賽特蓄電池已被廣泛用于國防、電力、通訊行業以及不間斷電源（UPS）系統、應急電源系統（EPS）、應急照 系統、安防系統、風能和太陽能儲能系統等領域中，產品暢銷全國各地并遠銷歐美、非洲、中東和東南亞地區，享有良好聲譽。福建泉州賽特電源科技有限公司創建于1997年，是國內較早研發和生產閥控式密封鉛酸蓄電池的企 業之一，公司座落在福建省泉州市洛江區，占地總面積22000平方米，建筑面積20000多平方米。 賽特公司以設計、制造和銷售高質量的電源產品為使命，孜孜不倦地致力于閥控密封 式鉛酸蓄電池的研究、生產和銷售。經過12年來的發展，公司已經擁有雄厚的技術力量、訓練有素的員工隊伍和專業生產設備，年生產能力達500000千伏安時，可專業生產AGM和GEL蓄電池2大類。

1. UPS不間斷電源原理—簡介

　　UPS(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply)電源也稱不間斷電源，一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源，能夠提供持續、穩定、不間斷的電源供應的重要外部設備。從嚴格意義上講，UPS不是一種電源，它不是依靠能量形式的轉換來提供電能，它只是提供一種兩路電源之間無間斷相互切換的機會，這才是UPS的主要設計思想。

　　顧名思義UPS電源，它就是一臺這樣的機器，當市電輸入正常時，UPS 將市電穩壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩壓器，同時它還向機內電池充電;當市電中斷( 事故停電 )時, UPS 立即將機內電池的電能,通過逆變轉換的方法向負載繼續供應220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

　　總結：UPS在計算機系統和網絡應用中的主要作用有兩個：一是應急使用，就是防止突然斷電，影響用電設備的正常工作，以及給計算機造成傷害。第二個作用是可以凈化電源，消除掉市電上的電涌、電磁干擾、瞬時的高低電壓、電線噪聲、或是頻率偏移等“電源污染”，改善我們的用電質量，為我們的計算機系統以及精密用電設備提供高質量的電源。

2. UPS不間斷電源原理—組成

　　從構造上來說，UPS電源主要可以由蓄電池、逆變器、整流器和靜態開關等主要的幾個部分組成。

　　1) 蓄電池：主要是作為UPS電源儲存電能的裝置，它有若干個電池串聯而成，它容量的大小決定了可應急用電時間的長短。它最主要的功能就是可以將電能轉化為化學能儲存在電池內部，當需要電源故障，又能將電池中的化學能逆變成電能提供給我們的用電設備。

　　2) 逆變器：通俗來說逆變器就是將直流電轉化為交流電的一種裝置，它由濾波電路、控制邏輯和逆變橋三部分組成。

　　3) 整流器：整流器和逆變器相反，是一個將交流電轉化為直流電的裝置，它主要有兩個作用，一是將交流電轉化為直流電經過濾波處理后提供給負載設備或是逆變器，還有一個作用就是為蓄電池起到一個充電電壓的作用，好比是一臺充電器。

　　4) 靜態開關：又稱靜止開關，屬于無觸點開關的一種，由兩個可控硅方向并聯而成，并由邏輯控制器控制它的閉合和斷開。分為并機型和轉換型兩種，并機型開關主要用于并聯逆變器和市電電源，或是多臺逆變器。而轉換器開關主要是用于兩路電源的供電，實現從一路到另一路的自動切換。

3. UPS不間斷電源原理—工作過程

　　當市電正常為380/220VAC時，直流主回路有直流電壓，供給DC-AC交流逆變器，輸出穩定的220V或380V交流電壓，同時市電經整流后對電池充電。當任何時候市電欠壓或突然掉電，則由電池組通過隔離二極管開關向直流回路饋送電能。從電網供電到電池供電沒有切換時間。當電池能量即將耗盡時，不間斷電源發出聲光警示，并在電池放電下限點停止逆變器工作，長鳴告警。不間斷電源還有過載保護功能，當發生超載(150%負載)時，跳到旁路狀態，并在負載正常時自動返回。當發生嚴重超載(超過200%額定負載)時，不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態，此時前面輸入空氣開關也可能跳閘。消除故障后，只要合上開關，重新開機即開始恢復工作。

4. UPS不間斷電源原理—工作原理

　　UPS大致可分成三種：離線式(Off Line)，在線式(On line)和在線交互式(Line interactive)，下面小編逐個講解各種UPS的工作原理

　　1) 在線式不間斷電源(On-Line UPS)

