引言

    为了确保位于IDC机房中的各种网络设备均能处于7×24小时不间断的、高效的、可靠的和安全的运行状态之中，近年来，网络能源设备供应商及其相关的设计院采用了9种新技术和措施来不断地完善其端到端的一体化UPS供电系统的设计方案。在此基础上，为IDC机房建立起一套具有世界领先技术水平的、最大供电能力高达6000kVA的超大型的UPS供电系统，它采用的是双总线输入＋负载同步控制器＋负载自动切换开关＋能提供计算机级的局部净化接地系统的UPS双总线输出供配电系统的设计方案。这种端到端的一体化UPS供电系统不仅可以消除各种可能出现的单点瓶颈故障隐患，确保馈送到各IT设备的输入电源的零线对地线的电位<1V。而且,还具有向位于IDC机房中的各种IT设备连续不间断地提供高品质的UPS逆变器电源的能力，允许机房维护人员在逆变器电源连续供电的条件下、执行不带电的安全维护/维修操作，允许值班人员通过智能化的楼宇监控系统随时远程监控其运行状态及调阅各种运行参数和相关的报警信息等诸多优点。这样一来，就能消除因UPS供电系统进入交流旁路供电状态(包括交流静态旁路和维修旁路供电状态)而导致的网络瘫痪故障隐患发生,从而达到确保用户的重要的信息始终处于高度安全和可靠的保护状态之中的目的。

1    信息网络机房用UPS供电系统所应有的基本特性

    互联网/电信网控中心用的IDC机房承担着向各类网站、企业和用户连续地提供能处理、存储和传送突发性大的数据吞吐量的，高数据传输率的，高速宽带的互联网增值服务任务，从而使得各类用户均能在信息网络上顺利地执行各种信息资源（数据，语音和图形等）的处理、存储、交换操作，并成为完成各种网管功能的网络枢纽调控中心。鉴于当今被安装于信息网络机房内的绝大多数IT设备(服务器、小型机、交换机、光端机、网关、磁盘阵列机和通信设备)所允许的瞬间供电中断时间仅为15～20ms左右。这就意味着：对于在关键性的IDC机房中所用的UPS供电系统而言，在它的运行中、如果出现超过0.02s以上瞬间供电中断的故障时,就会造成网络瘫痪事故发生。大量的统计资料表明：一旦发生网络瘫痪，要想让整个网络重新恢复正常工作往往需耗时几十min～几h。众所周知：当今的社会生活对信息网络的依赖程度越深，由网络瘫痪所造成的危害性也越大。对于关键的信息网络而言，即使只有一个重要的关键性的服务器发生瘫痪故障，就可能带来巨大的经济损失和对公司信誉度的严重损伤。例如：对于电信行业所用的IDC机房来说，由于它们的话费收费系统和电话号码等信息资源的查询系统均是由UPS供电系统来负责供电的。因此，一旦其UPS供电系统因故发生输出停电事故，就有可能造成上述网管系统出现长达几十min的瘫痪。由此就可能给企业带来数百万元的直接经济损失和大量的用户投诉。显然，后者必然会导致公司因用户对它的信誉度的下降而带来难以估量的间接经济损失。基于上述原因：对于负责向信息网络机房供电的UPS供电系统而言，应满足如下基本要求。

1.1    输出隔离

    采用带输出隔离变压器的双变换、在线式UPS来逆变器电源，如图1所示。

图1    带输出隔离变压器的双变换、在线式UPS的控制框图

    大量的运行实践表明：只有带输出隔离变压器的双变换、在线式UPS电源才有可能向IT机房提供同时具有稳压的、连续供电的、无频率突变的、无干扰的、无波形失真的、零线对地线电位低的正弦波电源(熟悉IDC机房运行的人士都知道，为确保服务器、小型机等能高效运行的前提之一是：供电系统的零线对地线电位<1V)。其中稳压和连续供电的两种特性是确保IT硬件安全运行的前提条件,而后4种特性则是确保IT设备在数据处理、存储和传送操作的全过程中实现高速宽带、可靠操作的必要条件（降低误码率及逻辑操作错)。有鉴于此，在IT机房中不宜选用价格便宜的非在线式UPS或不带输出隔离变压器的UPS（它的零线对地线电位偏高）。

