2　　UPS与EPS的应用特点
　　2.1　　常用型UPS的特点及功能

　　UPS按其设计原理与工作方式可分为离线式UPS、在线式UPS、在线互动式UPS三种。
　　离线式UPS亦称后备式UPS，以小功率（5kVA以下）为主，主要对市电进行滤波、稳压调整，以便向负载提供更为稳定的电压，同时通过充电器把电能转变为化学能储存在蓄电池内，一旦电力中断、电网电压或电网频率超出UPS的输入范围，可在极短的时间内(几ms)开启自身的储备电源，向负载供电，此类UPS的特点是转换效率高、易于维护且价格低廉，为绝大多数中小功率用户电源保护的首选。

　　在线式UPS以中大功率(5kVA以上)为主，逆变器始终处于工作状态，与用电设备同时运行，在供电状态下的主要功能是稳压和防止电压波动和干扰，避免负载遭到长期低品质电力的侵害，一旦市电中断，UPS中的逆变器会利用机内蓄电池所提供的电能来维持负载的正常运转，供电转换时间为零，真正实现了不间断供电。该类UPS供电质量高，但价格昂贵。

　　在线互动式UPS以网络使用为主，它结合了离线式效率高和在线式供电质量高的特点，与离线式UPS相比切换时间短。

　　一台UPS应该包括传统意义上的以下环节和功能：能在各种复杂的电网环境下运行；在运行中不会对市电产生附加的干扰；输出电性能指标应该是全面的、高质量的，能满足负载的各项要求；UPS本身应具有很高的效率，有接近实际市电的输出能力；是一台智能化程度很高的设备，有高度智能化的自检功能，自动显示、报警、状态记忆功能，以及通讯功能；UPS不仅向由它直接供电的各种硬件设备提供全面的保护，在互联网时代，还应该向他们所运行的软件以及数据传输途径提供安全可靠的保护，可配置相应的电源监控软件，使其具有远程管理能力，使用户可执行UPS与网络管理平台之间的监控和数据通讯操作。

　　2.2　　UPS与网络和数据密切相关

　　随着技术的发展，现在的UPS，特别是中大型UPS，不只是一台停电后可以继续向负载供电的整机产品，而且已成为一个小型的，或者说局部的高度可靠、性能齐全、高度智能化的供电中心。在网络化时代，UPS已经成为一个高度智能化的设备，它对整个网络中的硬件设备、运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面的保护，使之成为不间断网络。

　　它具有如下技术特性。

　　2.2.1　　高可靠性
　　具有能在365天(每天24h)连续提供高质量输出电压的供电能力。这就意味着，在UPS供电系统的运行中既不允许出现任何瞬间供电中断或停电事故，也不允许出现由市电经交流旁路直接向负载供电的局面。为此，要求UPS供电系统应满足如下要求：

　　1）UPS单机本身的故障率低，目前大型UPS产品的平均无故障工作时间(MTBF)可达（2～4）×105h；
　　2）采用具有高度容错功能的“N＋1”型UPS冗余并机系统来进一步提高UPS供电系统的可靠性〔“1＋1”型冗余并机系统的典型MTBF值可达（14～20)×105h〕；
　　3）在整套UPS供电系统中，不应存在单点瓶颈性故障隐患；
　　4）允许在UPS逆变器连续供电的条件下，执行不停电的维护和检修操作；
　　5）万一在用户设备端出现短路故障时，应将故障的影响范围缩小到尽可能小的范围。

　　2.2.2　　高抗干扰性
　　UPS供电系统能使互联网设备获得100％的高可利用率(低误码率，低数据传输丢失率、高网络接通率)，创造优良的运行环境。

　　大量的运行实践表明，电源干扰问题是造成互联网设备可利用率下降的重要原因之一。能否尽可能地消除电源干扰是确保信息网络能否获得100％的高可利用率的关键所在。应当说明的是，电源干扰不仅来源于普通的市电电网，还来源于设计不完善的UPS本身及用户的互联网设备本身。这是因为配置在IDC(互联网数据中心)和MDC(多媒体数据中心)机房内的服务器、磁盘阵列机、交换机等均内置有开关电源。这种整流滤波型非线性负载会向UPS供电系统反射3～23次谐波干扰，其可能带来的后果之一是降低语音通话质量。实践证明，过大或过多出现电源干扰，轻者会导致互联网的传输速率下降、网络服务器的数据丢失率增大、Modem的上网掉线率增大等隐形故障，从而导致互联网设备被迫进入降额使用状态，严重时还会导致网络瘫痪。从这个角度来看，高速信息网络技术的迅猛发展在给UPS产业带来巨大商机的同时，也对UPS所能提供的供电质量提出更为严格的要求。

