隨著電子技術的不斷發展，人們對供電系統可靠性的要求不斷提高，不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）的應用場合不斷增多。目前UPS系統種類和功能繁多，特定的場合需要哪種類型和配置的UPS系統被廣泛關注；選定UPS系統后如何評估UPS系統性能也成為人們關注的焦點。本文從選型和性能評估兩個方面展開論述。

1 UPS系統選型

1.1 選擇UPS系統考慮的因素和步驟

選擇特定類型和配置的UPS系統取決于以下幾個因素：①功率要求；②功率因數；③成本；④尺寸和重量；⑤電網環境；⑥可靠性；⑦保護；⑧電能質量要求等級；⑨電池組的大小。

選擇UPS系統的過程包括7個步驟：①確定UPS系統的需求；②計算UPS系統的功率；③選擇UPS系統的類型；④選擇UPS系統的配置；⑤UPS系統的安全性；⑥UPS系統的可用性；⑦UPS系統的經濟性。圖1為UPS系統的選擇流程圖。

圖1 UPS系統選擇流程圖

1.2 確定UPS系統的需求

UPS系統的選擇在很大程度上取決于系統的應用場合。應用在醫療、軍事、民航、通信等場合的重要設備不容許有任何供電中斷的情況出現，此時就需要UPS系統提供不間斷的電源直到公共電網恢復供電。對各類數據中心而言，在整個設備掉電前UPS系統必須提供短時間的電源以供數據設備進行備份等操作。電力公司的商業停電歷史記錄可以更好地提供有關UPS系統選擇的統計數據。

1.3 計算UPS系統的功率

需要諸如負載容量、功率因數、浪涌電流、負載電壓、相數和頻率以及備用時間的規范來確定UPS系統的大小。對于單相系統，負載容量可以計算為(UI)/1000；對于三相系統，負載容量可以計算為(1.73UI)/1000。負載功率因數應在0.7～1的范圍內，具體取決于負載的性質。電池大小取決于負載大小和負載安全關閉所需的持續時間，電池容量隨著放電速率的增加而降低，因此電池容量決定了電池尺寸的大小。

1.4 選擇UPS系統的類型

UPS系統類型的選擇取決于系統的電源質量、保護、效率、體積大小和重量。不同類型的UPS系統有著不同的特點。表1給出了不同類型的UPS系統的特征。

表1 不同類型UPS系統的特征

1.5 選擇UPS系統的配置

保護等級和負載的功率決定了UPS系統的類型和配置。基于變壓器的UPS更適合大功率應用，由于電流隔離，它們更適合在電網環境較差的情況下為更敏感的設備（如醫療設備和數據中心）提供保護。無變壓器UPS系統更便宜，尺寸更小，適用于低功率應用，它們更適合在電網環境較好的情況下應用。

復雜的控制系統會增加UPS系統的成本。因此，UPS系統的選擇取決于性能和成本之間的平衡，同時還要考慮到最適合環境等其他因素的可接受水平。表2展示了不同UPS拓撲結構的特性。

表2 不同配置UPS系統特性

1.6 UPS系統的安全性

在選擇UPS系統時，應該最重視安全性。為安全起見，必須遵循政府和商業機構采用的規范和標準。電池組的操作需要特別小心。

1.7 UPS系統的可用性

由于UPS系統需要在任何市電中斷的情況下提供不間斷電源，系統的可用性和可靠性顯得非常關鍵。UPS系統的可用性由式（1）定義

式 （1）

式中：AUPS為UPS系統的可用性；MTBF為平均無故障時間；MTTR為平均修復時間。通過并機引入冗余單元可以提高UPS系統的可靠性，其中每個單元能夠為共同的負載提供不間斷電源。

1.8 UPS系統的經濟性

UPS系統的成本取決于系統的類型、配置、保護、備份時間和額外的附加功能。具有自動監控、快速切換和控制功能的大多數復雜系統需要額外的組件，這增加了系統的復雜性和成本。成本分析只能在前6個步驟結束時完成。

2 UPS系統的性能評估

對于分析UPS系統的性能至關重要的參數包括輸入功率因數、輸出電壓的總諧波失真（total harmonic distortion, THD）、瞬態響應時間以及從公用電網模式到備用模式的傳輸時間，反之亦然。因此，建議UPS系統的性能指標符合規定的標準。表3顯示了由IEEE標準ANSI/IEEE 446—1995定義的3相UPS系統性能規格。

表3 3相UPS系統性能規格

在Matlab/Simulink環境下搭建了2kV的在線式UPS系統，對本文提出的性能評估參數進行了建模仿真，分別給出了輸入電壓、線性和非線性負載、變化的負載、輸出電壓動態偏差和狀態切換的電壓電流波形，通過仿真結果對輸出結果進行分析。圖2為輸入的電壓和電流波形。

圖2 輸入電壓和輸入電流波形

輸入電流和輸入電壓相位幾乎一致，使THD最小，根據IEEE標準ANSI/IEEE 446—1995，在額定負載下最小功率因數為0.8，并且對于輸入整流器諧波含量小于5%的UPS系統是優選的。

UPS系統逆變器的輸出電壓和電流應調節好，非線性和非平衡負載的THD小于5%。此外，逆變器應對負載的突然變化表現出優異的響應。

圖3為UPS系統逆變器的輸出電壓和電流，根據標準，線性和非線性負載的THD小于3%（IEEE標準4%，每個諧波3%）。

圖3 UPS逆變器的輸出電壓、電流波形

圖4為逆變器分別對負載從0變化到100%和負載從100%變化到0的階躍響應。圖5為用于添加和去除變化線性負載的輸出電壓的動態偏差。控制器的動態特性不應超過IEC 62040-3—1999標準的分類1，輸出電壓變化5%。

從電網模式到備用供電模式的傳輸時間對于評估UPS系統的性能非常重要。在線UPS系統的傳輸時間可忽略不計，而在線交互式和離線UPS系統在UPS運行模式的變化期間有切換時間。

圖4 UPS逆變器對負載變化的階躍響應

圖5 輸出電壓的動態偏差

圖6和圖7分別為從電網模式到備用模式和從備用模式到電網模式的階躍變化的波形。仿真表明，電網狀態的變化對UPS輸出狀態無影響，實現了無縫切換，并且切換時間實現了ms級。

圖6 電網模式到備用模式的電壓和電流波形

圖7 備用模式到電網模式的電壓和電流波形

3 結論

本文根據UPS系統應用場合介紹了選擇UPS系統的7個步驟，從功率因數、成本、尺寸和重量、電網環境、可靠性、保護、電能質量、電池組的大小等方面詳細闡述了UPS系統選型的要求；從輸入功率因數、輸出電壓的THD、瞬態響應時間以及從公用電網模式到備用模式的傳輸時間分析了UPS系統的性能要求。

仿真結果表明，功率因數、輸出電壓THD、瞬態響應時間和電網狀態切換時間等參數能真實地反映UPS系統運行性能。