合肥熱電集團(tuán)有限公司安能分公司 楊光濤

UPS電源系統(tǒng)是一種不間斷供電的電源設(shè)備，具有對各類供電的零時(shí)間切換，自身供電時(shí)間的長短可選，并具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、凈化的特點(diǎn)。當(dāng)UPS電源系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障時(shí)有自動(dòng)旁路功能，當(dāng)需要檢修時(shí)可采用手動(dòng)旁路，使檢修、供電互不影響。結(jié)合它在安能熱電廠的應(yīng)用，本文闡述UPS不間斷電源的設(shè)備組成及工作原理，探討提高熱電廠中控制電源的可靠性。

在熱電廠中，UPS不間斷電源的持續(xù)供電功能被普遍應(yīng)用于許多重要設(shè)施，如DCS、汽輪發(fā)電機(jī)組TSI、ETS、高壓變頻器等重要設(shè)施，同時(shí)提高電源品質(zhì)，解決電源干擾、浪涌、波動(dòng)、突波、交換瞬變等造成的危害。

1 UPS分類

目前，市場上UPS品牌和種類繁多，但可從電路主結(jié)構(gòu)、后備時(shí)間、輸入/輸出方式、輸出波形和輸出容量等五個(gè)方面對其進(jìn)行分類，其中按電路主結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類是目前最常用的分類方法。

1.1 按電路主結(jié)構(gòu)分類

（1）后備式UPS

早期的后備式UPS，在市電供電正常時(shí)，市電直接通過交流旁路和轉(zhuǎn)換開關(guān)向負(fù)載供電，交流旁路相當(dāng)于一條供電回路，逆變器不工作，此時(shí)供電效率高但質(zhì)量差。近年出臺(tái)的后備式UPS，往往在交流旁路上配置了交流穩(wěn)壓電路和濾波電路加以改善。當(dāng)市電異常(市電電壓、頻率超出后備式UPS允許的輸入范圍或市電中斷)時(shí)，后備式UPS通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到由蓄電池提供電能的狀態(tài)，逆變器進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)輸出波形為交流正弦波或方波。后備式 UPS存在切換時(shí)間，一般為4～10ms，但對一般的計(jì)算機(jī)設(shè)備的工作不會(huì)造成影響。

（2）在線式UPS

在線式UPS一般采用雙變換模式。當(dāng)市電正常時(shí)，在線式UPS輸入交流電，通過充電電路對蓄電池進(jìn)行充電；同時(shí)，AC/DC電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，由逆變器再將直流電逆變成正弦波交流電供給負(fù)載，起到無級(jí)穩(wěn)壓的作用。而當(dāng)市電中斷時(shí)，后備蓄電池開始工作，此時(shí)蓄電池儲(chǔ)存的電能通過逆變器變換成交流正弦波或方波并供給負(fù)載，因此，無論是在市電供電正常時(shí)還是在市電中斷由蓄電池逆變供電期間，逆變器始終處于工作狀態(tài)，這就從根本上消除了來自電網(wǎng)的電壓波動(dòng)和干擾對負(fù)載的影響，真正實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載的無干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻以及零轉(zhuǎn)換時(shí)間。

（3）串并聯(lián)調(diào)式UPS

串并聯(lián)調(diào)整式UPS多采用雙逆變電補(bǔ)償技術(shù)中稱為Deta技術(shù)，它成功地將交流穩(wěn)壓技術(shù)中的電壓補(bǔ)償原理運(yùn)用到UPS的主電路中。當(dāng)市電正常時(shí)，兩組逆變器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，逆變器承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的20%，所以功率強(qiáng)度很小、功率余量大，這就增強(qiáng)了UPS的輸出能力和過載能力，不再對負(fù)載電流波峰系數(shù)予以限制，可從容地對付沖擊性負(fù)載，也不再對負(fù)載功能因數(shù)進(jìn)行限制，輸出有功功率可以等于標(biāo)定的KVA值。

（4）在線互動(dòng)式UPS

在線互動(dòng)式UPS是介于后備式UPS和在線式UPS工作方式之間的UPS設(shè)備,它集中了后備式UPS效率高和在線式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。在線互動(dòng)式UPS的逆變器一直處于工作狀態(tài)，具有雙向功能：在市電正常時(shí)，UPS的逆變器處于反向工作狀態(tài)，給蓄電池組充電，起充電器的作用；在市電異常時(shí)，逆變器立刻轉(zhuǎn)入逆變工作狀態(tài)，將蓄電池組的直流電轉(zhuǎn)換為交流正弦波輸出。在線互動(dòng)式UPS也有轉(zhuǎn)換時(shí)間，但比后備式UPS短，保護(hù)功能較強(qiáng)。另外，它還采用了鐵磁諧波變壓器，抽頭調(diào)壓在市電供電時(shí)具有較好的穩(wěn)壓功能。

