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大型不断电系统的设计与规划
摘要：
台湾众多的不断电系统厂商中，绝大部分都是以设计生产离线式UPS或是单相小容量的在线式UPS为主，三相大容量UPS则仅有数家专业厂商在研发设计及生产。
大部分的大型UPS皆仰赖进口，而其价格昂贵，故障维修时常因备品需国外原厂寄送，过长的等待修复时间常招人诟病。
台湾由于电子科技及半导体产业的进步发展，使其对制程所需的精密仪器设备对电源品质的要求日益提高，也带动了对大型UPS的需求。
本文将针对三相大型不断电系统的设计与规划，从系统架构与工作原理、相控整流器的谐波改善技术、主动滤波器的控制方法、逆变器的并联控制技术、UPS的电池管理及远端监控管理等做一详细的说明。
前言
影响电力品质因素有下列几种：
（1）电压过高或过低；
（2）突波及杂讯；（3）电压闪烁；（4）三相不平衡；（5）谐波失真；（6）频率异常；（7）市电中断。
目前不断电电源供应系统（以下简称不断电系统或UPS）已被广泛应用在用户端，以解决可能发生的电源品质异常问题。
不断电系统的操作原理为：
市电正常时先将电能储存于蓄电池，市电中断后再自蓄电池内取出供负戴使用。
一般来说不断电系统依其电路架构区分，可分为在线型（on-line）、电源互动型（line-interactive）及离线型（off-line）三种。
各类型不断电系统皆有其优缺点及适用场合，其中离线型不断电系统常见为单相低容量产品，此类系统所具备的功能较少，售价也较低，较普遍应用于个人电脑与其周边设备上。
然而该类不断电系统属热机待命型，因此当市电中断时，不断电系统须经过侦测、决定、及动作三个控制步骤，方能将电池电量经逆变器（inverter）作用投入负载使用。
换言之，市电瞬断时，负载须承受4-12毫秒因系统转换所造成的断电时间。
电源互动型不断电系统以逆变器的市电并联运转技术为基础进行设计，其逆变器同时负责电池充电及放电的电能转换工作。
此类系统由于逆变器平常即与市电并联运作，因此可减少系统从断电到电池释能所需的转换时间。
在线型不断电系统则先将市电电压整流成直流型式，并将直流电压与备用电池连结，再由逆变器二次转换为稳定可靠的交流电源输出给负载使用。
使用在线型不断电系统，负载将完全不会感受到市电电压的变化，故可提供负载设备最佳的电力防护方案，在实际应用中，较常用于保护对电源品质要求较高的仪器设备上。
对于三相大型不断电系统而言，其所接负载包括电脑、通讯设备、监视设备、防灾、重要照明及重要动力设备，由于工作区域常属不允许电压瞬断的操作环境，故常采在线型系统[1]。
此时用户所关切的技术问题包括不断电系统的输入功率因数、电流谐波量、电池寿命及维护管理、系统容量及扩充与监控通讯功能的完整性等。
其中功率因数及电流谐波量可由设计不同的整流器架构，搭配电力滤波器予以改善。
电池寿命则由其操作环境、充放电技术及完善的管理系统所决定。
系统容量及扩充，可采多机并联运转方式提高不断电系统的供电容量。
值得注意的是，不断电系统的并联运转除有助于其未来在供电容量上的扩充外，对于整体系统运转可靠度的提升，也有相当助益[2]。
监控通讯功能则可以发展网路UPS并采用阶层化的管理，以达到远端监控的目的。
在本文中除对该并联技术进行介绍外，第二节将说明三相大型不断电系统的电力架构与运转模式；第三节分别探讨整流器输入级的设计考量；其中包含了滤波器的控制技术；第四节详述了电池的管理技术及设计考量；第五节则是逆变器设计及并联控制方法；第六节则为UPS的整体设计考量，如何提高系统的可用性；第七节则为UPS远端监控与管理；第八节则为结论。
三相大型UPS的电力架构与运转模式
