【摘要] UPS是一種以整流器、充電器、電池組、逆變器、監(jiān)控器等裝置組成的、能夠?yàn)殡姎庳?fù)載提供恒壓恒頻電源的儲(chǔ)能設(shè)備。它是保障電力供應(yīng)和優(yōu)化配電質(zhì)量的有效手段，并逐漸發(fā)展成為質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠的自動(dòng)化局部供電中心。目前，采用多組UPS冗余并聯(lián)和在線維護(hù)(熱插拔)技術(shù)，大大增強(qiáng)了電源的可靠性。蓄電池是UPS的心臟，必須對(duì)蓄電池長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試。優(yōu)化充、放電方法，實(shí)行狀態(tài)管理。
不間斷電源系統(tǒng)UPS(Uninterruptible PowerSystem )，是 種以整流器、充電器、電池組、逆變器、監(jiān)控器等裝置組成的、能夠?yàn)殡姎庳?fù)載提供恒壓恒頻電源的儲(chǔ)能設(shè)備。UPS作為保障電力供應(yīng)和優(yōu)化配電質(zhì)量的有效手段，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸發(fā)展成為質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠的自動(dòng)化局部供電中心。
1 UPS的工作原理
UPS按其設(shè)計(jì)原理與工作方式可分為在線式UPS、離線式UPS 和在線互動(dòng)式UPS。
1.1 在線式UPS不論市電是否正常，它都一直按照"市電輸入 整流一逆變 輸出"的順序進(jìn)行，即由逆變器提供電源，同時(shí)對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。只有在逆變器過(guò)載或故障時(shí)才改由旁路(市電)輸出，其工作原理如圖1所示。
在線式UPS 的逆變器通常與用電設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，在供電狀態(tài)下可以改善電能質(zhì)量并防止因電壓、收稿日期：2005—11一l8頻率波動(dòng)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生干擾，從而避免負(fù)載遭到低品質(zhì)電力的侵害。一旦市電中斷，UPS中的逆變器能夠直接利用機(jī)內(nèi)蓄電池組所提供的電能來(lái)維持負(fù)載的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，供電轉(zhuǎn)換時(shí)間近似為O，真正實(shí)現(xiàn)了不間斷供電。因此，對(duì)重要用電負(fù)載采用在線式UPS供電方式是非常必要的。但是，由于在線式UPS的逆變器和電池組長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)中，使用壽命相對(duì)較短，設(shè)備更換也較為頻繁，所以該類UPS盡管供電質(zhì)量高，但綜合造價(jià)都比較昂貴。
圖1 在線式UPS供電系統(tǒng)
1.2 離線式UPS亦稱為后備式UPS，正常供電時(shí)，市電通過(guò)開(kāi)關(guān)s輸出給負(fù)載，同時(shí)通過(guò)充電器把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)。一旦電力中斷或市電輸入電壓、頻率超出UPS的允許范圍，就可以通過(guò)高速繼電器在短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟自身的儲(chǔ)備電源，經(jīng)逆變器向負(fù)載提供電能，其工作原理如圖2所示。
圖2 離線式UPS供電系統(tǒng)
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離線式UPS的特點(diǎn)是設(shè)備轉(zhuǎn)換效率高，系統(tǒng)易于維護(hù)，因此價(jià)格相對(duì)比較低廉，受到了大多數(shù)用戶的青睞，并在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出EPS(事故應(yīng)急電源系統(tǒng))技術(shù)。
1.3 在線互動(dòng)式UPS結(jié)合了在線式UPS供電質(zhì)量高和離線式UPS設(shè)備效率高的特點(diǎn)，可以根據(jù)負(fù)載的具體條件確定供電方式，其工作原理如圖3所示。
圖3 在線互動(dòng)式UPS供電系統(tǒng)
2 UPS技術(shù)的應(yīng)用
公共電網(wǎng)連接著成千上萬(wàn)各種各樣的負(fù)載，其中帶有感性、容性、開(kāi)關(guān)電源等特性的用電負(fù)載不僅從電網(wǎng)中獲得電能，還會(huì)反過(guò)來(lái)對(duì)電網(wǎng)本身造成影響，造成市電電壓波形畸變或頻率漂移，惡化公共電網(wǎng)的供電品質(zhì)。此外，意外發(fā)生的自然和人為事故，如地震、雷擊、發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)不穩(wěn)定、輸變電系統(tǒng)斷路或短路等，都會(huì)危害到電力的正常供應(yīng)，從而影響負(fù)載的正常工作。電網(wǎng)中經(jīng)常發(fā)生并對(duì)負(fù)載工作產(chǎn)生干擾或破壞的故障主要有電涌、高壓尖脈沖、暫態(tài)過(guò)電壓、電壓下陷、線路噪聲、頻率偏移、持續(xù)低電壓、市電中斷等。