　　2.2.3　　具有防雷击及抗浪涌的功能
　　雷击、闪电及电网上的浪涌严重威胁UPS系统和计算机网络的安全。如无相应的保护措施，将造成UPS系统及计算机网络的硬件和软件的损坏。UPS应具有这方面的保护电路，其指标应符合国家及国际安规标准。

　　2.2.4　　过载能力强
　　由于计算机等属于整流滤波型负载，在启动时往往有较大的瞬态冲击电流，如果UPS的过载能力弱，有可能造成严重后果导致系统不能正常运行。

　　2.2.5　　智能化监控
　　在UPS和计算机／网络之间建立起双向通信监控管理功能。利用监控软件管理UPS的运行、操作。当市电中断或UPS蓄电池电压处于低限时，监控软件可将计算机中的数据自动安全存盘、系统安全关机，然后关闭UPS，避免因电力突然中断而造成操作系统的损坏和数据资料的损失，以实现数据的完整性保护。

　　2.3　　EPS的兴起及现状
　　EPS已被广泛应用于建筑电气领域和特殊应急供电场合。随着社会发展，越是信息化、现代化，就越依赖于电力。突然的断电必然会给人们正常的生活秩序和学习带来影响，尤其是对于生产、生活中特别重要的负荷，一旦中断供电，将会造成重大的经济损失。然而，电力故障具有突发性，不以人们的意志为转移，即使电网设施再先进，意外的断电也在所难免。目前，城市供电系统的安全对策一般是采用并网供电，为城市电力提供可靠的电源保护。但从企业及工业、民用建筑使用情况来看，仅仅靠公用电网还远远不够，必须具备应急供电系统（EPS），其重要性是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电力，以有效降低因为断电而造成的损失，为人们生产和生活安全提供保障。因此，EPS也被称为“城市生命线系统”的重要组成部分。

　　2.3.1　　EPS的分类
　　目前市场上的EPS品牌众多，大家在设计上所采用的控制方式和控制手段不尽相同，但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种：一是主要用于应急照明和事故照明的单相EPS；二是用于应急照明、事故照明之外，还有应用于空调、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列EPS；三是直接给电动机供电的变频系列EPS。

　　2.3.2　　EPS的设计要求
　　EPS可以说是近两年才迅猛发展起来的一个新兴产业，相比于发展成熟的UPS而言，有相同之处，也有不同之处。其相同点在于都具备在市电故障(中断)情况下继续向负载提供交流电源的功能，均采用了IGBT逆变技术和脉宽调制(PWM)技术。不同之处是UPS除了提供不间断供电外，还兼备改善市电品质的功能，而EPS则主要解决市电故障时的应急供电问题；UPS主要是为IT行业设备提供用电保障，EPS则适用于各种行业；UPS供电模式要求切换时间很短(0～10ms)，EPS则相对较宽(0～4s)；UPS主要带计算机类负载，而EPS所带负载混杂；UPS对于运行环境要求较高，EPS则要求能适应各种环境；UPS以一般用户监控为主，EPS主要用于应急供电，要求与消防联动；UPS以维护信息传输畅通为主要目的，EPS以防范重大灾难事故为主要目的。可以形象地比喻，UPS以“救数据”为主，而EPS以“救人”为主。一般EPS功率较大，机内的逆变器处于备用状态，因而可以简单地理解为：EPS就是大功率后备式UPS。

　　鉴于EPS的主要设计思想是在市电突然中断时提供安全可靠的应急电力供应，有效避免发生灾害时的人身伤亡和财产损失为原则。因此，在设计EPS时应着重考虑其安全性、可靠性、适用性及合理性。主要有：