目前三相大型不断电系统可分为动态型及静态型两类，其中动态型不断电系统利用飞轮及马达发电机组（MGSet）等机械储能原理抑制系统可能发生的输出电压变化，其主要缺点为输出电压及频率稳定度差、暂态反应时间较长、系统体积庞大、噪音较大、维护保养较为复杂等。
随着电力电子技术的进步及功率半导体元件的发达，目前静态型不断电系统已被大家广为使用。
若从电路架构进一步来分析，静态型三相大型不断电系统可分成Delta变换型及二次转换在线型（doubleconversion）两种。
Delta变换型UPS的优点为效率高，但最大的缺点在于不断电系统输出频率会随着输入电源变化而变动，此意味着当输入电源频率不稳定时，UPS的输出频率也会随之变得不稳定。
因此在电力品质不佳的地区或是UPS搭配紧急发电机使用时，此种架构的UPS即无法使用。
而二次转换在线型UPS则没有此种缺点，由于系统输入端与输出端系采全隔离架构，因此输出电压及频率完全由逆变器独立控制。
当市电频率异常时，逆变器的输出会以额定电压及频率自立运转（freerunning），因此大型UPS几乎都是属于二次转换在线型。
图1 大型UPS基本架构图
图1所示是目前广泛应用于大型三相UPS的系统架构图，其主要组成有输入电抗器、相位控制整流器/充电器（rectifier/charger）、逆变器（inverter）、静态转换开关（StaticTransferSwitch，STS）、输出变压器、手动维修旁路开关及电池组。
其基本运转模式有：
（1）正常运转模式（normalmode）
市电由输入端送入，经整流器转为直流电源供逆流器使用及同时对电池充电，逆流器把直流电源应用脉波调变技术转为一稳定而无杂讯的交流电源，以供各种负载使用，如图2（a）所示。
（2）电池放电模式（batteryback-upmode）
当市电停电时，电池立即提供直流电源供逆流器继续正常运作，所以输出端不会有断电的现象，如图2（b）所示。
（3）备用电源供电模式（reservemodeorbypassmode）
当逆流器遇到异常状况，如温度过高、超载、输出短路、输出电压异常等，逆流器会自动保护锁机。
如此时市电的电源品质在合格范围内，UPS会自动将负载藉静态转换开关无间断地切换至备用电源，如图2（c）所示。
（4）手动维护旁路供电模式（maintainbypassmode）
当维护或保养时，先将UPS转为备用电源供电模式，利用先投入（CB4）再切离（CB3）（makebeforebreak）将负载不间断地转经由维护旁路开关（CB4）继续供电，最后切离CB1、CB2、FB。
此时，UPS内部（除端子排及各开关外）全无电源，可确保维护人员的安全，如图2（d）所示。
整流器输入级的设计考量
（一）整流器及被动式滤波器
在图1中L1、REC、LDC及CDC及相关的控制电路构成UPS的整流器/充电器。
其中REC是由SCR组成的相位控制整流器，作为输出的电压及电流控制，一般是采6脉波（6-pulse）整流器架构；LDC及CDC是直流滤波器以减少直流的涟波电压；L1是输入的匹配变压器或电感器，依德国VDE的标准，应有5%的标么阻抗以减少因相位整流器在换向时所造成电压凹陷（linenotches）现象反馈至输入汇流排，造成输入侧电压波形失真，进而影响其他接在同一汇流排的设备。
使用相控整流器的主要优点为：
控制电路简单、低频切换效率高、可靠度高、适合用于大功率大电流的整流器。
但其最大的缺点为由于整流器的非线性特性所产生的高电流谐波失真率及由于相控整流器须考量低市电电压输入时仍须维持稳定的直流输出而造成较低的输入功率因数。
典型的6脉波整流器架构，其主要的谐波电流成分为5次及7次谐波，而其总谐波失真率约为30%。
为了进一步降低相控整流器所产生的电流谐波，避免高谐波对汇流排上的其他设备产生不良的影响，一般来说可以用12脉波（12-pulse）整流器、被动式滤波器或主动滤波器（ActivePowerFilter，APF）来降低总谐波失真率。
