| 摘要：本文是《UPS应用》杂志主编张乃国先生针对UPS系统的可靠性、系统效率、制造成本、能源利用率、系统标准化等问题，采访了中科院计算所研究员张广明先生，请他就直流输出型UPS的主要研究思路和读者关注的话题进行了解答。 |
采访人：《UPS应用》杂志主编 张乃国先生
随着不间断电源(UPS)及其供电系统在各个领域的广泛应用，使用者正在逐步接受并理解专家们对UPS供电系统可靠性、可用性的研究理论。然而随着人们对可靠性研究的深入，专家们又在寻找供电系统不可靠因素之所在，同时，提出解决这些不可靠因素的新理念、新思路。传统设计理念的局限性可归结为备用电源配置方式问题。必须改变备用电源的配置方式，将备用能源(电池)的直流电直接对负载供电，可使UPS系统的可靠性、制造成本、能源利用率、系统效率、系统标准化等方面发生革命性的变化。本刊对此表示关注和探寻，带着这种关注和探寻，本刊主编张乃国先生于2010年2月3日采访了中科院计算所研究员张广明先生，请他就直流输出型UPS的主要研究思路和我们关注的话题进行了解答。
问:传统UPS供电系统现在存在哪些问题?
答:现在所说的UPS供电系统由AC/DC整流器、DC/AC逆变器、各级配电柜、各级滤波器、STS转换开关(双路供电系统用)、电池组、变压器等设备和环节组成。
传统UPS供电系统存在的问题可归纳成下述几个方面。
(1)系统可靠性问题
系统复杂、单路径故障点多、设备可靠性差、维护难度大等。
(2)系统电流谐波干扰问题
系统中存在两个谐波源——负载开关电源和UPS输入侧AC/DC整流器。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波设备、降低输入功率因数和能源利用率，以及对零—地线系统等提出苛刻要求。
(3)系统成本和能源消耗问题
能源两次转换降低了效率(双总线系统的效率﹤80%)，系统复杂性提高了购置成本和运行成本，电流谐波的存在需增加滤波设备，输入功率因数的低下降低了系统设备容量的利用率。
(4)系统标准化问题
系统复杂为标准化带来困难，系统设计建造多采用定制式手段，基本方法还停留在手工业阶段。
(5)系统的灵活性和可扩展、变更问题
以计划容量一次性投入、难以变更和扩展，缩短了系统生命周期。
(6惊统使用维护难度问题
要求较高的维护水平，供应商家多且产品非标准化使故障修复困难。
问:从技术角度讲，当前传统UPS系统要解决的重点问题是什么呢?
答:从当前用户关注的焦点和UPS厂家技术改造的重点来看，要解决的问题和技术措施归纳起来有以下三点:
（1）提高系统可用性
设备降容使用，提高可靠性，延长使用寿命；
增大成本，对设备采用冗余配置，使其有容错功能；
对系统采用双总线冗余配置，可以最大限度地减少整个系统的单路径故障点；
配置模块化UPS，有冗余功能，可以大幅度降低故障修复时间；
提高设备智能监测和管理功能，便于维护，并可把潜在的故障隐患消除在故障发生之前；
采用集成化系统设计，解决系统中各类设备阻抗和连接方式的匹配问题，提高系统运行的可靠性和集中管理问题，并最大限度地减少安装和维护过程中的人为错误。
(2)抑制系统中谐波电流的产生和治理问题
加大零线截面积规格和前端设备(变压器、柴油发电机、配电开关、转换开关等)容量，以便降低谐波电流的影响；
输入三相整流改为12脉波整流＋11次无源滤波器，使功率因数PF=0.95，谐波THDI≤10%；
三相整流前加有源滤波器，使输人电流成正弦波，PF=0.99，THDI≤5%；
输入改为IGBT高频整流，使PF＝0.99，THDI≤5%；
要求负载IT设备输入开关电源采用PFC高频整流。
(3)提高系统的适应性
采用模块化设计，使局部系统有扩容功能，减少系统运行初期的设备购置成本和运行成本；
采用标准化设计，简化系统设计和制造流程，为系统快速安装和可能的变更、移动、扩容提供方便。
问:当前ups系统的可靠性还不够高的根本原因是什么?
