王 永，沈小波，孟海輝

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇無錫 214431）

0 引言

隨著船舶自動化程度的不斷提高，計算機及信息處理技術(shù)在各類船舶上應(yīng)用廣泛，這對電網(wǎng)供電質(zhì)量提出了更高的要求：1）要解決船舶電力網(wǎng)突然發(fā)生故障造成電力短缺的問題；2）要保證輸出優(yōu)質(zhì)的正弦波電源；3）要保證船舶臨時應(yīng)急電源具備在緊急逃生情況下對船舶應(yīng)急照明和應(yīng)急設(shè)備進行供電的能力。在此情況下，不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）應(yīng)運而生。UPS是一種含有儲能裝置的不間斷電源，主要用于給部分對電源穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備提供不間斷的電源。當船電輸入正常時，UPS將船電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負載使用，此時的UPS可視為交流式電穩(wěn)壓器，同時其還向機內(nèi)電池充電；當船電中斷（事故停電）時，UPS立即將電池的直流電能通過逆變器切換轉(zhuǎn)換的方法向負載繼續(xù)供應(yīng)220 V交流電，使負載維持正常工作并保護負載的軟件和硬件不受損壞。

1 某船集控室UPS問題描述

某船的集控室電源系統(tǒng)組成部分包括正常電源（主電源）、應(yīng)急電源和8臺獨立的UPS。正常情況下，UPS始終處于浮充狀態(tài)。該船經(jīng)歷了幾次突然斷電的情況，檢查發(fā)現(xiàn)集控室的2個重要負載處于失控和黑屏狀態(tài)，這表明UPS沒有發(fā)揮不間斷供電的作用。檢查集控室的UPS，發(fā)現(xiàn)集控室2臺獨立式UPS電源放電時間均較短，其電池容量處于實質(zhì)性失效狀態(tài)。在查閱集控室電器設(shè)備圖紙的基礎(chǔ)上，推斷出集控室UPS的工作電路存在重大設(shè)計缺陷。

2 機理分析

2.1 集控室UPS電源的重要性

該船UPS使用量相對較高，集控室UPS是集控室電源系統(tǒng)最后一道屏障，主要為集控室功率管理系統(tǒng)、監(jiān)測報警系統(tǒng)、機艙監(jiān)控系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)和船舶配載系統(tǒng)供電。在失電情況下，保證集控室還能在短時間內(nèi)啟停發(fā)電機。

圖1所示為集控室供電情況，集控室的設(shè)備和系統(tǒng)由正常電源、應(yīng)急電源和UPS 3種電源保障供電。一般情況下，集控室電源系統(tǒng)主要由正常電源供電，應(yīng)急電源和UPS均作為備用切換供電。

圖1 集控室供電情況

2.2 UPS的組成結(jié)構(gòu)

UPS主要由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開關(guān)等組成，其最主要的部分是蓄電池。

2.3 UPS的工作原理及分類

UPS的工作原理圖見圖2。

圖2 風力發(fā)電驅(qū)動船舶的結(jié)構(gòu)示意圖

正常情況下，船舶用電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟?，對蓄電池進行浮充。與此同時，通過逆變器向重要負載輸出高質(zhì)量的交流電。在因故停電時，集控室電源系統(tǒng)自動切換到UPS對重要負載供電。當船電輸入正常時，UPS可將船電穩(wěn)壓后提供給負載使用，此時UPS可視為交流電穩(wěn)壓器；當船電中斷時，UPS立即將機內(nèi)電池的電能向負載供電，使負載保持正常工作狀態(tài)，并保護負載、軟件和硬件不被損壞。

UPS通?？煞譃楹髠涫?、在線式和在線互動式3種類型。

1）后備式UPS

后備式UPS具備自動穩(wěn)壓和斷電保護等功能，轉(zhuǎn)換時間僅需10 ms左右，逆變輸出交流方波，由于后備式UPS輸出的交流電為方波，所以只能供電給電腦和監(jiān)視器等電容型負載。

