UPS”。

　　2.三種類型UPS原理及特點

　　(1).后備式UPS：如國標、IEC、EN等標準所言，后備式UPS電源的功率變換主回路的構成比較簡單。市電正常時，UPS一方面通過濾波電路向用電設備供電，另一方面通過充電回路給后備電池充電。當電池充滿時，充電回路停止工作，在這種情況下，UPS的逆變電路不工作。當市電發生故障，逆變電路開始工作，后備電池放電，在一定時間內維持UPS的輸出。主要由充電器，逆變器，輸出轉換開關和自動電壓調壓等部分構成。

　　DC-AC逆變器：市電存在時，逆變器不工作;市電掉電時，由它將直流電壓(電池供給)變成符合負載要求的交流電壓，電壓波形有方波、準方波、正弦波三種形式。

　　輸出轉換開關：市電存在時，接通輸入電源向負載供電;市電掉電時，斷開電網，接通逆變器，繼續向負載供電。

　　自動電壓調壓：實質上是一個變壓器裝置，可自動進行升壓和降壓的設置。因此可以拓寬UPS在市電狀態下的工作范圍，通常以可選件的形式存在。

　　后備式UPS的性能特點：

　　1)當市電正常且輸出帶載時，效率高可達98%以上;

　　2)當市電正常且輸出帶載時，輸入功率因數和輸入電流諧波取決于負載電流;

　　3)當市電存在時，輸出電壓穩定精度差，但能滿足負載要求;

　　4)市電掉電時，輸出有轉換時間，一般可做到4-10ms左右，足以滿足普通負載要求;但對于服務器等用電設備存在一定的風險;

　　5)市電掉電時，后備時間一般不長(一般為分鐘級別);

　　6)無論市電工況還是電池工況，整機抗干擾能力較差;

　　7)電路簡單，成本低，可靠性高;

　　8)由于輸出有轉換開關，受切換電流能力和動作時間的限制，UPS輸出功率做大有一定困難，當前面市的后備式UPS多在2KVA以下。

　　(2).互動式UPS：雙向變換器式UPS 市電正常，交流電通過工頻變壓器直接輸送給負載;當市電超出上述范圍，在150-276V 之間時，UPS通過邏輯控制，驅動繼電器動作，使工頻變壓器抽頭升壓或降壓，然后向負載供電。若市電低于150V或高于276V，UPS將啟動逆變器工作，由電池逆變向負載供電。在市電在150-276V之間時，身兼充電器/逆變器的變換器同時還給電池充電，處于熱備份狀態，一旦市電異常，馬上就轉換為逆變狀態，為負載供電。

　　雙向變換器式UPS與后備式UPS的區別是“雙向變換器”：當市電存在時，“雙向變換器”的工作狀態是AC- DC，給電池充電并浮充;市電掉電后，其工作狀態為DC-AC，由電池供電，保持UPS繼續向負載供電。變換器時刻處于熱備份狀態，市電/逆變切換時間比后備式要短，同時兼顧了對電池充電的功能，提高了后備式UPS的功率容量，減小了市電掉電時的轉換時間，提高了對輸出電壓的濾波作用。

　　雙向變換器式UPS性能特點是：

　　1)當市電正常時，效率高，可達98%以上;

　　2)當市電存在時，輸入功率因數和輸入電流諧波成份取決于負載電流;

　　3)市電掉電時，因為輸入開關存在開斷時間，至使UPS輸出仍有轉換時間，但比后備式要小;

　　4)市電存在時，輸出電壓穩定精度差;

　　5)市電存在時，因為逆變器直接接在輸出端，并且處在熱備份狀況，對輸出電壓尖峰干擾有濾波作用;

　　6)充電器/逆變器共用使電路更簡單，成本低，可靠性高;

　　7)逆變器同時有充電功能，省掉了后備式UPS的附加充電器，其充電能力要比附加充電器強的多，當要求長延時供電時，無須再增加機外充電設備;