　　在線式UPS(On-Line UPS)的運作模式為“市電和用電設備是隔離的，市電不會直接供電給用電設備”，而是到了UPS就被轉換成直流電，再兵分兩路，一路為電池充電，另一路則轉回交流電，供電給用電設備，市電供電品質不穩或停電時，電池從充電轉為供電，直到市電恢復正常才轉回充電，“UPS在用電的整個過程是全程介入的”。UPS電源一直使其逆變器處于工作狀態，通過電路將外部交流電轉變為直流電，再通過高質量的逆變器將直流電轉換為高質量的正弦波交流電輸出給計算機。

　　在線式UPS在供電狀況下的主要功能是穩壓及防止電波干擾;在停電時則使用備用直流電源(蓄電池組)給逆變器供電。由于逆變器一直在工作，因此不存在切換時間問題，適用于對電源有嚴格要求的場合。在線式UPS電源不同于后備式的一大優點是供電持續長，一般為幾個小時，也有大到十幾個小時的，它的主要功能是可以讓您在停電的情況可像平常一樣工作，比較適用于計算機、交通、銀行、證券、通信、醫療、工業控制等行業，因為這些領域的電腦一般不允許出現停電現象。

　　2) 離線式不間斷電源(Off Line UPS)

　　離線式不間斷電源只是“備援”性質的UPS，市電直接供電給用電設備也為電池充電(Normal Mode)，一旦市電供電品質不穩或停電了，市電的回路會自動切斷，電池的直流電會被轉換成交流電接手供電的任務(Battery Mode)，直到市電恢復正常，“UPS只有在市電停電了才會介入供電”，不過從直流電轉換的交流電是方波，只限于供電給電容型負載，如電腦和監視器。

　　平時處于蓄電池充電狀態，在停電時逆變器緊急切換到工作狀態，將電池提供的直流電轉變為穩定的交流電輸出，因此后備式UPS也被稱為離線式UPS。后備式UPS電源的優點是：運行效率高、噪音低、價格相對便宜，主要適用于市電波動不大，對供電質量要求不高的場合，比較適合家庭使用。

　　3) 在線交互式不間斷電源(Line interactive UPS)

　　在線交互式不間斷電源基本運作方式和離線式一樣，不同之處在于線上交錯式雖不像在線式全程介入供電，但隨時都在監視市電的供電狀況，本身具備升壓和減壓補償電路，在市電的供電狀況不理想時，即時校正，減少不必要的“Battery Mode”切換，延長電池壽命。

　　這是一種智能化的UPS電源，所謂在線互動式UPS，是指在輸入市電正常時，UPS的逆變器處于反向工作(即整流工作狀態)，給電池組充電;在市電異常時逆變器立刻轉為逆變工作狀態，將電池組電能轉換為交流電輸出，因此在線互動式UPS也有轉換時間。同后備式UPS相比，在線互動式UPS電源的保護功能較強，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波，而其最大的優點是具有較強的軟件功能，可以方便地上網，進行UPS的遠程控制和智能化管理。

UPS電源是工業領域用來對負載進行斷電保護的關鍵設備。對于斷電保護，針對不同的負載應用，又有兩種類型。一種是普通的電腦類設備，當斷電發生時，UPS電源需要為負載提供幾分鐘到十幾分鐘的后備供電時間。在這段后備時間之內，負載設備會進行數據存儲等動作以防數據丟失，之后負載就會關機。在UPS達到后備時間之后負載仍然會斷電，但這不會導致經濟損失。另外一種是在數據中心，以及工業應用之類的場合，對UPS的要求就是真正的不斷電，UPS系統必須提供整年每天24小時的連續供電。本文對可靠性與可用性的討論就是針對這種情況。

　　電源系統的可靠性通常可以使用MTBF（平均故障間隔時間，或者平均無故障工作時間，以小時表示）來表示，此外還有一個更加容易理解的指標AFR（年失效率）。AFR和MTBF成反比關系，也就是AFR=8760/MTBF。因此MTBF越長，則年失效率越低。

　　對于可維修的系統來說，還有一個可用性的指標，其定義是

A = MTBF / (MTBF + MTTR)

　　其中A是一個百分比指標，MTTR值得是平均故障修復時間。如果系統出現故障時可以非常快速的恢復，那么系統的可用性指標就比較高。對于電網這類對象來說，使用可用性指標可以更加直觀的衡量其可靠程度。而對于在關鍵場合經常使用并聯冗余配置來說，可用性指標比可靠性指標更具有現實意義。
可靠性/可用性指標都是統計意義上的概念，一個電源系統的可靠性/可用性與構成系統的各個模塊的可靠性/可用性之間也存在統計意義上的關聯。

　　假設電源系統中存在兩個電源模塊，而這兩個模塊是并聯工作的，其中一個和另外一個是互相獨立的，見下面圖中所示

　　那么考察這兩個模塊組合起來的系統的可用性Asys與每個模塊各自的可用性A1與A2的關系就有

　　Asys = 1 – (1 – AFR1)×(1 – AFR2)

