摘要： 隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，各地區(qū)對(duì)電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都提出了更新更高的要求，這就需要不斷完善和提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，而為了使該系統(tǒng)中諸如計(jì)算機(jī)、RTU、VQC和變送器等設(shè)備能夠安全可靠地運(yùn)行，就需要有UPS做保障。
電源從它的發(fā)源地電廠出來，通過電網(wǎng)、變電站、輸電線路、配電，直至各個(gè)用電終端，有如人體的血液，發(fā)自心臟，通向人體的各個(gè)器官、肢體直至各個(gè)角落。數(shù)字電力，無疑為發(fā)電廠的建設(shè)、生產(chǎn)、管理和運(yùn)行提供了現(xiàn)代化的手段，而數(shù)字電力的基礎(chǔ)仍然是它的動(dòng)力——電源。
1.UPS發(fā)展趨勢
1.1 工業(yè)UPS發(fā)展趨勢
工業(yè)化生產(chǎn)過程中的用電設(shè)備可分為兩大類型: 線性負(fù)載和非線性負(fù)載。對(duì)于那些對(duì)供電要求較嚴(yán)格的苛性負(fù)載來說，通常是由不間斷電源UPS系統(tǒng)進(jìn)行供電，這是因?yàn)閁PS可提供高精度、高穩(wěn)定性的電壓波形與頻率，具有承受電網(wǎng)波動(dòng)或擾動(dòng)(浪涌、跌落、諧波)、間斷甚至短時(shí)停電的能力，無論是線性負(fù)載或是非線性負(fù)載，UPS都具有低阻抗輸出的特性。因此UPS電源系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，特別是在智能化儀表方面的應(yīng)用。
隨著電力應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，UPS的負(fù)載也發(fā)生了的變化：
1.1.1 負(fù)載類型的變化
工業(yè)化生產(chǎn)特別是自動(dòng)化儀器儀表已從早期的"模擬化"儀表發(fā)展到當(dāng)前的"智能化、電子化"儀表，它們的區(qū)別在于：
★ 模擬儀表: 高功耗、復(fù)雜、數(shù)量大、模擬量傳送、線性負(fù)載;
★ 智能化電子化儀表: 低功耗、簡單化、數(shù)字化傳輸、非線性負(fù)載。
1.1.2 負(fù)載容量的變化
趨于中小型化，從早期的中大功率UPS(60～200KVA)為主發(fā)展到現(xiàn)在的中小功率UPS(30～80KVA)為主。
1.1.3 供電需求的變化
趨于高可靠性，從早期的單機(jī)型供電發(fā)展到 1+1冗余并聯(lián)型供電，大大提高供電可靠性，平均故障間隔時(shí)間MTBF提高了4倍。
1.1.4 供電質(zhì)量的變化
趨于輸入大范圍、輸出高精度、低失真度。
1.1.5 應(yīng)用環(huán)境的變化
高熱量、高噪音、高污染的使用環(huán)境正在改造為低功耗、低噪音、潔凈的環(huán)境。
總之，"又大又笨"已不再是工業(yè)型UPS的象征，工業(yè)型UPS的發(fā)展趨勢正在向著小型化、中小容量、低功耗、高效率、高可靠性的方向發(fā)展。
1.2 電廠用UPS的發(fā)展趨勢
電廠專用的UPS電源大多數(shù)為三相輸入、單相輸出的中功率UPS，因?yàn)殡姀S的負(fù)載大多數(shù)為單相負(fù)載，配電線路簡單、維護(hù)方便。
1.2.1 什么是真正的三進(jìn)單出UPS
真正的三進(jìn)單出UPS內(nèi)部電路為純單相設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在逆變器為單相輸出。"假的"或經(jīng)過改造的三進(jìn)單出的UPS，多為三進(jìn)三出UPS加上三進(jìn)單出的變壓器改造而成，它存在如下問題：
★ 在輸出端增加了三進(jìn)單出的變壓器，降低了整機(jī)效率(3%～5%);
★ 三進(jìn)單出的變壓器仍然具有三分之一的不平衡電流(33.3%)，造成UPS可用容量的下降，因此必須使用更高視在功率的UPS主機(jī)，通常為額定輸出容量的2倍，利用率降低;
★ 增大主機(jī)的尺寸和占地面積，提高購置成本。
因此在實(shí)際應(yīng)用中，在復(fù)雜的市場選型中，盡可能選擇真正的三進(jìn)單出UPS。
1.2.2 公用220V直流母排
為了提高供電的可靠性，電廠中通常是采用兩臺(tái)UPS組成1+1冗余系統(tǒng)為負(fù)載供電，并配之以隔離變壓器、交流電壓調(diào)節(jié)器作為旁路電源輸入。但是UPS的電池組往往被省略，直接將UPS的直流端接入220V的公共直流母排，如圖1：
圖1
這是因?yàn)殡姀S的自動(dòng)化儀表DCS等往往需要直流220V輸入，而每一個(gè)電廠都具有大容量的電池組，恰逢其用。但殊不知這是以降低供電可靠性為代價(jià)的省略，事實(shí)上從可靠性MTBF指標(biāo)上細(xì)算起來并不劃算。
假設(shè): 單機(jī)UPS的可靠性MTBF=400,000小時(shí)
則: 兩臺(tái)1+1冗余并聯(lián)各帶一組電池的UPS，其MTBF=4400,000=1,600,000小時(shí);
兩臺(tái)1+1冗余并聯(lián)共用一組電池的UPS，其MTBF=1.1400,000=440,000小時(shí);
