電力專用在線式UPS的研究

趙克信　李超

摘要：隨著經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，不間斷電源（UPS）在各個行業(yè)的重要性不斷增加，尤其是醫(yī)院、銀行等行業(yè)應(yīng)用更為廣泛。目前不間斷電源（UPS）主要有兩種：后備式和在線式。后備式UPS將UPS電源作為備用系統(tǒng)，正常工作時由供電網(wǎng)為負載提供電能，只有當供電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，UPS電源系統(tǒng)才會發(fā)揮作用向負載提供電能；這種方式成本較低，功率較小。在線式UPS可以為負載提供穩(wěn)定的、高質(zhì)量的純凈式正弦波交流電，因此在眾多UPS中性能最為突出。

關(guān)鍵詞：電力專用；在線UPS；電能

目前，UPS工業(yè)電源主要有后備式和在線式，電力專用在線式UPS主要用于發(fā)電廠和配電所，其主要結(jié)構(gòu)分為六個部分：DC/DC、靜態(tài)開關(guān)、DC/DA、APFC和輸入輸出EMI濾波器。

在交流輸入正常的情況下，用過APFC將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，再通過DC/AC變換器將直流電壓逆變?yōu)檎也?，將正弦波輸出到負載，為負載提供電能；如果交流輸入發(fā)生故障，則進行直流輸入，首先通過變壓器DC/DC使得直流輸入電壓升高，然后經(jīng)過DC/AC逆變將升高后的直流輸入逆變?yōu)檎也ㄝ斎耄佥敵龅截撦d進行供電；如果上述兩種輸入都出現(xiàn)故障或者DC/DA變換器出現(xiàn)斷路時，靜態(tài)開關(guān)則切換到旁路輸入，為負載進行供電。

1 在線式UPS的硬件電路

a）APFC模塊：如下圖所示為該模塊的主功率電路圖，該模塊采用形式為boost拓撲結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)滿載工作時PF數(shù)值超過0.99，其控制芯片型號是UC3854BN。

APFC模塊的主功率電路圖

b）DC/DC模塊：其基本結(jié)構(gòu)為LLC拓撲形式，使用ZVS和ZCT技術(shù)，且具有變換效率較高的優(yōu)勢。而輸出方式為正負母線式。

c）DC/DA模塊：該模塊提供為逆變作用，結(jié)構(gòu)形式為半橋式拓撲結(jié)構(gòu)。通過兩個MOS交替工作，使得所形成的逆變電壓方向相反。

2 在線式UPS的發(fā)展方向

（1）智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化。

在當今網(wǎng)絡(luò)時代的背景下，獨立外設(shè)的UPS產(chǎn)品已經(jīng)遠遠不能夠滿足人們的需求，因此UPS產(chǎn)品已經(jīng)慢慢融入計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，成為了其重要的一部分。這要求UPS產(chǎn)品和計算機網(wǎng)絡(luò)之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，因此就要求該產(chǎn)品能夠簡單地兼容于計算機和網(wǎng)絡(luò)之中。

微處理技術(shù)使得UPS系統(tǒng)逐漸成為智能化產(chǎn)品，主要體現(xiàn)在兩方面：一方面為自我監(jiān)控，即產(chǎn)品在實際運行過程中可以對自身狀態(tài)進行監(jiān)控，預(yù)先處理故障，確保設(shè)備可靠地運行；另一方面則為網(wǎng)絡(luò)與UPS產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)交換過程，使用者可以通過計算機實時監(jiān)測各節(jié)點UPS電源的狀態(tài)，及時提供信息反饋。自動化則是自動完成的自我檢測過程的UPS電源產(chǎn)品，該過程無需人工干預(yù)。自動化過程是實現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化，保證可靠運行的重要因素。

（2）多平臺和監(jiān)控遠程化。

經(jīng)濟和科技的全球化帶來了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，隨著UPS網(wǎng)絡(luò)化進程的不斷進步，UPS電源系統(tǒng)要不斷適應(yīng)多種形式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以使用戶在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和平臺下進行實時控制與監(jiān)測。