1.2    稳重性

    为确保信息网络所运行的数据安全、对于设计优良的UPS供电系统而言，是不允许它进入交流旁路供电的工作状态的。这是因为：一旦UPS进入交流旁路供电的工作状态时(包括交流静态旁路和维修旁路)，此时用户的所有关键性负载都是由毫无安全保障的低质量的普通的市电电源来供电的。这样一来，就会对信息网络的安全运行带来以下的严重故障隐患。

    （1）当输入电源出现闪断型的停电故障（瞬时停电>20ms)或者输入电源的电压波动范围超过±10％时，信息网络设备关机或者莫明其妙地开机自检误动作，从而导致网络瘫痪发生。这种危险性易于发生在公用电网上因故发生停电/短路故障时，重者就会因长时间的停电而造成信息网络设备关机，轻者就会因信息网络设备执行莫明其妙地开机自检误动作而造成网络瘫痪。此外，对于未采用双总线输出设计方案的UPS供电系统来说，一旦在UPS的输出端因故出现严重过载或者短路故障时，就会因断路器开关的跳闸时间或者熔断器的熔断时间(长达几十～几百ms左右)超过IT设备所容许的20ms时限、从而导致网络瘫痪故障发生)。

    （2）串入的各种电源干扰，使得IT设备的误码率增大、逻辑操作错，从而导致信息网络的有效运行速率急剧下降或者信息网络设备莫明其妙地死机(网络瘫痪)。

1.3    运行条件

    对于IDC机房用的供电系统来说，当它工作在恶劣的运行条件时（例：在它的输入电源端上出现高能浪涌或者频率突变时；在其UPS输入端出现短路故障时；在UPS电源的输出端有很大的非线性负载投入等恶劣工作环境时），能否确保UPS供电系统继续稳定可靠地工作在逆变器供电状态，也是能否消除网络瘫痪故障隐患的重要条件之一。

    为确保某公司的IDC机房能长期安全、可靠地运行，艾默生公司在充分地总结国内外IDC机房运行的成功经验及事故教训的基础上，提出一整套性能优越、设计功能完善的端到端的一体化UPS供电系统的设计方案(它包括从高压变压器的低压侧起，直到最终IT设备端所需的全套供电设备)。这样的一体化UPS供电系统可向用户的枢纽、核心的IDC机房长期地提供可利用率高达99.99999996％的高品质的UPS逆变器电源(年平均的停电时间小于14ms左右）。

2    适应信息网络时代需求的UPS电源的技术发展新动向

    为了确保在信息网络上所处理、存储、传输的数据的连续性、完整性、准确性，有必要研究信息网络(IT)设备与UPS电源之间的相互影响问题，以便能有针对性地改进UPS供电系统的特性来适应当代IT设备的技术需求。有关IT设备对UPS的要求可大致归纳如下。

2.1    输出过载能力

    IT设备所允许的瞬间供电中断时间约为15～20ms左右，为防止出现网络瘫痪故障隐患，UPS的逆变器应具有极强的抗输出过载能力。

    大型UPS典型的抗输出过载能力为：110％，1h；125％，10min；150％，1min。在实际工作中，为确保UPS能长期安全可靠地运行，所推荐的最大负载量一般为60％～80％UPS额定输出功率。因此，当UPS进入稳态工作状态后，它是不会出现过载现象的。造成UPS输出过载的重要原因之一是，在UPS输出端有大负载的整流滤波型负载投入时所形成的开机启动浪涌电流。例如：PC机和服务器的启动浪涌电流是它们的稳态电流的1.8～4倍。如图2所示，普通的UPS电源在带整流滤波型非线性负载(例：服务器、小型机、磁盘阵列机等)时，虽然从UPS的逆变器所输出的电压波是正弦波，然而，对于普通PC机而言，出现在UPS输出端的电流波却是脉宽为6ms左右的钟形波，对于带输出隔离变压器的UPS来说，当它在带PC型负载时的输出电流的峰值比(电流峰值同电流有效值之比)=2.6－2.8；当它在带具有输入功率校正功能的服务器、小型机、磁盘阵列等高档IT设备时的输出电流的峰值比=1.8－2.2左右。这就意味着，UPS在带相同功率的负载的条件下，同带电阻性负载(峰值比=1.4)相比，它的负载电流的峰值偏大，从而致使UPS的逆变器发生输出过载的几率将会有所增大。显而易见，由此必然会导致UPS转向交流旁路工作状态的几率增大。为确保当整流滤波型非线性负载在开机启动时，UPS既能提供足够大的瞬态过载输出电流，又能确保它不会进入交流旁路工作状态，目前有两种技术手段。

