3 AC-UPS输出直流化变革的理论基础

　　UPS直流供电方案是根据可靠性理论设计的，是可靠性理论的应用，也是对可靠性理论的发展。

　　3.1 可靠性低下的根本原因􀂊􀂊系统功能设计策略的误区

　　不间断供电系统实现其功能的最基本的条件是必须有两路能源，一路主供电，一路备用(蓄电池)供电。主供电是可能故障停电的，这是建立UPS供电系统的初衷。备用能源应该是实现不间断供电的根本条件。

　　但是，遗憾的是，AC-UPS设计方案并没有给备用电池发挥作用的充分条件，电池并没有直接放在负载的前端为负载“保驾”，而是把它放到了UPS主机设备中，市电停电时，电池要通过UPS主机设备中最不可靠的环节(DC/AC)逆变器向负载供电。备用能源供电路径的同样不可靠是造成AC-UPS供电系统不断复杂化、设备堆积、结构臃肿、成本迅速攀升、效率低下、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，如果UPS供电系统故障，则主用能源和备用能源都不能保证继续向负载供电，显然，不停电供电的主角不是主用能源、备用能源，而是两路都必须经过的UPS供电系统。

　　如果把备用能源直接放在负载前端，市电停电时由高可靠的备用能源直接给负载供电，那么备用能源不仅可在市电停电时向负载供电，当市电正常而UPS供电系统发生故障时，也可保证负载的正常运行。

　　3.2 可靠性理论与备用能源的配置

　　保证IT负载连续可靠工作的关键在于主用能源和备用能源的配置方法。在图2 UPS供电系统中，两路能源的供电方法如图3所示。

　　保证负载不断电的关键是，当主供电一路能源停电时，另一路备用能源能否不间断而可靠地持续向负载供电。但是图3(a)中，主能源故障后，备用能源(电池组)要经过UPS设备中的DC/AC变换环节才能向负载供电。因此备用能源的可靠性就得不到充分的发挥。备用能源的可靠性模型表示在图3(b)中。

　　根据当前设备的可靠性水平，电池系统的可靠性R 1在0.99左右，而UPS逆变器的可靠性只有0.9(UPS整机可靠性可达到0.99，包括了处于冗余并联的静态旁路系统)，根据串联可靠性模型可计算出备用能源供电的可靠性：R =0.99×0.9=0.891但是，如果改变备用电池的配置方法，把备用电池直接接在IT设备的前端，如图4(a)所示，与图3相比，对系统的可靠性带来三点非常明显的变化：

　　(1)备用电池与UPS供电系统形成冗余系统，高可用的备用电池从根本上隔离了市电和供电系统的故障，整个系统的可用性可提高2个9到3个9;

　　(2)备用电池的可靠性得到了充分的发挥;

　　(3)备用电池的可用容量提高10%。

　　3.3 对“可预见非突发性故障”和“不可预见突发性故障、可靠性”的讨论

　　说备用能源(电池组)可靠性高，是因为它的故障具有“可预见性和非突发性”特点。

　　一个系统中设备可能发生的故障有两种类型：

　　可预见非突发性故障

　　例如电池组，它的故障现象有两个最基本的特点，一是故障现象诸如：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，或者是很容易被测量到的;二是所有这些故障都有发生过程长、是渐变过程且发生故障不是突发性的特点。对这种类型的设备，通过维护很容易发现故障隐患，也有充裕的时间在不影响运行的情况下排除故障隐患，或者安排计划停电进行维护。

　　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，却是不可预见，也很难检测到的，故障发生的时间是不可预测性、随机性和突发性的。对于这种类型的设备，很难在故障前被发现，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部件进行更换，这无异于设备的更新。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上一个由维护工作决定的可靠性环节，见图4(b)。

　　3.4 对“可预见非突发性故障”和“不可预见突发性故障”可用性的讨论

　　可用性定义为：系统在使用过程中，可以正常使用的时间与总时间之比。

　　可用性用平均无故障工作时间MTBF和平均修复时间MTTR表示：

　　可用性高意味着给用户更多的正常使用时间，把故障后不可用的时间降到最低限度。

　　由于电池具备“可预见非突发性故障”的特点，可使系统从根本上消除或者隔离“突发性故障”。对于电池质量和性能的变化，使用者有充分的时间(例如十天半月)发现它，并在不影响系统正常运行的前提下维护更换，或者安排“计划停电时间”排除故障。这相当于可保持电池常新，把故障停电时间缩短到0，把电池的可用性提高到1。