本文從UPS電源系統(tǒng)的可用性概念出發(fā)，對(duì)UPS內(nèi)部的設(shè)計(jì)，UPS系統(tǒng)的配置以及相關(guān)配電結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，給出了UPS系統(tǒng)提升可用性的方法。

前言

UPS電源是工業(yè)領(lǐng)域用來(lái)對(duì)負(fù)載進(jìn)行斷電保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)于斷電保護(hù)，針對(duì)不同的負(fù)載應(yīng)用，又有兩種類(lèi)型。一種是普通的電腦類(lèi)設(shè)備，當(dāng)斷電發(fā)生時(shí)，UPS電源需要為負(fù)載提供幾分鐘到十幾分鐘的后備供電時(shí)間。在這段后備時(shí)間之內(nèi)，負(fù)載設(shè)備會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等動(dòng)作以防數(shù)據(jù)丟失，之后負(fù)載就會(huì)關(guān)機(jī)。在UPS達(dá)到后備時(shí)間之后負(fù)載仍然會(huì)斷電，但這不會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。另外一種是在數(shù)據(jù)中心，以及工業(yè)應(yīng)用之類(lèi)的場(chǎng)合，對(duì)UPS的要求就是真正的不斷電，UPS系統(tǒng)必須提供整年每天24小時(shí)的連續(xù)供電。本文對(duì)可靠性與可用性的討論就是針對(duì)這種情況。

電源系統(tǒng)的可靠性通常可以使用MTBF（平均故障間隔時(shí)間，或者平均無(wú)故障工作時(shí)間，以小時(shí)表示）來(lái)表示，此外還有一個(gè)更加容易理解的指標(biāo)AFR（年失效率）。AFR和MTBF成反比關(guān)系，也就是AFR=8760/MTBF。因此MTBF越長(zhǎng)，則年失效率越低。

對(duì)于可維修的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)可用性的指標(biāo)，其定義是

A = MTBF / （MTBF + MTTR）

其中A是一個(gè)百分比指標(biāo)，MTTR值得是平均故障修復(fù)時(shí)間。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以非常快速的恢復(fù)，那么系統(tǒng)的可用性指標(biāo)就比較高。對(duì)于電網(wǎng)這類(lèi)對(duì)象來(lái)說(shuō)，使用可用性指標(biāo)可以更加直觀的衡量其可靠程度。而對(duì)于在關(guān)鍵場(chǎng)合經(jīng)常使用并聯(lián)冗余配置來(lái)說(shuō)，可用性指標(biāo)比可靠性指標(biāo)更具有現(xiàn)實(shí)意義。

可靠性/可用性指標(biāo)都是統(tǒng)計(jì)意義上的概念，一個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性/可用性與構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)模塊的可靠性/可用性之間也存在統(tǒng)計(jì)意義上的關(guān)聯(lián)。

假設(shè)電源系統(tǒng)中存在兩個(gè)電源模塊，而這兩個(gè)模塊是并聯(lián)工作的，其中一個(gè)和另外一個(gè)是互相獨(dú)立的，見(jiàn)下面圖中所示

那么考察這兩個(gè)模塊組合起來(lái)的系統(tǒng)的可用性Asys與每個(gè)模塊各自的可用性A1與A2的關(guān)系就有

Asys = 1 – （1 – AFR1）×（1 – AFR2）

另外一種可能是系統(tǒng)中這兩個(gè)模塊是串聯(lián)的，見(jiàn)下面圖中所示

那么這兩個(gè)模塊組合起來(lái)的系統(tǒng)的可用性Asys與每個(gè)模塊各自的可靠性A1，A2的關(guān)系就有

Asys = A1×A2

由于可用性肯定是處于0～1之間的數(shù)值，因此兩個(gè)并聯(lián)模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個(gè)串聯(lián)模塊的可用性要低于各自的可用性。

UPS電源的可靠性

從單個(gè)UPS的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，可以把整個(gè)產(chǎn)品按照模塊進(jìn)行劃分，下面圖中是一個(gè)典型的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看到，UPS各個(gè)模塊之間的依賴(lài)關(guān)系比較復(fù)雜，但是還是可以分出串并聯(lián)的關(guān)系如下

輔助電源與所有其他模塊都是串聯(lián)的，因此輔助電源的可用性直接限制了系統(tǒng)能夠達(dá)到的最高可用性等級(jí)；

控制模塊與除輔助電源之外的其他模塊也都是串聯(lián)的，因此控制模塊的可用性也會(huì)直接影響到系統(tǒng)總體可用性設(shè)計(jì)；

對(duì)于負(fù)載端來(lái)說(shuō)，能夠直接相連的只有旁路模塊與逆變模塊，而這兩個(gè)模塊是并聯(lián)的；

PFC/整流模塊與電池升壓模塊是并聯(lián)的，之后再與逆變模塊串聯(lián)；

從能源提供者來(lái)講，這里旁路電源與市電電源是兩路獨(dú)立的電源，而電池能源是由市電經(jīng)過(guò)充電模塊提供的。如果充電模塊故障的話電池就沒(méi)有能量存儲(chǔ)，實(shí)際上也無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的UPS功能，因此市電—充電模塊—電池也是串聯(lián)的。這樣可以畫(huà)出整個(gè)UPS系統(tǒng)的可用性串并聯(lián)路徑圖

從這一路徑關(guān)系里可以看到，總共存在3條并聯(lián)的路徑，而每一條路徑各自又是由數(shù)個(gè)模塊串聯(lián)起來(lái)的。正與前面分析的一樣，輔助電源與控制模塊的可用性是串聯(lián)在所有通路上的，因此如果這兩者設(shè)計(jì)有缺陷的話UPS的可用性是無(wú)法做的很高的。電池回路串聯(lián)有最多的模塊數(shù)量，也是可用性最低的一條路徑。