（3）DSP技術(shù)和高頻技術(shù)的應(yīng)用。

數(shù)字信號處理技術(shù)使得UPS電源產(chǎn)品自身可靠性不斷提高，可以輸出穩(wěn)定性更好、純凈度更好的電壓；DSP芯片實現(xiàn)了UPS產(chǎn)品的全數(shù)字化控制，該芯片通過實時讀取輸出狀態(tài)，計算SPWM值，應(yīng)用先進的控制策略對UPS電源進行控制。當輸出的負載具有非線性特性時，可以通過對非線性動態(tài)變化的監(jiān)測對輸出諧波進行相關(guān)的補償。所以，使用DSP技術(shù)，為推動不間斷電源的智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)揮了重要作用。應(yīng)用高頻技術(shù)則可以降低電源的內(nèi)耗和噪聲，提高效率和可靠性。

（4）Delta逆變技術(shù)。

Delta逆變技術(shù)即電壓串并聯(lián)補償高頻雙向逆變技術(shù)，采用了高頻輸入端的功率因子，極大地改進電網(wǎng)適應(yīng)性和輸出能力實現(xiàn)了零轉(zhuǎn)換時間。

（5）并行技術(shù)和冗余技術(shù)。

電子設(shè)備（例如計算機）的應(yīng)用數(shù)量不斷增多，應(yīng)用場合也越來越重要，以往單機運行的幾百kV·A容量UPS產(chǎn)品已經(jīng)滿足不了多設(shè)備的供電要求，大功率的產(chǎn)品往往會造成過多的浪費，小功率多數(shù)量的產(chǎn)品采用并聯(lián)技術(shù)實施鏈接后，不僅可以滿足正常的供電需求，而且也可以靈活的控制整個電源控制系統(tǒng)的總?cè)萘俊２⒙?lián)和冗余技術(shù)地使用并不矛盾，增加容量需要依靠并聯(lián)技術(shù)，若某一單一模塊出現(xiàn)故障，則需要冗余技術(shù)保證整個系統(tǒng)的可靠性。小功率并行技術(shù)也逐漸成為UPS電源系統(tǒng)配置的一種實用的趨勢。

3 結(jié)語

分析了在線式UPS的特點及發(fā)展方向，下面總結(jié)UPS電源系統(tǒng)的使用和維護時應(yīng)該注意的事項：

UPS系統(tǒng)主機對溫度的敏感性要求不高，5～40℃環(huán)境下均可，但是對工作環(huán)境的潔凈度要求較高，要求盡量少的灰塵和低濕度，否則容易短路造成主機系統(tǒng)故障；儲能電池則要求在一定的溫度環(huán)境下工作，一般為15～30℃。

使用時設(shè)置的主機參數(shù)不能隨便修改，特別是電池組的相關(guān)參數(shù)，如果設(shè)置不當會嚴重影響其壽命。但是浮充電壓參數(shù)要隨著環(huán)境溫度的不斷變化進行修改。

在供電網(wǎng)不進行供電時，UPS系統(tǒng)和負載的啟動順序需要注意。在使用時，應(yīng)先將負載關(guān)閉，啟動UPS電源供電，然后將負載啟動。

為保證長時間可靠運行，在使用的過程中不可隨意增加高功率的設(shè)備，也禁止長時間滿負荷環(huán)境下工作。

UPS電源系統(tǒng)電壓對發(fā)電機的電壓、工作頻率、幅值和波形都有一定的要求，UPS電源的功率也應(yīng)遠遠低于發(fā)電機的功率，否則會造成UPS電源系統(tǒng)的破壞。

在安裝/卸載輸出線等部件時，為防止電擊危險，應(yīng)采取相應(yīng)的安保措施，例如使用絕緣工具進行安裝等。

實際使用的過程中應(yīng)盡量避免大電流條件下進行工作，過大的電流可能會使電池極板變形，極板上依附的活性物質(zhì)脫落，內(nèi)阻變大，溫度升高，容量下降，縮短電池的使用壽命。

參考文獻：

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