　　另外一種可能是系統中這兩個模塊是串聯的，見下面圖中所示

　　那么這兩個模塊組合起來的系統的可用性Asys與每個模塊各自的可靠性A1，A2的關系就有

　　Asys = A1×A2

　　由于可用性肯定是處于0～1之間的數值，因此兩個并聯模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個串聯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UPS的設計來說，可以把整個產品按照模塊進行劃分，下面圖中是一個典型的UPS系統結構圖

　　從圖中可以看到，UPS各個模塊之間的依賴關系比較復雜，但是還是可以分出串并聯的關系如下
輔助電源與所有其他模塊都是串聯的，因此輔助電源的可用性直接限制了系統能夠達到的最高可用性等級；

　　控制模塊與除輔助電源之外的其他模塊也都是串聯的，因此控制模塊的可用性也會直接影響到系統總體可用性設計；

　　對于負載端來說，能夠直接相連的只有旁路模塊與逆變模塊，而這兩個模塊是并聯的；
PFC/整流模塊與電池升壓模塊是并聯的，之后再與逆變模塊串聯；

　　從能源提供者來講，這里旁路電源與市電電源是兩路獨立的電源，而電池能源是由市電經過充電模塊提供的。如果充電模塊故障的話電池就沒有能量存儲，實際上也無法實現正常的UPS功能，因此市電—充電模塊—電池也是串聯的。這樣可以畫出整個UPS系統的可用性串并聯路徑圖

　　從這一路徑關系里可以看到，總共存在3條并聯的路徑，而每一條路徑各自又是由數個模塊串聯起來的。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在所有通路上的，因此如果這兩者設計有缺陷的話UPS的可用性是無法做的很高的。電池回路串聯有最多的模塊數量，也是可用性最低的一條路徑。

　　要提升系統的可用性首先要提升關鍵路徑的可用性。從路徑圖上可以看到就是控制模塊與輔助電源。輔助電源是整個UPS的關鍵點，如果輔助電源不工作整個UPS都將癱瘓。提升輔助電源可用性的方式可以有很多種方案：一種是改進設計，提升MTBF；一種是對輔助電源也適用并聯冗余設計，提升可用性；再一種是對UPS的三條可用性路徑分別使用不同的輔助電源，相當于把原來完全串聯的路徑改成并聯。

　　在UPS設計中可以混合使用這幾種方式，由于上面三條可用性通路是并聯的，而旁路通路本身是可用性最高的一條，因此最為推薦的設計就是優先提升旁路的可用性，對旁路單獨使用一套輔助電源供電，并且這套電源的盡量采用簡單的設計，以擁有高的MTBF。

　　控制模塊同樣也是影響到所有路徑的關鍵點，也必須擁有高的可用性。參照輔助電源的處理方法，也可以給相對獨立的旁路路徑配備單獨的控制模塊，并且通過與其余控制功能協調工作來達到高可用性的目的。同樣，旁路上的控制模塊也要盡量簡單，以提升可靠性。一種推薦的做法是旁路控制模塊不斷的檢測UPS主控制模塊的狀態，如果發現主控制模塊，則自動切換到旁路方式。此外，對于主控制模塊來說也可以通過冗余的方式來提升可用性，比如采用雙MCU結構，當一個MCU檢測到另外一個MCU發生故障時可以接管另一個MCU的功能，或者采取緊急措施如轉旁路來保證負載不斷電。

　　對于UPS來說，電池是保證UPS能夠在市電或者旁路斷電發生時繼續維持供電的關鍵，但是串聯環節多，也恰恰是可用性為薄弱的環節。一般電池規格書里面會說明充電電流不要超過0.15CC，這就意味著電池在UPS滿載放電放完之后要用數倍的時間才能重新充滿，從這個意義上講其可用性一般都在20%以下。但是由于電池并不是連續工作的，只要在電池放完前市電恢復，在重新充電的過程中也沒有再發生斷電，那么負載仍然不會受到影響。從這方面來看，電池的可用性在只會發生短時間的斷電情況下還是很高的。

　　再重新來審視電池回路的可靠性，在電池與市電之間還有一個充電器模塊環節。如果充電器損壞則電池在一次放完電之后就無法再充回，導致下一次市電停電時負載斷電。但是充電器只是在電池需要充電時才會工作，因此如果能夠及時對充電器的狀態進行監控，在發現充電器異常時及時報警，就能夠避免充電器故障帶來的問題，從而提升整個UPS的可用性。對于電池也有一樣的手段。電池在使用多次之后也會面臨容量下降和失效的問題，但是如果能夠通過電池狀態監控發現電池失效并及時更換，也能夠有效提升UPS的可用性。