表1所示为6脉波整流器、12脉波整流器、6脉波整流器加被动滤波器及6脉波整流器加主动滤波器的比较表。
表1 6脉波整流器、12脉波整流器及6脉波整流器加滤波器的比较表
12脉波整流技术，其主要原理为采用两组相控整流器，其中一组输入系利用变压器将交流电压移相30度，各自整流后，再于直流侧予以合成，产生12步阶直流涟波效果。
12脉波型整流电路所产生的谐波电流最低为11次及13次谐波，还高于6脉波型整流技术所产生的5次及7次谐波，且其总谐波含量也较6脉波型为低，其总谐波失真率约为10%。
另鉴于12脉波型整流电路在实现时可能因两组整流器输入电流不相等而导致输入电流谐波量增加，在设计整流器控制系统时，也须加入一额外的均流控制回路。
采用被动式滤波器除了可以有效降低输入电流谐波成分外，也可以提高输入功因因数。
其主要原理为：
在UPS的整流器输入侧并联LC谐波滤波器，藉由其制造低阻抗回路并联于谐波发生源，以有效吸收谐波含量达到滤波效果。
至于谐波滤波器的设计方式可根据下式决定：
其中fh为谐波频率、L为滤波电感、C为电容值。
对于6脉波整流器可以采用5阶及（或）7阶型滤波器，12脉波整流器可以搭配11阶及（或）13阶滤波器使用。
当UPS搭配被动式滤波器使用时，须注意评估在任何工作模式或条件下是否有谐波其振的风险，而且谐波滤波器的投入或切离应受到UPS的完全控制。
例如在下列情况，UPS应自动将滤波器切离。
（1）UPS工作于电池供电模式；
（2）UPS工作于旁路模式；（3）UPS由发电机供电；（4）UPS空载或轻载时。
（二）主动滤波器（APF） 图3所示为并联式主动滤波器搭配UPS使用的架构图，它是由电流感测器、软启动电路、储能电感及电容器、IGBT功率元件及DSP数位控制器等所组成。
图3 并联式主动滤波器架构图
图4所示为APF以DSP晶片来实现的全数位控制方块图[3]。
APF的控制架构系采用电源电流控制（sourcecurrentcontrol）。
其工作原理说明如下：
回授负载电流（也就是UPS整流器输入电流）经过谐波抽取（harmonicextraction）运算后，分离成基波成分及谐波万分，谐波抽取器系采用移动平均控制器（movingaveragecontroller），可以快速的达成谐波分离。
再经由模式选择单元（modeselectunit）可以让我们设定APF是工作在优先补偿谐波电流或是优先补偿功率因数，甚至还可以选择只补偿某些特定阶次的谐波。
电压控制器是用来稳定DCBus电压；电流控制器是采用具有重复控制（repetitivecontrol）的比例积分（PI）控制器，用以改善响应速度降低输入电流谐波失真，而SVPWM的调变技术由于它的DCBus电压利用率较高，因此被采用在IGBT的驱动控制上。
另外电流限制（currentlimitation）机制是用来限制APF的峰值及有效值电流以避免功率元件IGBT的损坏。
图4 主动滤波器DSP数位控制方块图
图5所示为120安培的APF搭配200kVA的UPS，在UPS满载情况下实测的总电流谐波失真率约为3.5%。
图5 主动滤波器实测波形
电池管理技术及设计考量
在静态式不断电系统中，电池是目前最主要的储能元件，而铅酸电池因有较优的价格性能比，因此最为被大家所广泛采用。
但一般铅酸电池的使用寿命仅约为3～5年，且与环境温度、充放电条件及放电次数有非常大的关系。
其中减少电池放电机率、精确控制充电电压大小及降低其涟波振幅皆有助于提升电池的使用年限。
为有效减少电池放电的机会，整流器设计须具备宽广的输入电压范围，市场上典型值为采输入额定电压±10%变动范围进行设计，对于电源品质不佳的地区，较佳的设计应采±20%的变动范围。
此外，UPS具有良好的电池管理技术，不仅可以延长电池寿命、节省营运成本，更能提高整个系统的供电可靠度，避免市电异常时电池无法提供即时或足够的电力供应。