（a）PC机，网关、家电用品和通信电源    （b）带PFC的服务器、小型机和通信电源

图2    单相的整流滤波型非线性负载的典型工作波形

    1）过去为解决此问题，常采用提高UPS电源的输出过流阈值的办法来增强其抗输出过载能力。也就是说：通过提高输出电流的有效值的办法来提高其抗输出过载能力。例如：从150％，30s提高到200％，5s或300％，200ms等。为此，就必须增大UPS逆变器的IGBT功率放大管的功率裕量和增如它的输出隔离变压器的输出功率，增大风扇的冷却功率等技术措施。前者会造成UPS产品的生产成本的增高，降低产品的市场竞争力；后者会造成UPS的噪音增大。

    2）艾默生公司所采用的技术措施是在确保UPS获得相同的瞬态输出功率和基本不提高其输出电流的有效值的前提下，采用扩宽输出电流脉冲的宽度，降低UPS的输出电流的峰值的办法来提高UPS的抗输出过载能力(采用瞬态峰值电流限流技术设计方案的UPS，如图3所示)。由此所带来的明显优点是，将可能出现在UPS输出端的负载电流的峰值同UPS的输出过流阀值之间的差值大大地增宽、将负载电流的峰值限制在155％的额定输出电流左右，从而达到在低成本、低噪音的条件下、实现提高UPS输出过载能力的目的。从测试UPS在PC机型的整流滤波型非线性负载时的输出电压和电流的工作波形图上，我们可以从中得到如下三点重要启示：

    （1）当UPS在带整流滤波型非线性负载时所可能形成的开机启动浪涌电流的实?持续时间小于200ms(典型值：140ms)。有鉴于此，为了能更有效地比较各种UPS品牌的抗输出过载能力的高低，宜采用它们在过载期为200ms时的输出过载电流的有效值的大小来作为其判断标准(例如：220％，200ms的UPS优于150％，1s的UPS)。

    （2）同UPS的稳态输出电流相比，在整流滤波型非线性负载被刚投入的初期，如果能采用必要的技术、将出现在UPS输出端的启动浪涌电流的波形调控为脉宽被大大展宽，但幅值被大大降低的限流型的电流波形的话，必将有利于大大降低UPS转交流旁路的几率。显而易见，在输出瞬态启动功率相同的条件下，这必将能极大地增强UPS的有效抗输出过载能力。

    （3）UPS在带PC型非线性负载时，所形成的负载电流是一种脉宽为6ms左右的钟形的，不连续的非正弦形的电流波。然而，当它在带具有PFC功能的服务器型负载时，其负载电流则会变成是一种三角形的、连续的非正弦形的电流波。所测试到的这些非正弦形的电流波均呈现滞后特性(PF=－0.8～－0.97)。

图3    非线性负载的开机启动浪涌电流波形

2.2    谐波制理

    目前用于IT机房内的多数IT设备都属于单相整流滤波型非线性负载。对于不带输入功率因数校正功能的单相IT设备来说,由它们所产生的电流谐波分量高达80％以上。对于带输入功率因数校正功能的单相IT设备来说,由它们所产生的电流谐波分量也在17％～28％。相关的测试数据表明：其最大的电流谐波分量为3次谐波分量。众所周知，由于这种3次电流谐波分量及其奇数倍谐波分量的出现，就会导致它们在三相电源的零线上进行矢量和相加。由此所带来的恶果是：造成UPS的输出零线电流增大，零对地电位增高，UPS输出变压器的温升增高、UPS中的IGBT功放管的失效率增大。为了能有效地抑制由IT设备反射到UPS输出端的的谐波电流所可能造成的负面影响，可采用的技术措施有：