為了有效防止電網(wǎng)故障對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成損失，UPS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并隨著現(xiàn)代電力電子科技的進(jìn)步不斷推陳出新，逐漸發(fā)展成為以高度可靠、性能齊全、高度智能化為主要特點(diǎn)的局部供電中心。一般來(lái)說(shuō)，UPS具備以下技術(shù)特性，以用電負(fù)載的正常工作：
(1)可靠性高，設(shè)備檢修和維護(hù)方便。
(2)抗干擾性高，能夠主動(dòng)適應(yīng)不同品質(zhì)的電源和負(fù)載。
(3)設(shè)備具有防雷擊及抗浪涌的功能。
(4)系統(tǒng)過(guò)載能力強(qiáng)，可以承受比較大的瞬態(tài)沖擊電流。
(5)具備智能化監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)和自我保護(hù)。
3 UPS設(shè)備維護(hù)
3.1 UPS的冗余技術(shù)和在線維護(hù)(熱插拔)
早期的UPS電源采用主備方式，其備用電源的容量和主電源相同，造成電源成本增加，而且在主備轉(zhuǎn)換時(shí)還會(huì)造成電能中斷。目前蓄電池組和開(kāi)關(guān)整流器的并聯(lián)及熱插拔(Ⅳ+l冗余供電方式)已經(jīng)取代主備方式，成為UPS電源的基本運(yùn)行方式，使得電源的可靠性能大幅度提高。Ⅳ+1冗余供電方式不僅降低了電源的成本，并且保證了供電過(guò)程不中斷。這種冗余供電方式的實(shí)質(zhì)是通過(guò)并聯(lián)平行操作的電源模塊提供分布式電源，的模塊并聯(lián)運(yùn)行并平均負(fù)擔(dān)當(dāng)前的負(fù)載，電源陣列比額定容量多配置1個(gè)功率模塊，當(dāng)1個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，特設(shè)的電路將故障模塊從負(fù)載上斷開(kāi)，其他模塊將立即支持負(fù)載，使其連續(xù)不問(wèn)斷地供電。替換模塊后，UPS的控制電路和蓄電池仍然可以在線運(yùn)行。這種靈活的模塊化設(shè)計(jì)，使用戶可以自行堆疊電池模塊，以增加UPS的輸出功率，延長(zhǎng)供電時(shí)間，大大增強(qiáng)了電源的可靠性。
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多組UPS冗余并聯(lián)和熱插拔技術(shù)的原理大體一致，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)要比單臺(tái)UPs復(fù)雜得多，這是因?yàn)榻涣麟姷淖兞勘戎绷麟娨?，有相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個(gè)變量，其中任意一個(gè)與市電電源不一致，都不能使UPS組投入電網(wǎng)。在投入電網(wǎng)后還必須不斷地檢測(cè)各臺(tái)UPS輸出的有功功率和無(wú)功功率，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓和相位等變量實(shí)現(xiàn)各UPS輸出有功功率和無(wú)功功率的平均分配。
由此可見(jiàn)，UPS的并聯(lián)和熱插拔技術(shù)有3個(gè)要求：一是能夠正常工作的UPS可以自動(dòng)投入電網(wǎng);二是并聯(lián)運(yùn)行的UPS之間有功功率和無(wú)功功率的均勻分l配;三是在不干擾電網(wǎng)的情況下快速切除故障UPS，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速維護(hù)。
3.2 UPS蓄電池的檢測(cè)和維護(hù)
蓄電池是UPS的心臟，不管UPS電路多么，其性能終取決于它的電池，蓄電池的穩(wěn)定性和在放電過(guò)程中能夠提供給負(fù)載的實(shí)際容量對(duì)電力設(shè)備的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。
目前，國(guó)內(nèi)的UPS一般采用閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)。實(shí)踐證明，VRLA端電壓與放電能力無(wú)相關(guān)性，VRLA和電池組在運(yùn)行過(guò)程中，隨著使用時(shí)間的增加必然會(huì)有個(gè)別或部分電池因內(nèi)阻變大，呈退行性老化現(xiàn)象。整組電池的容量值并不是以平均值或額定值(初始值)為準(zhǔn)，而是以狀況差的電池容量為準(zhǔn)。當(dāng)電池的實(shí)際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時(shí)，電池便進(jìn)入了衰退期，當(dāng)電池容量下降到原來(lái)的80%以下時(shí)，電池便進(jìn)入急劇衰退時(shí)期。由于衰退期很短，這時(shí)電池組已存在的事故隱患。