答:不间断供电系统实现其功能的最基本条件是必须有两路电源，一路是市电供电，另一路是备用电源供电。市电供电是有可能故障掉电的，这是建立UPS供电系统的初衷。
备用电源应该是实现不间断供电的底线，是最后的保障。电池设备的故障是可预见的，并且故障发生是缓慢渐变的、非突发性的，只要维护得好，定期检测，可以在不影响系统正常运行的情况下消除故障隐患，因此电池具备了"底线"、"保险"的后备能源的条件。
但是，遗憾的是，传统UPS设计方案并没有给电池发挥作用的充分条件，电池并没有直接放在负载的前面为负载"保驾护航"，而是把它放到了UPS主机设备中，市电掉电时，电池要通过UPS主机设备中最不可靠的环节——逆变器向负载供电。这样，备用电源供电途径的不可靠就成为传统UPS供电系统的可靠性难以有效提高的根本原因。
问题出在系统设计方案的指导思想上，选择不间断供电的主角是市电、备用电源，还是两路都必须经过ups的逆变器环节?
如果把备用电源放在负载前面，市电掉电时由高可靠的备用电源直接给负载供电，那么备用电源不仅可在市电掉电时向负载供电，当市电正常而主机供电系统发生故障时，也可保证负载的正常运行。
保证IT负载连续可靠工作的关键在于市电和备用电源的配置方法。传统UPS供电系统中，两路能源的供电方法是:一是市电输入+双变换系统；二是备用电池十逆变系统。所以，保证IDC不停电的关键是，当市电供电一路电源中断时，备用电源能否可靠地不间断地向负载供电。原则上讲，备用电源配置方法有两种:串联型和直接型。
(1)串联型
传统UPS供电系统的备用电源配置方法是串联型的，平时市电(电网十双变换系统)对负载供电，而在电网掉电或系统故障时，备用电源(电池组)要经过UPS设备中的DC/AC变换环节向负载供电。
根据当前设备可靠性水平，电池系统的可靠度R1在0.99左右，而UPSDC/AC逆变器的可靠度只有R2=0.9，根据串联型可靠性模型可计算出这时备用电源供电的可靠度:
R=R1R2=0.99×0.9＝0.891
显然，备用电源在系统中的可靠性比电池设备本来具备的可靠性相差近10倍。
(2)直接型
由备用电源(电池组)直接对负载供电。平时市电(电网＋双变换系统)对负载供电，而在电网掉电或系统故障时，备用电源(电池组)直接向负载供电。显然备用电源供电的可靠度就是电池组的可靠度R1等＝0.99。比较两种配置，可靠性相差很多。
问:看来，供电系统的可靠性与其故障性质有关，请您再深入谈谈设备的故障性质问题。
答:备用电源(电池组)可靠性高，是因为其故障相对而言具有"可预见和非突发性"特点。
供电设备中可能发生的故障主要有两种类型:
(1)可预见非突发性故障
例如电池组，其故障现象有两个最基本的特点，一是它的故障现象诸如:电池槽变形、电池漏液、电池容量不足、电池浮充电压均匀性差、排气阀失效等，是直观可见的，或者是很容易被测到的；二是所有这些故障部有发生过程时间长、有渐变过程、且发生故障不是突发性的特点。对于这种类型的设备，通过维护很容易发现故障隐患，也有充裕的时间在不影响系统运行的情况下排除故障隐患，或者安排计划停电进行维护。
(2)不可预见突发性故障
例如供电系统中的UPS主机、ATS和STS开关等设备，系统管理和监控只能判定其工作状态，而硬件失效、控制电路板焊点的隐患、系统对控制电路的干扰等，是不可预见的，也很难检测到。另外，故障发生的时间是不可预测的、随机性的、突发性的。对于这种类型的设备，很难在故障前发现它，一但故障发生，必然使系统瘫痪。
在可靠性研究中，一个产品的可靠性数据通常是根据产品生命周期内的失效率参数或运行数据统计计算的，而设备在使用维护过程中可能进行的局部更换，则不作为可靠性计算的因素。实际上对只存在可预见非突发性故障的设备，定期的维护并对有故障隐患的零部件进行更换，这无异于系统的更新。从可靠性模型的角度看，这相当于在原设备的可靠性基础上冗余并联了一个连续工作时间等于设备维护周期的可靠性环节。以电池组为例，假定电池组的年可靠度R=0.99，平均三年一次通过维修更换部分有质量问题的电池，这个等效的可靠性环节的连续工作时间就是三年，即26280h，MTBF也是26280h。
则其可靠度R=1-（1-R1）×（1-R2）=0.99667
可见，对可预见非突发性故障的电池组来说，定期的维护和更新有故障隐患的个别电池，这相当于为电池增加了等效的并联冗余环节，可使其可靠度提高许多。
值得注意的是，对于UPS主机、ATS和STS开关等故障不可预见并具有突发特性的设备来说，这种效果是没有的。
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