    1）将UPS的输出变压器置于降额使用状态    例如，原设计为带线性负载（电流谐波失真度THD<5％的变压器），如果被用于带可能产生THD=75％电流失真度的非线性负载时，为确保变压器的工作温度被限制在它的绕组的绝缘材料所允许的安全温度范围之内，则需将该变压器置于降额50％的工作状态下使用。这是因为：一旦变压器的工作温度超过其所允许的温升上限的话，温度每上升10℃，就会造成变压器的使用寿命被缩短一半。

    2）采用专用的高效冷却风道    配置N＋X型的冗余风扇，随UPS的负载百分比变化而自动调节其风扇转速的变速风扇来强制冷却变压器的设计方案。

    3）配制带Z－Z绕组的隔离变压器或专用的K型隔离变压器    为用户的IT设备提供一个局部净化接地系统，在这里，配置Z－Z绕组的隔离变压器的重要目的之一是：消除由单相IT设备所产生的3次电流谐波及其奇数倍电流谐波分量，从而达到大幅度地降低IT设备的输入电源的零线对地线的电位的目的。这样一来，就可以向用户提供出计算机级的接地系统。

    此外，我们也可采用配置K型变压器的办法来削弱由整流滤波型非线性负载所反馈回到UPS输出端的高次谐波电流所产生的热损耗所可能带来的负面影响（变压器的异常温升），从而达到有效地保证UPS始终处于安全的工作状态之下。按照UL1561标准，K型变压器的K值定义为：

    K=（∑I_n²×n²）/（∑I_n²）

式中：I_n为n次谐波电流的幅值。

    在这里，K型变压器的K值越高，则表明它处理谐波电流的能力越强，如表1所列。

表1    K值同它所能处理的由非线性负载所产生的谐波电流的关系

2.3    零线对地线的电位

    由于高档的IT设备(例:小型机、服务器等)的输入电源所允许的零线对地线的电位很低(典型值<1V)，只能设计/选用零线对地线的电位低的UPS电源。

    对于关健性的信息网络机房而言，不宜选用不带输出隔离变压器的UPS电源来供电。虽然这种UPS具有输入功率因数高、体积小、重量轻和价格便宜等优点。然而由于它所具有的自身的缺点，将会对信息网络所运行的数据的安全造成严重的威胁。所以，一般说来，这种UPS只宜被用于非关键性的信息网络的供电系统中(在这里，万一发生网络瘫痪故障时，它只会给用户带来工作效率的下降或者工作时间的浪费，而不会造成重大的经济损失或者公司信誉度的下降或损伤)。

    一台典型的不带输出隔离变压器的UPS的工作原理图被示于图4中，由三相全波整流电路、升压储能电感L_＋和L_－、IBGT管S₁和S₂、二极管D₁和D₂、滤波电容C₃和C₄共同构成它的高频IGBT脉宽调制型整流器。由它分别向后级的三相半桥式电SPWM型的逆变器(注：为简化计，在图中仅画出三相半桥式逆变器电路中的A相逆变器回制电路)提供它所需的正、负直流总线电压V_dc＋和V_dc－。由正、负直流总线电压V_dc＋和V_dc－，IGBT管S₃和S₄，高频滤波器(由L₁和C₁组成)所组成的A相逆变器在SPWM型调制脉冲的控制下，就能直接向外送出50Hz的逆变器电源。对于采用这样的三相高频脉宽调制型IGBT整流器和三相半桥式SPWM调控型逆变器设计方案所制备的频UPS来说，可能会对IDC机房中的信息网络设备带来如下网络瘫痪故障隐患:

图4    不带输出隔离变压器的UPS（高频机型UPS）

    1）UPS输出电源的零线对地线电位偏高，如图4所示，在＋SPWM调制脉冲的调控下，调制频率为15～20kHz的正SPWM交变电流将会沿着电解电容C₃正极→S₃功率管→高频滤波电感L₁→高频滤波电容C₁→UPS的内部零线→电解电容C₃负极形成正向高频交变电流通道。类似地，在－SPWM调制脉冲的调制下，频率为15～20kHz的负PWM交变电流将沿C₄正极→UPS的内部零线→S₄管→C₁→L₁→C₄负极形成负向高频交变电流通道。正是在这种高频交变电流的作用下，就会在这种UPS的输出端上形成带高频尖峰干扰型的幅度偏大的零线对地线电位输出波形。它同带输出隔离变压器的UPS相比，由此所带来的零线对地线电位输出特性的恶化程度(见表2)表现为：

表2    不同类型的UPS的零线对地线电位的输出特性

    （1）零地对地线电压的频率从50Hz上升到15～20kHz，众所周知，干扰源的工作频率越高，它对信息网络设备安全运行的危害程度也越大，从而导致网络所运行的数据的误码率增大或者IT设备的发生误操作的几率增高；

    （2）零地对地线电压的幅值的有效值从带输出隔离变压器的UPS的零点几伏上升到不带输出隔离变压器的UPS的几伏，显然，高频干扰源的幅值越高，它对信息网络设备安全运行的危害程度也会越大。

    为确保由信息网络所运行的数据的安全，由于在目前新建的IDC机房中，对于已大量使用高档服务器和小型计算机等IT设备而言，它们均要求其输入电源后零线对地线的电位小于1V。显然，在此条件下，再选用不带输出隔离变压器的UPS是难于满足上述要求的。此时，有的用户厂家试图采取将这种UPS的输出端的零线同地线直接短接起来的办法来降低零线对地线的电位。然而，相关的电源安全操作规程及大量运行实践表明：这不仅会导致加大流过逆变器IBGT管的工作电流和失效率。而且，它也无法完全消除可能出现在UPS输出端的零线对地线电压波中的高频尖峰干扰。因此，宜优选带输出隔离变压器的UPS电源来为关键核心的信息网络设备供电。

    2）由于在不带输出隔离变压器的UPS所输出的逆变器交流电源中，常包含直流偏置分量，从而对N＋1型UPS冗余并机系统的安全运行带来严重威胁。这是因为在这种UPS的长期运行中，很难保证由它的三相高频脉宽调制型IGBT整流器所输出的正、负直流总线电压和由三相半桥式逆变器所输出的交流电源的正、负半波的幅度始终处于完全相等的理想状态之中,从而为N＋1型UPS并机系统的均流和环流的调控操作带来更大的难度。

    3）在不带输出隔离变压器UPS电源中，由于没有输出隔离变压器对来自非线性负载端的尖峰干扰和浪涌电流的缓冲隔离作用，从而导致UPS的故障率增大。此外，在带相同的整流滤波型非线性负载的条件下，同带输出隔离变压器UPS电源相比，其负载电流的峰值比也会有所增大。

    4）对于不带输出隔离变压器的UPS来说，当因故致使UPS中的逆变器的IGBT管被短路击穿时，来自它的直流总线的±400V高压就可能会被直接送到用户的负载上，从而对IT设备硬件的安全运行带来严重的威胁。

2.4    电磁兼容（EMC）

    在当今的高档IT设备中的CPU芯片所采用的直流辅助电源的电压有逐年下降趋势(5V→3.3→1.7V)。这意味着，必须采取必要的技术措施来降低可能串入到UPS的各种干扰的幅值。为此，应从UPS的设计和制备工艺入手、解决UPS的抗空间电磁辐射干扰及抗传导性干扰问题，以便提高其电磁兼容性。对于那些可能使用对电磁干扰特别敏感的设备的用户而言,应该选用符合EN50091-2 ClassB级的UPS产品，不宜选用普通的ClassA级的产品。