　　1）断电转换时间一般在毫秒级(25ms)，以保证供电的及时性；
　　2）负载适应能力强，包括电容性、电感性、混合型负载，而且过载能力和抗冲击能力强；
　　3）有多路输出，防止输出单一形成的故障；
　　4）有消防联动和远程控制信号，可手动与自动相互转换；
　　5）环境适应能力强，适用于各种恶劣环境，有防止高低温、湿热、盐雾、灰尘、震动及鼠咬等措施；
　　6）使用寿命长，有电池快速充电能力和管理能力；
　　7）节能，运行效率高，运行成本低；
　　8）有无人值守、自动操作功能；
　　9）报警功能齐全，能及时提供各种异常状况的报警；
　　10）有强启动功能，避免电池环节保护后无法启动；
　　11）无烟雾、无噪音、无公害等；
　　12）维护简单，维护费用低。

3　　UPS/EPS的发展趋势
　　3.1　　UPS的控制技术
　　中小型UPS的AC／DC和DC／AC变换大多数仍采用模拟控制电路，AC／DC变换器的控制芯片大多数已集成化，使用简单，工作可靠。DC／AC变换器的控制有两种基本方式，一种是单闭环控制，另一种是双闭环控制。前者控制电路简单，但难于实现输出端短路自动恢复。后者控制有电流内环和电压外环，电压调节器的输出为电流调节器的给定，因此，限制电流给定幅值也就限制了逆变器的最大输出电流。
　　当前，数字控制已成为新型UPS控制技术发展的主流，数字控制器具有精度高，抗干扰能力强，易于实现对UPS的检测、故障诊断和隔离，易于实现遥控遥测，实现多台UPS的并联和热插拔，易于实现对蓄电池的监控和管理。也就是说，计算机的介入使UPS具备了智能化，可以使其运行在最优状态。
　　3.1.1　　DSP的应用
　　采用数字信号处理器(DSP)的数字PWM技术，是数字控制技术的核心，用于保证UPS输出电压的质量，即保证输出电压、频率和输出电压波形满足技术指标的要求。数字控制的另一个重要功能是实现UPS的初始自检和运行自检，进行故障保护和故障隔离，这是模拟控制器无法胜任的。由于数字控制器的灵活性，使UPS控制器的硬件电路可以标准化，从而简化了生产、使用和维修，也大大提高了工作可靠性。
　　3.1.2　　控制电路的全微处理器化
　　UPS电路是由以下几部分组成的：主电路、驱动电路、监控显示及控制保护电路和通信界面电路。其中监控、显示及控制保护电路和通信界面电路，可以运用数字化设计技巧简化其电路，并解决原类比电路需要调整、具有温漂及参数调整不易的缺欠。采用的方法是：
　　1）全微处理器化利用微处理器来执行监控、显示及控制保护电路和通信界面电路的功能；
　　2）半微处理器化利用类比电路处理快速反馈保护电路，而由处理器处理慢速反馈、报警、显示及通信界面的功能。
　　3.2　　蓄电池技术
　　蓄电池是UPS的心脏，不管UPS电路多么先进，其性能最终取决于它的电池，一旦电池失效，再好的UPS也无法提供不间断供电。
　　目前，UPS一般都使用免维护密封铅酸蓄电池，由于采用阴极吸收式密封技术，克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点，具有“免维护”、使用方便、不污染环境、体积小、重量轻的优点。它使用高氢过电位的板栅材料，减少了电池在存放和充电过程中的气体分解。正极表面的超细玻璃纤维膜，阻止了活性物质脱落，提高了电池的寿命。安全阀的使用使蓄电池很少产生气体，又可使已产生的氧气被负极铅所吸收，使蓄电池无水的损失，达到了密封免维护的目的。
　　一般情况下，影响电池性能的主要因素是连续充电，电池连续充电大约要减少一半的使用寿命。目前国外使用一种ABM(Advanced Battery Management)三阶段电池管理方案，即充电分成三个阶段：第一阶段是恒流均衡充电，将电池容量充到90％；第二阶段是浮充充电，将电池容量充到100％，然后停止充电；第三阶段是自然放电，在这个阶段里，电池利用自身的漏电流放电，一直到规定的电压下限，再重复上述的三个阶段。这种方式改变了以前那种充满电后，仍使电池处于一天24h的浮充状态，因此延长了电池的寿命。