　　此外，業界還有一種設計十分獨特的UPS，把交流穩壓技術中的電壓補償原理用到了UPS的主電路中，一般稱之為Dalta變換式UPS。Dalta變換式UPSDeltaUPS 實際相當于一臺串聯調控型的交流穩壓電源，它的主要功能是對市電進行穩壓處理，將原來不穩定普通市電電源變成電壓穩壓精度為380V+/-1%的交流穩壓電源。其控制原理與利用―伺服電機‖來調節碳刷的位置來進行―電壓補償‖的―全自動補償方式‖交流穩壓電源的控制原理相同。其重大改進是采用高頻脈寬調制技術和利用雙向能量傳遞特性的―四象限‖變換器(Detla 變換器和主輸出變換器)來取代易于產生機械磨損的伺服電機和碳刷調節系統。

　　Delta逆變器(圖中逆變器/充電器)：

　　它是一組DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的輸出變壓器(高頻)的副邊串聯在UPS主電路中，其功能有三個：

　　1)對UPS輸入端進行輸入功率因數補償，并抑制輸入電流諧波;

　　2)與主逆變器一起，完成對輸入電壓的補償，當輸入電壓高于輸出電壓額定值時，Delta 逆變器吸收功率，反極性補償輸入輸出電壓的差值，當輸入電壓低于輸出電壓額定值時，Delta逆變器輸出功率，正極性補償輸入輸出電壓的差值;

　　3)與主逆變器一起完成對電池的充電和浮充功能。

　　主逆變器：

　　該逆變器同樣是DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的功能有四個：

　　1)同Delta逆變器一起，完成對輸入輸出電壓差值的補償;

　　2)同Delta逆變器一起完成對電池的充電和電壓浮充功能;

　　3)隨時監測輸出電壓，保證輸出電壓的穩定，對輸出電壓波形失真和輸出電流諧波成份進行補償，使其不對電網產生影響;

　　4)當市電掉電時，全部輸出功率由主逆變器給出，并且保證輸出電壓不間斷，轉換時間為零。

　　Dalta變換式UPS的性能特點如下：

　　1)因為主逆變器隨時監視控制輸出電壓，并通過Delta逆變器參與主回路電壓的調整，所以不管市電有無，都可以向負載提供高質量的電源，主要電氣指標在穩態時比較好;

　　2)市電掉電時，輸出電壓不受響應，沒有轉換時間。并且，當負載電流發生畸變時，也由主逆變器調整補償掉;

　　3)當市電存在時，Delta逆變器和主逆變器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進行調整和補償，逆變器承擔的最大功率(當輸入電壓處于上限和下限時)僅為輸出功率的20%(相當于輸入電壓變化范圍)，所以功率強度很小(1/5)，功率余量大，這就大大增強了UPS 的輸出能力;

　　4)Delta逆變器同時完成了對輸入端的功率因數校正功能，使輸入功率因數等于1，輸入諧波電流降到3%以下。在市電存在時，由于兩個逆變器承擔的最大功率僅為輸出功率的1/5，所以整機效率據稱在很大的功率范圍內都可達到96%;

　　5)無法對頻率和相位進行補償，因此嚴格說來該型UPS不是VFI(電壓頻率獨立)型供電設備;

　　6)無法完全隔離市電，從而無法從根本上解決市電上的諧波污染，比如：頻率異常、浪涌、噪聲等，將直接輸入到重要負載;

　　7)該型UPS對穩態的市電異常補償十分精確，但對偶發的市電異常(比如“瞬態過壓” 或“頻率突變”)可能會出現嚴重的工作異常;

　　8)電路和控制系統復雜，工況眾多，可靠性一般。通過分析完上述兩種類型的UPS，可以發現如果嚴格按照GB 07260.3-2003/ IEC62040-3-1999對UPS類型的定義，雙向變換器式UPS應該劃入后備式UPS一類，而Dalta 變換式UPS才是互動式UPS。

　　(3).雙變換式UPS：

　　市電正常供電時，交流輸入經AC/DC變換100%轉換成直流，一方面給蓄電池充電，另一方面給逆變器供電;逆變器自始至終都處于工作狀態，將直流電壓經DC/AC逆變成交流電壓給用電設備供電。

