天津数字广播大厦UPS的系统配置与产品选型

天津数字广播大厦UPS的系统配置与产品选型

作者：韩德柱

来源：《中国科技博览》2016年第15期

[摘 要]UPS电源是能够提供持续、稳定、不间断电源供应的重要外部设备。从功能上来说，UPS可以在市电出现异常时，有效地净化市电，还可以在市电突然中断时持续一定时间给计算机等设备供电。从用途上来说，随着信息化社会的快速发展，UPS广泛地应用于从信息采集、传送、处理、存储到应用的各个环节，其重要性日益突出。 [关键词]数字；广播大厦UPS；系统配置；产品选型

中图分类号：TN949.197 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0290-02 一、UPS系统配置方案

在新建数字广播大厦工艺供配电系统中，UPS直接为工艺用电设备供电，UPS及其相关供配电设备的质量和可靠运行直接关系到未来我台节目的安全播出。因此，UPS系统配置方案在整个工艺配电系统中起到极为重要的作用。

依据目前规划，九层UPS机房主要为播出系统供电，配置四台UPS主机，按照2（N+1）的拓扑结构进行配置，即双机双母线配置，如图1。系统主要为分布于七至九层各区域的播出设备供电，两路来电在末端配电箱进行切换，目前计算的负荷约为135KW。正常情况下，四台UPS主机均摊用电负荷。即便在极端情况下，如当其中的三台UPS主机同时出现故障，且不能向用电设备供电时，最后一台UPS主机可以承担起全部的用电负荷。

六层UPS机房主要为网络系统供电，配置两台UPS主机，按照2N的拓扑结构进行配置，即单机双母线配置，如图1。系统主要为分布于六层各区域的工艺设备供电，并且还为负一层至九层工艺竖井内的设备供电，两路来电在末端配电箱进行切换，目前计算的负荷约为169KW。正常情况下，两台UPS主机均摊用负荷。当一台UPS主机出现故障时，另一台主机可以承担起全部的用电负荷。

三层UPS机房主要为录制系统供电，考虑到用电保障级别与经济成本，目前预留两台UPS主机，计算的负荷约为80KW。在预留UPS主机的情况下，在设备前端配置办公用的小型UPS来满足用电需求。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

蓄电池系统为UPS电源提供应急电能，每台主机配一组电池。按照单母线供电不少于30分钟的原则，在九层机房为每台主机配置单套供电时间不少于15分钟的电池组，在六层机房为每台主机配置单套供电时间不少于30分钟的电池组。

一般认为容量在200KVA及以下的主机属于中小功率的UPS电源系统。根据目前我台未来规划的负载情况，适宜配置中小型UPS电源系统。另外，根据产品说明和使用规定，因为考虑到单机的负载率过高会影响到产品的实际使用寿命，所以要保证单机所带负载一般不超过额定容量的80%。例如，若两台UPS主机并机且平均分配负载的情况下，单台UPS主机所带负载最高不要超过40%。

在依据设计院的相关设计方案，考虑UPS系统配置方案和容量的同时，还需要确定UPS机型的选用。

二、工频机或高频机的选用

目前，市场上众多品牌的UPS既有工频机的产品，也有高频机的产品。在中小功率产品中，高频机居多。

1、两者在结构上的主要区别

（1）高频机采用IGBT整流器，而工频机多为可控硅整流器，从时间上看IGBT的研发及商业应用晚于可控硅。IGBT具有驱动功率小，开关速度快，工作频率高的优点。应用于中小容量的负荷中心，IGBT的应用完全可以满足需求，而且具有体积小、重量轻、能耗低的优点。

（2）与工频机不同，高频机不需要隔离变压器

工频机的特点是除了整流器、逆变器外还带有隔离变压器。由于过去电力电子器件的限制，缺少高耐压、大电流的功率器件作逆变器，整流器变换出的直流电压不能很高，所以逆变器输出的交流电电压较低，需要输出隔离变压器再进行一次升压。

目前，由于电力电子器件已能够满足中、小功率的高压设计，带输出隔离变压器的UPS，存在输入谐波污染高和效率低下、体积笨重等固有缺陷，这类结构在国际上已属淘汰之列。而高频机的出现解决了工频机结构体积大、效率低的问题。

并且，工频UPS在多机并联时会出现多个变压器的并联。变压器的并联是电力行业应尽量避免的情况，因为变压器并联时的环流是不可避免的，环流的长期存在将导致设备寿命的缩短。而高频UPS因没有输出变压器，所以几乎没有环流。 2、两者在技术参数上的比较

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

（1）UPS输入特性

输入功率因数为衡量输入特性优劣的重要指标。标准规定分为三类：Ⅰ类为≥0.95，Ⅱ类为≥0.90，Ⅲ类为≥0.85。输入功率因数越高对电网的影响就越小。输入功率因数低，意味着输入无功功率大，输入谐波电流将污染电网，造成电压失真，使由同一电网供电的变压器、电动机等产生附加谐波损耗、过热、加速绝缘老化；高次谐波对通信线路、测量仪器产生辐射干扰；影响电表计算精度。