　　金属化镍氢电池具有高能量密度的优点，而且又无镍镉电池可能造成的镉污染，将其应用于UPS可以收到小型轻量化的优点。但其缺点是售价太高。美国Alupower公司研发的高功率铅－空气备用电源装置(RPU)，运行≥50h，功率从600W到6000W，电压有DC24V和48V两种，其能量密度是铅酸电池的十多倍，重量只有铅酸电池的1／10，所占空间只有铅酸电池的1／7，有望取代铅酸蓄电池应用于UPS。
　　3.3　　UPS的冗余技术和在线维护（热插拔）
　　开关整流器的并联和热插拔已成为通信电源的基本运行方式，这种运行方式即所谓N＋1冗余供电方式，用于取代主备方式，使电源的可靠性大幅度提高。主备方式的备份电源的容量和主电源相同，因此使电源成本提高，而且在转换时还会造成电能中断。N＋1冗余供电方式不仅降低了电源成本，并且还保证了供电不中断。这种冗余供电方式的实质是通过并联平行操作的电源模块提供分布式电源，所有的模块并联运行并平均负担当前的负载，电源阵列比额定容量多配置一个功率模块，当一个模块出现故障时，特设的电路将故障模块从负载上断开，其它模块将立即支持所有负载，使其连续不间断地供电。替换模块后UPS的控制电路和蓄电池均能在线运行。这种灵活的模块化设计，用户可以自行堆叠电池模块，以增加UPS的输出功率，延长供电时间，大大增强了电源的可靠性。
　　UPS的并联和热插拔技术要比开关整流器的并联复杂得多，这是因为交流电的变量比直流电多，有相序、频率、相位、电压幅值和波形等5个变量，其任意一个与市电电源不一致，都不能使UPS投入电网。在投入电网后还必须不断地检测各台UPS输出的有功功率和无功功率，通过调节电压和相位实现各UPS输出有功功率和无功功率的平均分配。
　　由此可见，UPS的并联工作有3个方面。一是正常工作的UPS自动投入电网，二是并联运行的UPS之间，有功功率和无功功率的均匀分配，三是UPS退出并联，特别是在不干扰电网的情况下快速切除故障UPS。这3个要求的实现，也就解决了UPS的热插技术。
　　3.4　　智能化UPS的管理系统
　　所谓智能化UPS，是指将传统UPS通过与计算机相连的硬件接口，结合特殊设计的软件，以提供计算机及数据资料的双重保护。当前UPS智能化技术有两个方面：一是加强UPS新功能，与服务器上的软件协同工作，使UPS除了完成最基本的不间断供电功能外，还能实现网络上事件记录、故障告警、参数自动测试分析和调节等；另一方面是加强UPS的节能功能。
　　智能化的UPS，除了完成一般UPS所能完成的全部工作外，还应具备的功能是：
　　1）对运行中的UPS进行监测，随时将采样点的状态信息送入计算机进行处理，一方面获取UPS工作的有关参数，另一方面监视电路各部的工作状态，从中分析电路各部分工作是否正常；
　　2）故障时，根据监测的结果进行故障诊断，指出故障部位，给出处理办法；
　　3）完成部分处理工作，除了实现对UPS工作的控制外，还能在发生故障时，根据需要采取必要的应急控制，此外通过对整流部分的控制，按照对不同蓄电池的不同要求，自动完成对蓄电池的分阶段充电；
　　4）自动显示所检测的参数，在异常或发生故障时，可以自动记录有关异常或故障的信息；
　　5）按照技术说明书给出的指标，自动定期地进行自检，并形成自检记录文件；
　　6）能够用程序控制UPS的启动或停机，实现无人值守的自动操作；
　　7）具有交换信息功能，可以随时向计算机输入信息或从计算机获取信息；
　　8）通过通信接口与计算机互联，实现网络化监控管理。
