【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、能夠為電氣負載提供恒壓恒頻電源的儲能設備。它是保障電力供應和優(yōu)化配電質量的有效手段，并逐漸發(fā)展成為質量穩(wěn)定、性能可靠的自動化局部供電中心

【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、能夠為電氣負載提供恒壓恒頻電源的儲能設備。它是保障電力供應和優(yōu)化配電質量的有效手段，并逐漸發(fā)展成為質量穩(wěn)定、性能可靠的自動化局部供電中心。目前，采用多組UPS冗余并聯(lián)和在線維護(熱插拔)技術，大大增強了電源的可靠性。蓄電池是UPS的心臟，必須對蓄電池長期跟蹤測試。優(yōu)化充、放電方法，實行狀態(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、能夠為電氣負載提供恒壓恒頻電源的儲能設備。UPS作為保障電力供應和優(yōu)化配電質量的有效手段，已經(jīng)得到了廣泛的應用，并逐漸發(fā)展成為質量穩(wěn)定、性能可靠的自動化局部供電中心。

1 UPS的工作原理

UPS按其設計原理與工作方式可分為在線式UPS、離線式UPS 和在線互動式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”的順序進行，即由逆變器提供電源，同時對蓄電池組進行充電。只有在逆變器過載或故障時才改由旁路(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備同時運行，在供電狀態(tài)下可以改善電能質量并防止因電壓、收稿日期：2005—11一l8頻率波動對負載產(chǎn)生干擾，從而避免負載遭到低品質電力的侵害。一旦市電中斷，UPS中的逆變器能夠直接利用機內蓄電池組所提供的電能來維持負載的正常運轉，供電轉換時間近似為O，真正實現(xiàn)了不間斷供電。因此，對重要用電負載采用在線式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期處于工作狀態(tài)中，使用壽命相對較短，設備更換也較為頻繁，所以該類UPS盡管供電質量高，但綜合造價都比較昂貴。

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，市電通過開關s輸出給負載，同時通過充電器把電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存在蓄電池內。一旦電力中斷或市電輸入電壓、頻率超出UPS的允許范圍，就可以通過高速繼電器在極短的時間內開啟自身的儲備電源，經(jīng)逆變器向負載提供電能，其工作原理如圖2所示。

圖2 離線式UPS供電系統(tǒng)

離線式UPS的特點是設備轉換效率高，系統(tǒng)易于維護，因此價格相對比較低廉，受到了大多數(shù)用戶的青睞，并在此基礎上又發(fā)展出EPS(事故應急電源系統(tǒng))技術。

1.3 在線互動式UPS結合了在線式UPS供電質量高和離線式UPS設備效率高的特點，可以根據(jù)負載的具體條件確定供電方式，其工作原理如圖3所示。

圖3 在線互動式UPS供電系統(tǒng)

2 UPS技術的應用

公共電網(wǎng)連接著成千上萬各種各樣的負載，其中帶有感性、容性、開關電源等特性的用電負載不僅從電網(wǎng)中獲得電能，還會反過來對電網(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。此外，意外發(fā)生的自然和人為事故，如地震、雷擊、發(fā)電機工作狀態(tài)不穩(wěn)定、輸變電系統(tǒng)斷路或短路等，都會危害到電力的正常供應，從而影響負載的正常工作。電網(wǎng)中經(jīng)常發(fā)生并對負載工作產(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)故障對國民經(jīng)濟造成損失，UPS技術應運而生，并隨著現(xiàn)代電力電子科技的進步不斷推陳出新，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的局部供電中心。一般來說，UPS具備以下技術特性，以確保用電負載的正常工作：

(1)可靠性高，設備檢修和維護方便。

(2)抗干擾性高，能夠主動適應不同品質的電源和負載。

(3)設備具有防雷擊及抗浪涌的功能。

(4)系統(tǒng)過載能力強，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，實現(xiàn)系統(tǒng)自動調節(jié)和自我保護。

3 UPS設備維護

3.1 UPS的冗余技術和在線維護(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，而且在主備轉換時還會造成電能中斷。目前蓄電池組和開關整流器的并聯(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，并且保證了供電過程不中斷。這種冗余供電方式的實質是通過并聯(lián)平行操作的電源模塊提供分布式電源，所有的模塊并聯(lián)運行并平均負擔當前的負載，電源陣列比額定容量多配置1個功率模塊，當1個模塊出現(xiàn)故障時，特設的電路將故障模塊從負載上斷開，其他模塊將立即支持所有負載，使其連續(xù)不問斷地供電。替換模塊后，UPS的控制電路和蓄電池仍然可以在線運行。這種靈活的模塊化設計，使用戶可以自行堆疊電池模塊，以增加UPS的輸出功率，延長供電時間，大大增強了電源的可靠性。