先进的电池管理技术应包含下列几项：
1．智慧型充放电控制
UPS电池的充电方式应具有浮动充电（浮充）与均匀充电（均充）的功能，且充电系统须符合DIN41773国际规范。
大型UPS电池组都是相当多数量的电池串接使用，因此当电池组使用一段时间后，由于每一颗电池内部的化学性质不完全相同所造成的电池内部阻抗差异会因充放电速度不同而产生不均匀的现象。
此时如果充电动作仍继续进行，则已达饱和的电池即会被过度充电，而造成整串电池组的寿命及效率衰减。
均充的主要目的就是当UPS电池组放电后，以一个较高的电压在一定的时间内对电池充电以活化及消除电池不均匀现象。
UPS充电模式如图6所示。
图6 UPS的充电模式
此外，充电电压应具有温度补偿功能，一般铅酸电池最适合使用温度为5～35℃，当温度超出此范围时充电电压应能作自动调整。
对于UPS的应用充电电压调整的温度系数为：
-3.3mV/每℃/每一个cell。
当电池工作于放电模式时，UPS应能根据电池的放电电流大小（也就是负载大小）自动决定电池的低电位告警及锁机电压，以避免因负载太轻造成电池长时间低率放电而减短了电池的寿命。
2．电池自动测试与容量预测
UPS的电池组长时间处于定电压浮充状态，而且电池电压其实就是充电器的充电电压，管理人员无法得知电池是否已经老化或容量不足，甚至电池开关或保险丝是否断开也无法正确得知，常常要等到市电异常，需要电池提供备用电力时才发现问题，但此时可能为时已晚，已经造成负载断电的重大事故。
因此UPS须提供自动电池测试的功能，并可与监控软体配合做定期性的自动测试，若测试结果为异常，则UPS立刻发出告警并自动通知管理人员。
当UPS做电池测试时并不是关闭整流器，而是控制整流器的输出电压使其低于电池电压，而让电池自动放电供给负载。
电池组的放电测试曲线如图7所示。
其中测试时间及测试电压可以由管理人员依实际安装的电池容量及负载大小自行设定或是由UPS自行决定。
UPS具有人工智慧自我学习的功能，自电池组安装及电池参数设定完成后，在每一次的电池放电过程中，皆会自动记录放电曲线及相关资料，以作为往后电池测试正常或异常的重要参考及判断依据。
图7 UPS的电池测试曲线
此外UPS应具有电池容量预测的功能，在市电正常电池充电时可以显示出目前电池容量回充百分比；在市电异常电池供电时，可以自动计算并指示电池还剩余多少放电时间，以作为管理人员的参考。
3．电池漏液保护设计
当铅酸电池老化及电池外壳因充放电时的膨胀收缩特性造成电池盒的机械应力不足，将会造成电池电解液漏液的失效模式。
一般来说，输入电源系统已经实施了系统接地（若系统为三相四线式，则中性线会接地；若为三相三线式，则其中一相的火线会接地），当电池组中任何一个电池发生漏液而与电池箱碰触时，由于电池箱外壳已经实施了设备接地，因此对地形成一个低阻抗的电流回路，如图8所示。
并于电池漏液处发生火花及高热，因此可能造成电池外壳过热燃烧导致重大的公安事件。
图8 UPS电池漏液形成电流回路
若UPS能内建电池接地检测电路[4]，如图9所示，则当电池发生漏液接地故障时，UPS将发出告警并自动跳脱电池侧的电磁开关，以隔离电池回路避免发生危险。
若UPS系统在电池端未装设电磁开关，则可以关闭整流器的保护方式以达到切断电流回路的目的。
检测电路的动作原理为：
以一电流感测器连接于电池箱的接地端，用以侦测该接地端输出的接地电流信号，在经一信号处理器对该接地电流信号进行滤波及放大处理后送至一峰值比较器电路，用以检测出异常的接地电流后，产生一交流控制信号，在经一信号转换器将该交流控制信号转换成直流控制信号，并传送至UPS的微控制器进行相对应的保护程序。
图9 UPS电池接地检测电路
逆变器设计
（一）三相逆变器设计
在图1中INV、T1、CAC及其相关的控制电路，构成UPS的逆变器。