    近年来，艾默生公司在其它所生产的Hipulse系列UPS中采用下述措施来提高UPS的抗干扰能力。

    1）对所有的关键性控制板（整流器，逆变器，静态开关板）均采用双层金属电磁屏蔽罩的保护措施，从而大大提高UPS的抗电磁干扰能力及抗灰尘侵入的能力。显然，后者对确保UPS能长期地、安全地运行创造出一种极为有利的工作条件。长期的运行实践表明：大量的灰尘在UPS的各种控制板上的堆积，必然会导致UPS的使用寿命的缩短。

    2）在UPS的输入端，交流旁路端和输出端都配置有高功率的滤波器，从而大大提高UPS的抗传导干扰的能力和电磁兼容性能。

    此外，接地系统必须设计合理，以确保位于同一网络中的各IT设备的地线尽可能地具有等电位的运行特性。

2.5    输出功率因数

    UPS的输出功率因数有从0.8逐渐上升到0.95以上的发展趋势。

    众所周知，在IDC机房中所使用的服务器中，需要利用一种AC/DC变换型的开关电源来为它的CPU和各种控制器提供各种低压直流辅助电源。在过去的多数计算机和服务器的开关电源的设计中，它们的输入功率因数都比较偏低(0.7～0.8)。然而，近年来，已有越来越多的服务器生产厂商，在他们所制备的产品的设计和生产中，普遍地采用输入功率因数校正技术。在此背景下，使得目前的新型服务器的输入功率因数从0.8左右被逐渐地提高到趋于1。为适应这种变化趋势及能有效地利用UPS的输出功率，艾默生公司新推出一种X-Treme型UPS输出功率因数的调控选件。当用户在为传统的UPS(输出功率因数0.8)选配上这种部件后，就可以将UPS的输出功率因数细调到完全同服务器或其它的IT设备的输入功率因数相匹配的最佳运行状态。目前可提供两种产品：一种为PF的调节范围为：－0.8～1；另一种为PF的调节范围为：＋0.9～1。

2.6    输出特性

    为了能更有效地利用输入电源的能量，尽可能地降低UPS的输入电流谐波分量。目前，最常用的办法是，在中、小型UPS中、配置IGBT脉宽调制功能的整流滤波器(输入功率因数>0.95～0.99，输入电流谐波分量THD<3％～5％)；在大、中UPS中配置带11次谐波输入滤波器＋12脉冲调控的整流滤波器(输入功率因数>0.95，输入电流谐波分量THD<4.5％)。对于这些UPS来说，它们都能满足输入电流谐波分量THD<5％及输入功率因数PF=0.95～0.99的优异输入性能的要求。

2.7    双总线输出系统

    宜选用UPS双总线输出系统的设计方案，来尽可能地适应高档IT设备所具有的多路交流输入电源的技术需求。

    由于在目前的IDC机房中，越来越多的关键服务器和通信设备的产品设计中，采用双路甚至多路交流输入电源的工作体制，以便确保这些网络设备能获得尽可能高的可利用率。因此，在为信息网络机房配置供电系统时，宜选用双总线输出型的UPS供电系统设计方案，以便达到同后级的IT设备相匹配和确保在信息网络所存储、处理和传送的数据的安全和可靠的运行的目的。

2.8    热插拔功能

    在承担向末级IT设备供电的末级输出配电柜中，配置具有热插拔功能的小型断路器开关。

    对于关键性的信息网络来说，UPS一旦被开启后，希望就能永远不停地运行下去。为此，在目前的新建IDC机房中，有越来越多的用户在他们的末级配电柜中，选用不仅具有热插拔功能的小型断路器开关，而且，还能通过用户的集中监控系统对这些开关的通断状态或是否处于过流工作状态进行检测。由此所带来的明显优点是，用户不仅可以随时了解为各台网络设备供电的小型断路器开关的实时工作状态。而且，在万一遇到某个小型断路器开关因故损坏时，只需要通过对这个开关执行热插拔的操作，就能进行相关的更换操作，而无需关掉末级配电柜中的总开关，从而达到尽可能地降低因执行开关的更换操作所可能带来的负面影响。

2.9    研发和生产基地