　　整流器：交流市電輸入經過整流器轉換為直流電，給電池的充電，并通過逆變器向負載供電.。

　　逆變器：該逆變器為DC-AC單向逆變，當市電存在時，它由整流器取得功率后再送到輸出端，并保證向負載提供高質量的電源;當市電掉電時，由電池通過該逆變器向負載供電。

　　靜態開關：正常時處在旁路側斷開，逆變側導通狀態;當逆變電路發生故障，或者當負載受沖擊或故障過載時，逆變器停止輸出，靜態開關逆變側關閉，旁路側接通，由電網直接向負載供電。

　　雙變換式UPS的性能特點如下：

　　1)雙變換式UPS具有優越的電氣特性：由于采用了AC/DC、DC/AC雙變換設計，可完全消除來自于市電電網的任何電壓波動、波形畸變、頻率波動及干擾產生的任何影響。

　　2)同其他類型UPS相比，由于該型UPS可以實現對負載的穩頻、穩壓供電，供電質量明顯優勢;3)市電掉電時，輸出電壓不受任何影響，沒有轉換時間;

　　4)器件、電氣設計成熟，應用廣泛;

　　5)效率同其他類型UPS相比不占優勢;

　　6)整流器在工作時會引起輸入電源質量變差，因此需要采取諧波治理方案;

　　7)價格相對較高。

   數據中心UPS供電

　　UPS應用中，通常有五種供電方式：

       1.單機工作供電方案;

       2.熱備份串聯供電方案;

       3. 直接并機供電方案;

       4. 模塊并聯供電方案;5.雙母線(2N)供電方案。

      此外，近年來三總線和CatcherBus的供電方案在某些大型數據中心供電系統的建設中也屢見不鮮。

       1.單機供電方案單機工作供電方案為UPS供電方案中結構最簡單的一種，就是單臺UPS輸出直接接入用電負荷。一般使用于小型網絡、單獨服務器、辦公區等場合;系統由UPS主機和電池系統組成，不需要專門的配電設計和工程施工，安裝快捷;缺點是可靠性較低。

       2.熱備份串聯供電方案串聯備份技術是一種比較早期、簡單而成熟的技術，它被廣泛地應用于各個領域，UPS 串聯備份的定義是：備機UPS的逆變器輸出直接接到主機的旁路輸入端，在運行中一旦主機逆變器故障時能夠快速切換到旁路，由備機的逆變器輸出供電，保證負載不停電。在各種UPS技術資料中，串聯備份的英文為SeriesConfiguration或IsolatedRedundant。在中文里串聯也有稱熱備份，簡稱串聯。UPS串聯的特點是，兩臺UPS均為完整的具有獨立旁路的在線式UPS單機。兩臺UPS除了電源線的連接外不需要其他信號的連接。在正常情況下，主機100%的給負載供電，從機的負載為零。組成串聯系統的UPS必須具有如下技術條件：在線式UPS電源，這樣逆變器才能保持和旁路的同步;UPS具有整流器和旁路雙重輸入端;UPS能夠承受100%的負載跳變。

    方案優點：結構簡單、安裝方便;價格便宜;不同公司，不同功率的UPS也可串聯。方案缺點：不中斷負載用電的擴容必須帶電操作，十分危險;主從機老化狀態不一致，從機電池壽命降低;當負載有短路故障時，從機逆變器容易損壞。

      3.直接并機供電方案直接并機供電方案是將多臺同型號、同功率的UPS，通過并機柜、并機模塊或并機板，把輸出端并接而成。目的是為了共同分擔負載功率。其基本原理是：正常情況下，多臺UPS 均由逆變器輸出，平分負載和電流，當一臺UPS故障時，由剩下的UPS承擔全部負載。并聯冗余的本質，是UPS均分負載。實現組網型式多有N+1(N臺工作，一臺冗余)或者M+N((M 臺工作，N臺冗余)。

      要實現并聯冗余，必須解決以下技術問題：各UPS逆變器輸出波形保持同相位、同頻率;各UPS逆變器輸出電壓一致;各UPS必須均分負載;UPS故障時能快速脫機。

     方案優點：多臺UPS均分負載，可靠性大大提高;擴容相對以前方案方便很多;正常運行均分負載，系統壽命和可維護性大大提高。方案缺點：控制負載;成本增加;在并機輸出側依然具有單點故障。