多組UPS冗余并聯(lián)和熱插拔技術的原理大體一致，但實現(xiàn)起來要比單臺UPs復雜得多，這是因為交流電的變量比直流電要多，有相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個變量，其中任意一個與市電電源不一致，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各臺UPS輸出的有功功率和無功功率，通過調節(jié)電壓和相位等變量實現(xiàn)各UPS輸出有功功率和無功功率的平均分配。

由此可見，UPS的并聯(lián)和熱插拔技術有3個要求：一是能夠正常工作的UPS可以自動投入電網(wǎng);二是并聯(lián)運行的UPS之間有功功率和無功功率的均勻分l配;三是在不干擾電網(wǎng)的情況下快速切除故障UPS，實現(xiàn)系統(tǒng)的快速維護。

3.2 UPS蓄電池的檢測和維護

蓄電池是UPS的心臟，不管UPS電路多么先進，其性能最終取決于它的電池，蓄電池的穩(wěn)定性和在放電過程中能夠提供給負載的實際容量對確保電力設備的安全運行具有十分重要的意義。

目前，國內的UPS一般采用閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)。實踐證明，VRLA端電壓與放電能力無相關性，VRLA和電池組在運行過程中，隨著使用時間的增加必然會有個別或部分電池因內阻變大，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，而是以狀況最差的電池容量為準。當電池的實際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時，電池便進入了衰退期，當電池容量下降到原來的80%以下時，電池便進入急劇衰退時期。由于衰退期很短，這時電池組已存在極大的事故隱患。

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，蓄電池的內阻增大，放電能力減少，當達到一定程度時，這種變化會急劇加快，造成電池老化失效。因此，對蓄電池進行長期跟蹤測試，優(yōu)化電池充、放電方法，并實行狀態(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，再重復上述的3個階段。這種方式改變了以前充滿電后，電池仍然處于不問斷浮充的狀態(tài)，有效延長了蓄電池的使用壽命。

4 UPS與EPS的比較

EPS技術是在UPS不斷應用過程中迅猛發(fā)展起來的一個新興產(chǎn)業(yè)，并隨著現(xiàn)代社會對電力能源的依賴性不斷增加，已經(jīng)被廣泛應用于建筑電氣領域和有應急供電要求的特殊場合，以確保在發(fā)生電力事故的情況下提供必需的應急電力，有效降低因為斷電而造成的損失，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)展相對成熟的UPS比較，兩者的技術特點既有相同點，也有不同點。

4.1 相同點

UPS和EPS均采用了IGBT逆變技術和脈寬調制(PWM)技術，并且都具備在市電中斷或故障的情況下繼續(xù)向負載提供電源的功能。從工作原理來分析，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

4.2.1 UPS除了提供不問斷供電外，比較注重于改善供電質量，因此通常是選擇逆變優(yōu)先;而EPS則主要保證市電故障時的應急供電，以防范重大災難事故為主要目的，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際應用中各有側重，在設備的整流/充電器以及逆變器的設計指標上也各有差異。

4.2.2 兩者適用的安全規(guī)范明顯不同。目前我國EPS的發(fā)展主要起源于電網(wǎng)突發(fā)故障時為確保電力保障和消防聯(lián)動的需要，能夠即時提供逃生照明和消防應急，保護用戶的生命或身體免受傷害，并盡量減少經(jīng)濟損失。所以EPS要求具備消防聯(lián)動以及遠程監(jiān)測和控制等功能，其產(chǎn)品技術要求接受公安部消防認證監(jiān)督，安裝完成后必須通過現(xiàn)場消防驗收。而UPS主要用來保護用戶的設備或業(yè)務免受經(jīng)濟損失，一般以用戶自行監(jiān)控為主，其產(chǎn)品技術僅要求接受信息產(chǎn)業(yè)部認證。

4.2.3 兩者的安裝和維護要求不同。由于EPS均為離線式使用，作為負載的最后一道供電保障，其可靠性的設計要求更高，不可以簡單地理解為后備式UPS。如果EPS在市電故障時，不能通過蓄電池應急供電，則EPS如同虛設，造成的后果將不堪設想。因此EPS在設計、施工、驗收和維護等各個環(huán)節(jié)都有著更加嚴格的技術要求。