2）在線式UPS

在線式UPS結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其性能完善，能夠持續(xù)零中斷地輸出純凈的正弦波交流電，能夠解決尖峰、浪涌和頻率漂移等電源問題。由于在線式UPS輸出的交流電為正弦波，故可供電給任何使用船電的設(shè)備，包括電腦和監(jiān)視器等電容性負載以及打印機和復(fù)印機等電感性負載。

3）在線互動式UPS

在線互動式UPS是一種智能化UPS，可自動偵測外部輸入電壓是否處于正常工作范圍之內(nèi)，如有偏差可由穩(wěn)壓電路升壓或降壓，提供比較穩(wěn)定的正弦波輸出電壓，可供給一些精密設(shè)備。

2.4 故障分析

該船經(jīng)歷了幾次突然斷電的情況，檢查發(fā)現(xiàn)集控室的2個重要負載處于失控和黑屏狀態(tài)，這表明UPS沒有發(fā)揮不間斷供電的作用，本小節(jié)對此故障進行排查和分析。首先考慮是否為蓄電池選型出現(xiàn)錯誤，蓄電池容量過小，不足以帶動用電設(shè)備。在選擇蓄電池容量時，需要先計算出放電的電流大小，然后根據(jù)放電特性曲線和用戶要求的備用時間進行選擇，蓄電池最大放電電流的計算公式為

式中：為蓄電池最大放電電流；為UPS的額定輸出功率；cos為UPS負載功率因數(shù)；為UPS逆變器的效率；為蓄電池組中單體蓄電池的個數(shù)；為單體蓄電池的臨界放電電壓。

經(jīng)計算，集控室UPS容量選型足以滿足設(shè)備的需求。UPS故障的原因為電解質(zhì)變質(zhì)，浮充時間過長，導(dǎo)致供電不足。

UPS的蓄電池需要定期進行充放電維護保養(yǎng)，否則會嚴重影響蓄電池的使用壽命，甚至造成UPS直接損壞不能正常工作。查閱集控室設(shè)計圖紙資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有設(shè)計電路存在問題，只能對UPS進行在網(wǎng)浮充，無法實現(xiàn)充放電維護保養(yǎng)。經(jīng)過電路分析和檢查，發(fā)現(xiàn)集控室UPS沒有單獨的放電回路，也沒有電池容量檢測單元和放電時間監(jiān)測系統(tǒng)，長期處于浮充狀態(tài)，導(dǎo)致電解液干涸，UPS蓄電池性能變差。在某些緊急情況下，UPS失效，導(dǎo)致設(shè)備處于失控狀態(tài)。

3 解決方案

針對UPS設(shè)計電路存在的問題，解決方案如下：

1）恢復(fù)8臺UPS的性能。拆解UPS，更換其蓄電池部分。此方法技術(shù)難度不大，且能夠滿足裝備可靠性的要求，但不能解決實質(zhì)性問題。

2）在保證正常供電電路不變的情況下，設(shè)計加裝專門的UPS斷電后放電電路，通過2條回路互補來實現(xiàn)可靠供電。此外，加裝100 W放電電阻箱，電池容量檢測單元和放電時間監(jiān)測系統(tǒng)，以保護UPS的蓄電池不會因過度放電而損壞。

改裝后的UPS工作流程圖見圖3。一條電源回路供集控室重要設(shè)備正常工作使用，另一條電源回路能實現(xiàn)一鍵式放電。放電開始時，放電時間監(jiān)測系統(tǒng)開始計時，電池容量檢測單元時時檢測電池容量。當放電達到相關(guān)要求后，自動斷開放電電路，放電時間監(jiān)測系統(tǒng)停止工作，電池容量檢測單元記憶此時電池容量，而后聯(lián)鎖開關(guān)實現(xiàn)自動聯(lián)鎖，給UPS蓄電池進行浮充，從根本上解決了UPS電路問題。

圖3 改裝后的UPS工作流程圖

4 結(jié)論

UPS對于集控室應(yīng)急供電具有重要的作用，本文介紹了UPS的類型、組成結(jié)構(gòu)和工作原理，并針對某船集控室UPS的設(shè)計缺陷給出解決方案。本文的優(yōu)化方案可向其他船舶推廣，為提高UPS的安全可靠性提供重要的技術(shù)保障。