     4.模塊并聯供電方案所謂模塊并聯供電方案實質上就是直接并機供電的解決方案的一種，只不過其具體的實現方式和傳統的直接并機供電方案有所不同：模塊化UPS包括機架、可并聯功率模塊、可并聯電池模塊、充電模塊等，見下圖：

　　模塊并聯供電方案的特點：

　　由機架、UPS功率模塊、電池模塊、配電系統組成;功率模塊配置為N+1冗余，減少了維護時間;共用輸入、輸出、并聯的電池系統、控制系統;

     5.雙母線(2N)供電方案早期應用于數據中心的UPS供電方案多為單機方案或UPS串/并聯方案，均存在輸出單點故障瓶頸問題。

       輸出的配電系統，包括開關跳閘、保險燒毀、電路短路等供電回路故障往往很大程度上影響UPS系統供配電的可靠性：為保證機房UPS供電系統可靠性，2N或2(N+1)的系統開始在中大型數據中心中得到了規模的應用，在業界經常也被稱之為雙總線或者雙母線供電系統。2N供電方案由兩套獨立工作的UPS、負載母線同步跟蹤控制器(LBS，LoadBus Synchronization)、一至多臺靜態切換開關系統(STS，StaticTransferSwitch)、輸入、輸出配電屏組成。

　　該方案特點如下：UPS2 圖50 2N供電方案母線2

         1)考慮到系統實現的成本，數據中心的負載被分為兩類：單電源/三電源負載;雙電源負載。正常工作時，兩套母線系統共同負荷所有的雙電源負載;通過STS的設置，各自負荷一半的關鍵的單電源負載。因此，正常工作時兩套母線系統會各自帶有50%的負載;

         2)將其中的一套單機系統作為雙總線系統的一根輸出母線，另外一套單機系統作為雙總線的另一根輸出母線，將兩套母線系統輸出通過同步跟蹤控制器同步起來。負載母線同步跟蹤控制器(LBS)用于雙總線UPS系統中，用來保證兩套UPS輸出系統的同步。如上述雙總線系統圖中，先設定任意一套UPS并機系統為主機(Master)，LBS同時監視兩條母線上的UPS輸出頻率及相位。一旦發現它們超出同步跟蹤范圍(例如10°，該參數可調)時，LBS激活，內部控制對預先定義為Master的UPS繼續跟蹤市電，而另一條母線上的UPS將通過LBS的控制，對Master進行跟蹤，從而實現兩套系統同步。

        3)即使是一套系統完全失效或者需要檢修，雙電源負載因為有一根輸出母線仍然有電所以會繼續正常工作;而關鍵的單電源負載會通過STS零切換到另外一根輸出母線也會正常工作。靜態切換開關系統(STS)用來為單路電源負載供電切換時使用，單電源負載接在STS輸出端上，STS兩個輸入端分別接在輸入電源1和輸入電源2，當其中一個系統供電母線上的任何設備或電纜發生故障或需要維護時，其負載可經轉換時間1/4周波的靜態轉換開關切換至另一個系統供電。

       4)區別于以前的供電方案，系統的備份首先帶來的是負載用電的可靠性的顯著提升。除此之外，該方案具有優秀的開放性和良好的前瞻性，系統以后的擴容升級和維護也會顯得十分方便。因為任何時候我們均可將其中的一套系統完全下電進行處理去處理維護或者擴容的問題。雙總線系統真正實現了系統的在線維護、在線擴容、在線升級，提供了更大的配電靈活性，滿足了服務器的雙電源輸入要求。解決了供電回路中的“單點故障”問題，做到了點對點的冗余，極大增加了整個系統的可靠安全性，提高了輸出電源供電系統的“容錯”能力。

       5)該方案建設成本相對較高，在實際建設的過程中，需要注意可靠性和經濟性的適當權衡。

     6.三母線供電方案三總線系統是雙總線供電系統的一種變異形式，系統最大安全帶載率可由雙總線系統的50%提升至66%，同時任具備雙總線系統的可靠性等級。這樣基本不損失可靠性的前提之下有效地降低建設成本。

     7.CatcherBus 供電方案Catcher Bus無需復雜的開關裝置，由STS負責供電切換，最大負荷(N-1)/N帶載率從雙總線50%提高到75%-90%,可實現系統節能減排。但相比于雙總線/三總線系統，可靠性有所下降。