蓄電池的壽命主要取決于電池的充放電次數(shù)，隨著充放電次數(shù)的增加，蓄電池的內(nèi)阻增大，放電能力減少，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，這種變化會(huì)急劇加快，造成電池老化失效。因此，對(duì)蓄電池進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，優(yōu)化電池充、放電方法，并實(shí)行狀態(tài)管理非常必要。目前蓄電池組充電一般采用的ABM(AdvflncedBattery Management)3階段電池管理方案，將充、放電分成3個(gè)階段：(1)恒流均衡充電，將電池容量充到90% ;(2)浮充充電，將電池容量充到100%，然后停止充電;(3)自然放電，在這個(gè)階段里，電池利用自身的漏電流放電。一直到規(guī)定的電壓下限，再重復(fù)上述的3個(gè)階段。這種方式改變了以前充滿電后，電池仍然處于不問(wèn)斷浮充的狀態(tài)，有效延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。
4 UPS與EPS的比較
EPS技術(shù)是在UPS不斷應(yīng)用過(guò)程中迅猛發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，并隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力能源的依賴性不斷增加，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑電氣領(lǐng)域和有應(yīng)急供電要求的場(chǎng)合，以在發(fā)生電力事故的情況下提供必需的應(yīng)急電力，有效降低因?yàn)閿嚯姸斐傻膿p失，為人們生產(chǎn)和生活提供安全保障。因此，EPS也被稱為"城市生命線系統(tǒng)"。EPS與發(fā)展相對(duì)成熟的UPS比較，兩者的技術(shù)特點(diǎn)既有相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。
4.1 相同點(diǎn)
UPS和EPS均采用了IGBT逆變技術(shù)和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，并且都具備在市電中斷或故障的情況下繼續(xù)向負(fù)載提供電源的功能。從工作原理來(lái)分析，EPS近似于離線式UPS，但更加重視系統(tǒng)的安全性、可靠性、適用性及合理性。
4.2 不同點(diǎn)
4.2.1 UPS除了提供不問(wèn)斷供電外，比較注重于改善供電質(zhì)量，因此通常是選擇逆變優(yōu)先;而EPS則主要保證市電故障時(shí)的應(yīng)急供電，以防范重大災(zāi)難事故為主要目的，比較注重節(jié)能，因此是選擇市電優(yōu)先。所以兩者在工作原理和實(shí)際應(yīng)用中各有側(cè)重，在設(shè)備的整流/充電器以及逆變器的設(shè)計(jì)指標(biāo)上也各有差異。
4.2.2 兩者適用的安全規(guī)范明顯不同。目前我國(guó)EPS的發(fā)展主要起源于電網(wǎng)突發(fā)故障時(shí)為電力保障和消防聯(lián)動(dòng)的需要，能夠即時(shí)提供逃生照明和消防應(yīng)急，保護(hù)用戶的生命或身體免受傷害，并盡量減少經(jīng)濟(jì)損失。所以EPS要求具備消防聯(lián)動(dòng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制等功能，其產(chǎn)品技術(shù)要求接受公安部消防認(rèn)證監(jiān)督，安裝完成后必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)消防驗(yàn)收。而UPS主要用來(lái)保護(hù)用戶的設(shè)備或業(yè)務(wù)免受經(jīng)濟(jì)損失，一般以用戶自行監(jiān)控為主，其產(chǎn)品技術(shù)僅要求接受信息產(chǎn)業(yè)部認(rèn)證。
4.2.3 兩者的安裝和維護(hù)要求不同。由于EPS均為離線式使用，作為負(fù)載的后一道供電保障，其可靠性的設(shè)計(jì)要求更高，不可以簡(jiǎn)單地理解為后備式UPS。如果EPS在市電故障時(shí)，不能通過(guò)蓄電池應(yīng)急供電，則EPS如同虛設(shè)，造成的后果將不堪設(shè)想。因此EPS在設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收和維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)都有著更加嚴(yán)格的技術(shù)要求。
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