1.2 按后備時(shí)間分類

（1）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

配備有內(nèi)置蓄電池組的UPS稱為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。一般配置蓄電池容量較小，用于短時(shí)間供電(如5-15min)，使用戶及時(shí)保存數(shù)據(jù)和系統(tǒng)正常關(guān)機(jī)。由于受體積和重量的限制，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)僅局限于中、小功率的UPS。

（2）長效機(jī)

需外接蓄電池組的UPS稱為長效機(jī)，長效機(jī)的容量從幾百伏安到幾十千伏安可供選擇。在實(shí)際應(yīng)用中,長效機(jī)有著很大的機(jī)動(dòng)性，用戶可以根據(jù)自己所需后備時(shí)間的長短來確定采用何種容量的蓄電池。

1.3 按輸入/輸出方式分類

根據(jù)輸入/輸出方式，可分為單相輸入/單相輸出UPS、三相輸入/單相輸出UPS和三相輸入/三相輸出UPS。

小功率UPS都采用單相輸入/單相輸出方式，而中、大功率UPS多采用三相輸入/單相輸出和三相輸入/三相輸出方式。對于用戶來說，采用三相供電時(shí)市電配電和負(fù)載配電比較容易，每一相都承載一部分負(fù)載電流。

1.4 輸出形分類

按輸出波形，可分為輸出波形為正弦波的UPS和輸出波形為方波的UPS。輸出波形為方波的UPS不適合帶感性負(fù)載，因?yàn)楦行载?fù)載會(huì)使方波產(chǎn)生瞬態(tài)尖波，從而給UPS和負(fù)載設(shè)備造成破壞。大多數(shù)后備式UPS的輸出波形為方波。

1.5 按輸出容量分類

按輸出容量，可分為微型UPS（輸出功率小于或等于1kVA）、小型UPS（輸出功率大于1kVA而小于5kVA）、中型UPS（輸出功率大于5kVA而小于或等于30kVA）以及大型UPS（輸出功密大于30kVA而小于或等于100kVA）。

2 UPS設(shè)備組成

UPS電源系統(tǒng)組成：輸入隔離變壓器；整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)；儲(chǔ)能電池、電池開關(guān)；旁路隔離變壓器、調(diào)壓器、旁路開關(guān)；維修開關(guān)；輸出隔離變壓器、輸出開關(guān)及相應(yīng)的交流配電柜組成。

2.1 輸入隔離變壓器

輸入隔離變壓器的輸出端跟輸入端是完全“斷路”隔離，能起到保護(hù)、防雷、濾波作用，有效的對變壓器的輸入端（電網(wǎng)供給的電源電壓）起到了一個(gè)良好過濾的作用，從而給用電設(shè)備提供了穩(wěn)定的電源電壓。

2.2 整流器

采用可控硅整流器，輸出幅度基本不變的整流電壓。

2.3 逆變器

逆變器就是把直流電變換成交流電。通常逆變器應(yīng)與主線同步操作，但是如果主線不可靠或主線頻率與額定值偏離太大，輸出頻率應(yīng)由內(nèi)部振蕩器自動(dòng)產(chǎn)生。在主線電壓供給恢復(fù)時(shí)，它的頻率返回到預(yù)定的限度內(nèi)后，逆變器再與主線同步。

2.4 靜態(tài)開關(guān)

如果整流器、逆變器故障或如果電壓/電流值（動(dòng)態(tài)條件）超出數(shù)據(jù)表中指定的限度（例如：一個(gè)負(fù)載的短路），輸出將由靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到旁路供電，以降低電壓供給負(fù)載的缺乏。

2.5 旁路

旁路在主路電源及電池故障、主機(jī)故障情況下，保障電源供應(yīng)。旁路應(yīng)包含隔離變壓器及調(diào)壓器，在隔離變壓器旁增設(shè)一個(gè)旁路開關(guān)。

2.6 儲(chǔ)能電池

儲(chǔ)能電池除可存儲(chǔ)直流電能的功能外，當(dāng)供電電源欠壓或突然掉電，則由電池組通過隔離二極管開關(guān)向直流回路饋送電能。一般采用閥控密封鉛酸蓄電池。

3 UPS不間斷電源的原理

UPS不間斷電源其基本原理是將交流電變?yōu)橹绷麟?，然后再把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，供給負(fù)載。

3.1 AC-DC變換

將電網(wǎng)來的交流電經(jīng)自耦變壓器降壓、全波整流、濾波變?yōu)橹绷麟妷?，供給逆變電路。AC-DC輸入有軟啟動(dòng)電路，可避免開機(jī)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊。

3.2 DC-AC逆變電路

采用大功率IGBT模塊全橋逆變電路，具有很大的功率富余量，在輸出動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出阻抗特別小，具有快速響應(yīng)特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術(shù)及快速短路保護(hù)技術(shù)，使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負(fù)載沖擊或短路，均可安全可靠地工作。

3.3 控制驅(qū)動(dòng)