　　推动UPS技术发展的主要动力在于全球计算机网络的迅速发展。为了使UPS能够更好地适应网络环境的要求，UPS正在向网络化管理和控制方向发展。新型的网络UPS采用一个集成的SNMP适配器，掉电期间，即使UPS不能通过网络传递信息，用户也可以依靠UPS通过串行端口适时关闭服务器，适配器接到UPS通信端口上，以实现网络可维持局部停机控制。网络管理人员通过网络中的网管平台，将UPS作为一个网络设备来管理，实时处理电源故障及UPS状态报警。SNMP适配器和管理软件相配合可以同时向任何管理站发出电源故障及UPS状态报警。在无人值守的情况下，当市电中断时，软件会发出告警信息，并开始倒计时，当倒计时计数到零时或电池耗尽前，软件即关闭应用程序，并将现场资料存盘后关闭系统，向UPS发出关机命令，切断UPS，当市电恢复后可自动启动UPS。
　　智能化的网络UPS最基本功能是在长时间断电的情况下，能安全、自动地关闭网络，确保网络系统及数据的安全性。此外，通过远程控制装置，用户也可以在远方通过电话遥控UPS，有些UPS还可将UPS状态或报警信息通过电子邮件、传真机或手机等通知外出网络管理人员。
　　3.5　　提高UPS的可用性
　　从20世纪90年代中期开始，随着信息技术的高速发展和网络时代的到来，对UPS可用性的要求越来越高。所谓UPS的可用性，其物理概念是，在规定的使用期间内，UPS的正常运行时间与整个时间的比例。根据这个定义要提高UPS的可用性有两个办法：一是提高UPS的平均无故障时间MTBF，二是降低UPS的平均修复时间MTTR。提高UPS本身MTBF的传统做法是，提高功率开关器件的规格和档次；改进控制技术，提高逻辑控制组件的规格和档次；使用更先进的主电路结构；提高智能管理和通信功能；严格生产工艺，加强质量管理(ISO9000)等。但当MTBF提高到一定程度后其效果就不明显了。用降低MTTR的办法，效果是非常明显的。降低UPS的MTTR的做法有如下几种。
　　1）一般的做法是加强对UPS，特别是其中的关键部件的维护；充足的备件并保证其完好性；加强对维护人员操作技能的培训，特别是用户在采购UPS时就要求厂家对售后服务(包括备件提供、反应时间和修复速度)条件做出严格承诺。
　　2）UPS的模块化＋冗余配置，把整个UPS按电路功能分成几部分，并在结构上设计成可以插拔的模块，例如功率模块(包括整流器和逆变器)、电池模块、智能管理和通信功能模块。
　　3）UPS的冗余并机配置，在UPS中，可以把控制电路集中起来作为一个独立的可插拔模块，也可以把功率变换部分集中在一个结构中，作为一个可以热插拔的模块。为了适应多台UPS并联供电，也可以把每台UPS看作一个模块，在冗余热备份配置的情况下，同样可以做到故障后热插拔修复，或者使每台UPS都具备直接并机的功能。
　　4）用集成设计提高UPS的可用性，以适应由多种设备组成供电系统的需要。集成化UPS供电系统的基本思想和原则是，供电设备制造和供应的统一化和标准化；系统中供电设备和包括负载机架结构的一体化和连接的规范化；系统中各供电设备和环节（包括负载机架中的PDU）电源状态管理的集中化；系统中各供电设备和环节结构的模块化和连接的热插拔功能。
　　一个完整的供电系统的组成，除UPS设备外，还有输入配电柜、ATS转换开关、变压器、瞬态电压浪涌抑制器、负载配电开关柜、柴油发电机、交流稳压器、电池系统、各种开关、断路器、熔断器、转插板，上百乃至几百个连接点和相应的传输线。对于一个复杂的供电系统如何提高其可用性呢?仅仅解决UPS设备的可靠性显然是不够的，根据系统实际运行的故障数据表明，直接由于UPS故障引起系统宕机的比例毕竟是较少的，由于系统中其他设备和环节以及人为事故造成的故障，或者由此引发的UPS故障占大多数。但是模块化、冗余配置、热插拔修复等设计原则还是适用的。当然，系统中各种设备和管理的标准化、统一化和集中化，减少单路径故障点和大面积掉电的隐患，加快建设速度和安装的规范化、对环境和负载变化的适应性和系统的可扩展性、降低维护管理的难度和减少人为事故的几率等问题，也是要研究和解决的重点。