逆变器的输入来自整流器或电池，其输出经由静态转换开关（STS）接至负载。
基本上大型UPS的负载涵盖范围较广，不似微型和小型UPS大都提供电脑性设备。
大型UPS的负载包括电脑、通讯设备、监视设备、防灾、重要照明及重要动力设备，所以逆变器在设计时必须考虑各式负载的适用性。
尤其目前电子设备大都为单相负载，使用三相UPS时逆变器的设计必须能承担100%不平衡负载，且其输出电压仍能保持在规格内。
三相输出电压不平衡将导致旋转动力设备发生噪音及扭力波动，同时也造成三相整流设备的直流电压涟波变大，影响其性能。
因此采用每相输出电压独立调整机制的全桥型逆变器，可使逆变器的输出特性不受负载状况的影响。
现今逆变器的控制方法常采瞬时电压回授法。
该方法主要藉由即时回授输出电压值，经内电压波形及外电压振幅两控制回路处理，以达到定电压输出的目的。
此种方法在控制上隶属两阶系统，如进一步辅以相位领前及落后补偿器设计，系统将可达到高频宽及快速响应的目的。
（二）逆变器的并联运转
与单一系统的不断电系统相比，采用多机并联运转的UPS具有高系统可靠度、扩充容易（onSite扩充容量）及价格优势（节省初装成本）等优点。
然而要不断电系统可并联运转，在逆变器的设计上，除须具备与单机运转一样良好的电压调整功能外，尚须建立其独立调整输出功率的能力。
由于实务系统中并联机组间，无可避免的存在大量参数的不匹配性，如滤波器元件误差、控制电路零件误差、锁相同步讯号误差及参考电压误差等，如未适当予以控制，可能造成相当大的循环电流在并联系统内部流窜，导致UPS保护关机并联失败，有时甚至造成功率元件过热烧毁。
台达电子已发展出一专利型并联控制方法，可使不断电系统逆变器直接并聊而不需使用任何连结电感器。
该法的并联架构如图10所示，系利用逆变器控制策略的研拟，提供一种新型虚拟阻抗控制法以取代实体并联连结电抗的使用。
此时逆变器所输出的实功率与虚功率可藉由参考电压的振幅与频率分别加以调整，因此各并联机组得以独立控制其功率输出值，达到准确分流的目的。
另外，本法对于谐波电流分流的处理，系利用虚拟阻抗自然分流的特性达成，并不需要额外增加谐波处理电路，故可大幅简化并联电路的复杂性。
图10 台达电子新型并联架构
图11为应用新型降低法并联架构所实测的波形图，测试系统采四台80kVA机组并联运作，并进行空载至满载（320kVA）的步级变化测试。
由UPS的输出电压可看出，无论系统处于稳态或是暂态的运转情况，其电压无论是调整率、波形品质，均能维持与单机运转条件下相同。
图11 步级负载变化（0%～100%）输出电压波形
UPS的整体设计考量
对于大型UPS来说，由于所接的负载数量多且容量大，因此对于UPS可靠度的要求是非常高的。
我们常用MTBF（MeanTimeBetweenFailure，平均无故障时间）来衡量系统的可靠度，若MTBF数值愈大，代表系统可靠度愈高。
其实MTTR（MeanTimeToRepair，平均修复时间）也是一个重要的指标，因为任何电子设备都会有故障的机率，除了产品本身故障率要低外，更重要的是它要能很快速的被修复完成，也就是MTTR要愈小愈好。
因此系统可用性（systemavailability）这个指标更能代表UPS设计品质的好坏。
系统可用性的定义为：
SystemAvailability
=MTBF/（MTBF+MTTR）
=1/1（MTTR/MTBF）
由上式中可以看出当MTBF愈大且MTTR愈小时，可以得到系统最高的可用性。
因此我们设计规划UPS时，皆须无时无刻去考虑到如何提高系统的可用性。
下列所述的几种设计方式皆可达到提高MTBF或降低MTTR的目的：
（1）UPS具有并联冗余（redundant）及热备份（Hot-Standby）功能，以提高整个系统的可靠度；
（2）UPS内部采模组化设计易于更换维修；
（3）采用数位化控制架构，减少电子元件数目降低失效率（failurerate）；