目前，主流品牌的高频机单机可满足大于0.99，属于Ⅰ类。而工频机为0.9左右，属于Ⅱ类。相比较而言，高频机具有明显优势。 （2）UPS输出特性

逆变器的工作频率是输出特性的重要指标，工作频率的高低直接影响输出电压波形的好坏。

如图2所示：

触发开关的频率越低，方波越宽，包络线上锯齿台阶毛刺越明显，包络曲线的平滑连续性越差，输出的直流成分和奇次谐波成分越多。

触发开关的频率越高，方波越窄，包络线上锯齿台阶毛刺越不明显，包络曲线越接*滑的标准正弦波，输出的直流成分和奇次谐波成分越少。

高频机的逆变器工作频率较工频机要高，输出端电压波形更接近于正弦波，这样可以尽量避免由于输出电压波形不良，造成对负载端播出工艺设备的损害。 所以高频机不用加装输出隔离变压器，输出波形就较好。

又如输出功率因数，高频机PF≥0.9，而工频机PF≥0.8。输出功率因数越高，则UPS带载能力越强，反之输出功率因数越低，则UPS带载能力越弱。 因此，输出特性方面，高频机也整体优于工频机。

3、结合目前国内UPS市场行业现状，在中小容量的UPS种类的选择上，各家生产厂商及代理商均主推使用高频机。并且在行业内，高频机的使用正成为主流趋势。考虑到未来一段时间内所要求的技术领先性，以及在产品寿命期内，工频机产品逐渐减少，备品备件供应的可持续性等各种因素，高频机的使用成为首选。 三、选购UPS的重要因素

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

功率器件是在线双变换UPS的心脏，最好选择自行生产功率器件的UPS厂家，它不但选用优质的功率器件制造UPS，而且器件会运行在最佳状态，因而UPS性能好、可靠性高。并且应选用大功率高性能的IGBT，选用高集成度和控制功能更强的专业组件。目前主流一线的品牌如伊顿、APC、梅兰日兰、艾默生等。

最好选择全数字化、集成化控制电路的UPS，即UPS在变换、控制、反馈、测量、显示、通信等方面均采用数字化技术。数字化代表了UPS高指标、高可靠、高稳定的特性。 四、用电负荷的双电源配置

根据美国IDC的研究表明，在UPS供电中，影响供电可靠性的最大因素在于输出侧的配电系统，包括开关跳闸、熔丝烧毁、电路短路等供电回路故障：79%为UPS输出与负载之间的供电线路上的故障，11%来源于UPS和蓄电池，其他故障占10%。

未来六层和九层分别设有网络机房和播控机房，其中重要的工艺用电设备均由UPS供电。如六层网络机房，也属于数据中心的范畴。为了解决配电回路的故障，就要将服务器等设备的电源配置成N+X冗余电源系统，如采用1+1电源模块。服务器的电源冗余一般配备双份或多份支持热插拔的电源。正常工作时，每个电源平均输出一部分功率，从而使每台电源都处于轻松的符合状态，这样有利于电源稳定工作。若其中一台发生故障，则另外几台就会在没有任何影响的情况下接替工作，并通过灯光或声音报警。此时，可以在不关闭系统的前提下更换损坏的电源，所以采用热插拔冗余电源可以避免系统因电源损坏而产生的停机现象。 所以，目前依据设计院方案，网络及播出系统的重要工艺设备均为双电源设备。 五、未来的施工与使用维护

在未来的施工中，当安装和使用UPS时，应严格遵守厂家的产品说明书中的有关规定，保证UPS所接市电的相线和零线的顺序符合要求。

在以后的使用和维护中，三相UPS电源都会不同程度地向不对称负载或非线性负载供电，尤其网络和播出系统的工艺设备多为非线性负荷。当逆变器带不平衡负载或非线性负载时，会使直流输入电流出现两倍于逆变器工作频率的脉动分量，对设备的正常使用和寿命产生不良影响。

如果监测到这种现象比较严重，可以再进行施工改造。目前有多种方法可以滤除这种二次谐波分量，其中效果最好的是采用并联有源滤波器的方法。它可以实现通过把谐波源产生的谐波电流分离出来，用有源滤波器产生的电流进行抵消来达到抑制直流纹波的目的。因此，并联有源滤波器适用于消除由不平衡负载或非线性负载引起的二次谐波电流分量，滤波效果是非常显著的。 参考文献

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

[1]周志敏，纪爱华：UPS供电系统设计与工程应用实例，中国电力出版社，2011.10。 [2]周志敏，纪爱华：数据中心UPS供电系统设计与故障处理，电子工业出版社，2012.1。

[3]刘凤君：工频与高频三相绿色UPS电路，电子工业出版社，2011.4。