　　图7是集成化UPS供电系统示意图，虚线框内是集成化所包含的内容。
　　图7　　集成化UPS供电系统示意图
　　集成化UPS系统的特点如下：
　　（1）由单机模块化＋冗余的UPS系统组成双总线系统，是可用性等级最高的UPS供电系统；
　　（2）UPS供电系统与数据中心一体化机架式结构，整个系统只有电网进线与外接线；
　　（3）PDU作为基本组合的一个子系统，直接配置在标准的负载机架中；
　　（4）该系统结构的基本组合机柜上的服务器提供了整套基础设施，这种基础设施包括IT机柜中的冷却设施、布线设施和配电设施；基础组件包含在4个子系统中，即IT机柜、机架安装PDU、环境监控以及电源和数据电缆布线。
　　3.6　　绿色化
　　各种用电设备及电源装置产生的谐波电压和谐波电流，对市电电源是一种污染，随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色UPS的呼声越来越高。要求UPS做到使用户负载既不受已污染的市电电源的影响，同时用户负载产生的谐波电压和谐波电流也不要污染市电。对于串并联补偿式UPS，它已经具备了这种功能，对于传统双变换UPS，除在输入端加装高效输入滤波器外，还应在输入整流器部分采用数控有源功率因数校正技术(PFC)，这样就可以提高输入功率因数，减少对市电电源的污染。
　　3.7　　EPS的发展趋势
　　由于EPS所带负载类型的复杂性和环境的相对固定性，针对不同场合、不同负载，可对EPS功能做得更贴近现实应用。其中包括以下几方面。
　　1）结构组成普通EPS为了更好地结合实际应用，往往采用“多合一”的结构设计，但由于负载及环境的复杂性，也由此带来设备标准化和设计院所、用户选型的困难。解决的办法是采用模块化设计，将主机与输入或输出配电分离开来。主机模块完成主要的能量转换及通讯控制功能；配电模块实现丰富的配电管理功能。主机模块通过标准控制接口实现对配电模块的管理，如双电源自动切换功能，多回路输出功能，消防联动功能均应在配电模块中实现。
　　2）配电模块应增加功能EPS用于紧急负载的供电，其负载往往为非单一的负载，而这些负载在紧急情况下的关键程度不尽相同，因此，对于EPS来说，某些配电管理功能至关重要。
　　（1）顺序启动功能诸如，EPS的负载很大一部分是感性冲击负载，具有较大的启动电流，在选型时必须加大EPS容量，从而造成设备资源的浪费以及用户成本的增加。实际上，由于EPS负载供电的可间断性，EPS可增加一个8路或16路的可编程配电管理接口，通过对负载启动的顺序、时间进行控制，可在很大程度上解决启动冲击电流和加大选型容量的问题。
　　（2）部分卸载功能由EPS负载性质决定，当过载发生时，需要EPS尽可能继续工作，而不能象UPS那样进行保护性关机，因此，同样可通过配电管理接口卸除次要负载。
　　3）电池管理由于EPS的使用环境一般较UPS恶劣，为尽可能延长蓄电池的使用寿命，充电器应同时具备以下功能：
　　（1）可设定充电限流；
　　（2）可设定电池放电终止电压；
　　（3）具有自动浮充功能，充电机制应符合DIN41773标准；
　　（4）具有浮充电压温度补偿功能；
　　（5）智能电池检测功能；
　　（6）深放电保护(可强制应急)。
　　4）变频起动功能目前变频起动型EPS的设计，如图8所示，主要着眼于解决较大电动机，如电梯、水泵、风机等负载的起动冲击问题，但更为合理的设计，应该是在线式UPS与变频器技术的完美结合。在线式UPS具有成熟的整流、电池管理技术；变频器具有成熟的变频控制技术，两者的有机结合才是这一应用领域的最终发展方向。