（4）冗余的辅助电源设计、冗余静态开关控制电路设计及冗余的冷却风扇设计，提高系统可靠度；
（5）智慧型的冷却风扇多段转速控制，以延长风扇的寿命； （6）内建SRAM可记录多笔事件记录（EventLog）并能自我分析诊断作为维修人员的参考依据；
（7）故障模块或控制电路板自动指示，减少MTTR时间；
（8）智慧型的电池管理系统以延长电池寿命。
UPS远端监控与管理
传统大型不断电系统的远方监控常采三种方式：
（1）状态乾接点（StatusDryContact）、
（2）远方控制面板（RemoteControlPanel）、（3）经由网路卡、电信线路、个人电脑达成远方监控。
其中透过UPS监控软体须能达成以下目的：
（1）同时与多部UPS边线
当同一厂区UPS装设数量很多的时候，系统需有集中监控的能力将所有的UPS资讯（例如：
电压电流数据、事件纪录、SRAM资料等）集中于一套系统，共用一致的告警介面让管理人员经由一套系统即可管理所有的UPS。
当任何电力事件发生时，系统经由网路广播、呼叫器、e-mail、语音告警等主动通知相关人员，不仅可免除经常性的检查工作，还能在电力事件发生后的第一时间获得来自监控系统的通知讯息，可以有效降低管理人员的工作量。
（2）定时电瓶测试
UPS最主要的工作是在市电中断时立即为负载持续提供乾净良好的电源。
为确保UPS在断电时能发挥其应有的功能，必须确保电瓶保持在良好状态，当输入市电中断时UPS能顺利的切换至电瓶供电。
故系统须能依使用者设定的时间定时作电瓶测试（一般会设定在用电离峰时间，大部分是夜间或清晨），确保电瓶可以在需要的时候派上用场。
当电瓶测试失败时，可经由监控系统通知管理人员检查或更换电瓶。
（3）历史资料分析与保存
管理人员可以透过系统保留UPS历史资料及事件纪录档案，甚至将整年度的资料备份至光碟上，需要时再由监控系统载入分析。
所以系统不仅提供即时资讯还兼具读取分析备份资料的能力，能够协助管理人员快速取得所查询的资料并作统计分析，例如查询某一特定时间内发生了哪些电力事件及次数。
此外，对于保存的资料制作例行性的分析报表也能节省不少宝贵的时间。
（4）远端监控
当监控系统通知管理者有异常电力事件发生时，管理者未必在监控中心，此时须有管道能让他以远端监控的方式与UPS监控系统连线获得更完整的资讯，才能做出正确处理动作。
对偏远地区若无网路连线，我们也可以数据机点对点的方式作远端监控，若系统已有网路连接则以TCP/IP网路进行连线。
同时也提供HTTP让管理者只以网路浏览器就可以与监控系统连线，随时随地掌握最完整的电力资讯。
（5）保护各供电中的作业系统
UPS的重要负载最常见的就是电脑主机及工作站，所以保护各种类的作业系统在断电时能安全的关机也是监控系统的重点之一。
当从UPS状态中侦测到市电中断或电瓶低电位时，再依使用者先前的设定依序发出警告信号，当到达关机条件及时间后便将作业系统安全的关闭。
这项功能可以分担资讯管理人员的工作，不用急着在市电断电时赶回机房去关闭电脑主机。
图12 集中监控连线方式
由于网路的发达与普及，目前的UPS除透过监控软体外也可透过SNMP卡或Ethernet转接卡连线上网，如图12所示。
因此只要让所有的UPS连线上网，管理人员即可藉由集中监控软体管理世界上任何地方的UPS。
当需要跨国界或是跨厂区监控时，可以阶层式的管理方法，如图13所示。
以实际上UPS的安装位置来区分群组关系，让管理工作井然有序达到最佳的管理效果。
图13 阶层式管理网路UPS
结语
本文除介绍了三相大型不断电系统的系统架构与工作原理、相控整流器的谐波改善技术、主动滤波器的控制方法、逆变器的并联控制技术外，也详细说明了UPS的电池管理
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