　　UPS系統的可靠性

　　由于UPS并非一個單獨的應用系統，而是要搭配有其他一些環境因素在里面，所以這些外部因素也是必須考慮進來的。前面提到過，UPS電池的備電時間是有限的，如果斷電時間比較長，導致電池電放完，那么負載就仍然會斷電。因此UPS可用性會受到市電發生長時間斷電概率的影響。

　　為了解決這一瓶頸，可以在UPS系統中加入一個特性和電池互補的備用電源：在市電斷電時的不需要很快反應，但是在長時間停電條件下能夠持續提供電力，燃油發電機組就是最為合適的一個選擇。因此在UPS系統配置上可以加入一個自動切換裝置，在市電停電后切換到發電機組。這樣一來能夠極大的提升長時間斷電條件下UPS系統的可用性。如此則UPS系統的可用性路徑就成為

　　雖然在可用性路徑里面多串聯了一個市電與發電機切換用的ATS，增加了單調路徑發生故障的概率，但是相對長時間斷電帶來的可用性問題來說還是值得的。

　　在UPS應用的另外一個分支是目前正在興起的直流UPS系統。直流系統的思路是出于提高效率的目的，減少電源系統中間的轉換環節，電力分配部分由原來的交流轉換成直流。一個理想的直流UPS系統服務器應用從市電到12V終端的應用結構見下圖。

　　而作為對比，一個相應的交流應用結構見下圖。

　　可以看出，理想的直流UPS系統由于把交流系統中UPS的逆變環節與服務器電源中的PFC環節使用一個隔離型DC/DC環節來取代，從而可以改善效率。不過在直流UPS系統里面由于電池電壓的變動范圍是比較大的，為了取得更優化的效率曲線，在后級的服務器電源中也有可能使用兩級結構。也就是通過一個簡單的轉換，減小服務器電源隔離DC/DC轉換級的輸入范圍，以得到更好的節能效果。此時的結構見下圖

　　在這種直流UPS體系里面，不存在交流UPS中的旁路回路了，只存在一個市電到電池回路，這個回路也兼有充電器的作用。因此從單個UPS的可用靠性角度考慮，直流UPS可靠性鏈路只有兩條，其中一條是兩級變換加上輔助電源與控制板，另外一條是電池，見下圖所示

　　與交流UPS相比，直流UPS供電少了交流UPS的旁路回路，少了一個提升可用性的回路。但是電池是直接給負載供電的，可用性要高于交流UPS。因此在可用性的方面直流供電系統有得有失。但是另一個方面直流系統比交流UPS更容易進行并聯，從而可以利用增加并聯臺數的方式增加可用性。

　　配電系統的可用性

　　對于一般的UPS系統應用來說，存在兩種常見的配置方式，一種是雙機熱備份，見下圖所示

　　在正常情況下由UPS1供電，如果UPS1的逆變/整流部分損壞，則仍然有UPS2可以供電。第二種配置方式是雙機并聯冗余，見下圖所示

　　這種配置方式下兩臺UPS是完全并聯工作的。基于前面可用性的原理，第二種配置方式比第一種會有更高的可用性。

　　這里就反映了可用性與可靠性的一個明顯不同。對于兩臺并聯冗余配置的UPS，由于器件多了一倍，那么出現故障的概率也會增高，因此從統計意義上來講整個系統的MTBF會下降。但是由于其中一臺出現故障之后仍然有一臺在工作，只要出故障的UPS能夠很快修復，負載就仍然處在有效的保護之中，可用性是提升的。從負載的角度衡量，評估系統的可用性比可靠性更加有意義。

　　在可用性的定義中，電源系統恢復的時間越短，則可用性也會越好。因此把電源系統設計為模塊化易更換的結構，可以大大減小維護時間，從而使得可用性顯著改善。

　　對于機房應用的場合，雙總線的概念應用十分廣泛。對于關鍵的服務器負載，一般都提供兩組電源輸入。相應的，在配電部分就也可以對應采用兩組獨立的電源總線。結合UPS本身就支持雙總線輸入，實際上可以構造出很多種組合形式。對不同方式進行比較后，比較推薦的一種典型的結構見下圖所示

　　這里把兩組獨立市電都供給兩套UPS系統，然后每一套UPS系統作為一條總線來使用，可以充分發揮市電雙總線，UPS內部雙總線以及負載雙總線高可用性的優勢。

　　結論

　　本文對UPS內部設計，UPS系統以及配電系統的可用性進行分析，給出了提升UPS電源系統可用性的思路。通過分析結果可以發現在UPS中采用旁路與市電獨立的電源，加入多CPU監控，加入電池控制等措施可以明顯提升UPS的可用性。另外一方面在系統層次上，選擇模塊化的結構，縮短維修更換時間，更多使用并聯結構，也可以明顯提升可用性。

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