控制驅(qū)動(dòng)是完成整機(jī)功能控制的核心，它除了提供檢測、保護(hù)、同步以及各種開關(guān)和顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)外，還完成SPWM正弦脈寬調(diào)制的控制。

3.4 運(yùn)行模式

（1）正常工作模式。UPS一方面通過整流器將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源輸出至逆變器，再由逆變器轉(zhuǎn)換成交流電源輸出，供負(fù)載使用。在將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源時(shí)，UPS輸入隔離變壓器、整流濾波裝置及各種保護(hù)裝置將消除市電中異常突波、雜訊干擾和由于頻率不穩(wěn)或電壓波動(dòng)等各種因素造成的影響，從而確保逆變器能夠提供穩(wěn)定且純凈電源輸出給負(fù)載。另一方面，通過整流器將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源為蓄電池組充電，將能量儲(chǔ)存在蓄電池中。

（2）直流供電模式。由于UPS設(shè)備直接和直流電源相連接，當(dāng)交流電源異?；蛘髌靼l(fā)生故障停止運(yùn)行時(shí)，將轉(zhuǎn)由直流電源輸出至逆變器以替代中斷的整流器輸出電源。交流電源恢復(fù)后系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作模式。在轉(zhuǎn)換的過程中，輸出無任何中斷。

（3）旁路供電模式。當(dāng)逆變器處于不正常狀況，諸如逆變器未開啟、過溫、短路、輸出電壓異?；蛘哓?fù)載超出逆變器承受范圍等，逆變器將自動(dòng)停止運(yùn)行以防損壞，此時(shí)靜態(tài)開關(guān)由交流電源經(jīng)旁路輸出給負(fù)載使用。

（4）維修旁路模式。在UPS設(shè)備需進(jìn)行維護(hù)、維修時(shí)，可將UPS切換至“維修旁路模式”下運(yùn)行，即可保證UPS設(shè)備在維護(hù)、維修時(shí)仍然對負(fù)載的持續(xù)、穩(wěn)定供電。

4 UPS電源在熱電廠DCS系統(tǒng)等重要設(shè)備的配置

為了方便供電線路檢修，熱電廠DCS系統(tǒng)等主要設(shè)備控制電源采用雙電源輸入。采用一路廠用電、一路UPS的冗余方式。供給DCS的路UPS電源接至DCS的電源分配柜，由電源分配柜將電源分配給各機(jī)柜和設(shè)備。電源分配柜還配有快速電源切換裝置，將輸入電源切換為一路后，供給操作員站和工程師站等設(shè)備使用，保證DCS系統(tǒng)內(nèi)的任何設(shè)備在一路失電的情況下仍能正常工作。其他設(shè)備電源由熱工電源分配，配有快速電源切換裝置，采用一路廠用電、一路UPS的冗余方式。通常負(fù)載功率應(yīng)小于UPS電源70%的額定功率；熱電廠中UPS電源系統(tǒng)的容量為電源失電，工作4h；儲(chǔ)能電池滿容量時(shí)為4h。

三相輸入/三相輸出在線UPS電源，容量為40kvA，如圖1所示。

圖1 三相輸入/三相輸出在線UPS電源

5 UPS不間斷電源維護(hù)

5.1 環(huán)境要求

UPS電源主機(jī)對環(huán)境溫度要求不高，+5℃～+40℃都能正常工作；但要求室內(nèi)清潔、少塵，否則灰塵加上潮濕會(huì)引起主機(jī)工作紊亂。儲(chǔ)能蓄電池則對溫度要求較高，標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25℃，平時(shí)不能超過+15℃～+30℃。溫度太低，會(huì)使儲(chǔ)電池容量下降，溫度每下降1℃，其容量下降1%。其放電容量會(huì)隨溫度升高而增加，但壽命降低。如果在高溫下長期使用，溫度每高10℃，電池壽命約降低一半。

5.2 防塵

UPS電源在正常使用情況下，主機(jī)的維護(hù)工作很少，主要是防塵和電氣除塵，灰塵也會(huì)造成器件散熱不好。一般每季度應(yīng)徹底清潔一次。

5.3 電池維護(hù)

電池雖然為免維護(hù)電池，也要按照規(guī)定做好相關(guān)試驗(yàn)。每三個(gè)月均充一次，每年進(jìn)行30%核對放電，關(guān)閉電源輸入開關(guān)和旁路開關(guān)，利用電池給負(fù)載供電，安排人員做好記錄。保證設(shè)備保持良好的運(yùn)行情況，從而延長使用年限，保證直流母線經(jīng)常保持合格的電壓和電池的放電容量。

結(jié)語：UPS不間斷電源是熱電廠計(jì)算機(jī)、熱工保護(hù)、監(jiān)控儀表及某些不能中斷供電的重要負(fù)荷不可缺少的供電裝置。通過對UPS不間斷電源的應(yīng)用分析和總結(jié)，推進(jìn)UPS不間斷電源在熱電廠中的應(yīng)用，保障熱電廠安全生產(chǎn)。