而三臺(tái)2+1冗余并聯(lián)共用一組電池時(shí)，其MTBF=0.9400,000=360,000小時(shí)。
由此可見，只為節(jié)省兩組電池而犧牲掉近三倍的MTBF并不劃算。
另一方面就是UPS的效率問題。UPS的逆變器是將直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率輸出的。一般UPS的直流電壓在400V～460V左右，而電廠的直流電壓為220V，由此帶來的問題是：直流電壓越低，則逆變器的開關(guān)電流就越大，而損耗是與電流的平方成正比的，因此損耗明顯增加;同時(shí)大電流需要大容量的功率開關(guān)器件、大容量的一次側(cè)繞組，較低的直流電壓也需要較高變比的變壓器，這些無疑是一種潛在的開支，直接影響到設(shè)備的投資成本、運(yùn)行成本、設(shè)備的折舊等等。在電力系統(tǒng)走向市場經(jīng)濟(jì)的今天乃至以后，這種情況是不容忽視的。
1.3 "數(shù)字電力"中UPS的發(fā)展趨勢
"數(shù)字電力"立足于電力系統(tǒng)的信息化建設(shè)，無論是電網(wǎng)的信息化建設(shè)還是電廠的信息化建設(shè)，終還是會(huì)歸結(jié)到信息技術(shù)IT領(lǐng)域中來。
在IT領(lǐng)域中，UPS電源作為信息數(shù)據(jù)和設(shè)備的電源保護(hù)產(chǎn)品，已經(jīng)發(fā)展成為成熟的技術(shù)，這不僅是指UPS電源本身，還包括了以UPS電源為核心的整個(gè)電源保護(hù)解決方案。UPS電源保護(hù)方案中的 幾個(gè)要素如下:
★ 高可靠性：是指UPS及其配套的產(chǎn)品應(yīng)具有經(jīng)過多年市場驗(yàn)證的質(zhì)量和品質(zhì)，產(chǎn)品質(zhì)量可靠;
★ 高可用性：是指UPS系統(tǒng)包括供電、配電等，作為一個(gè)整體具有故障容錯(cuò)的能力，采用冗余的配置，含有內(nèi)置的手動(dòng)維修旁路，采用熱備份或直接并聯(lián)的冗余形式;
★ 高性能：產(chǎn)品應(yīng)具有優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo)，面向非線性負(fù)載設(shè)計(jì)，輸出失真度小，過載能力強(qiáng)，抗短路、抗沖擊;
★ 高效率：節(jié)能不僅關(guān)系到初期的投資環(huán)境投資，還與后期的運(yùn)行費(fèi)用有關(guān)，是一個(gè)長期的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo);
★ 可管理性強(qiáng): 用戶的操作界面具有模擬圖、中文顯示、直觀的功能鍵，易于理解和掌握，還具有深度充放電保護(hù)、自動(dòng)放電檢測、實(shí)時(shí)后備時(shí)間顯示、溫度補(bǔ)償充電等等。
★ 可維護(hù)性強(qiáng)：維修時(shí)對(duì)負(fù)載的供電無任何影響，同時(shí)維修又是一種安全的無電操作;
★ 良好的服務(wù)：化的電源保護(hù)產(chǎn)品的供應(yīng)商，應(yīng)具有訓(xùn)練有素的售后服務(wù)隊(duì)伍、能夠及時(shí)地排除系統(tǒng)故障、網(wǎng)絡(luò)式的快速服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)、充足的備品備件儲(chǔ)存等。
2.UPS的工作原理
2.1.1 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)橹绷麟妷海┙o逆變電路。AC-DC輸入有軟啟動(dòng)電路，可避免開機(jī)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
2.2.2 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。
2.3.3 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，由于采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)雙重電壓反饋。地改善了逆變器的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。不間斷電源工作原理框圖如圖2所示。
圖2
3.UPS的使用與維護(hù)
3.1 UPS電源系統(tǒng)開、關(guān)機(jī)
3.1.1 次開機(jī)
★ 按以下順序合閘：儲(chǔ)能電池開關(guān)自動(dòng)旁路開關(guān)輸出開關(guān)依次置于"ON"。
★ 按UPS啟動(dòng)面板"開"鍵，UPS電源系統(tǒng)將徐徐啟動(dòng)，"逆變"指示燈亮，延時(shí)1分鐘后，"旁路"燈熄滅，UPS轉(zhuǎn)為逆變供電，完成開機(jī)。
經(jīng)空載運(yùn)行約10分鐘后，按照負(fù)載功率由小到大的開機(jī)順序啟動(dòng)負(fù)載。
3.1.2 日常開機(jī)
只需按UPS面板"開"鍵，約20分鐘后，即可開啟電腦或其它儀器使用。通常等UPS啟動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定工作后，方可打開負(fù)載設(shè)備電源開關(guān)(注：手動(dòng)維護(hù)開關(guān)在UPS正常運(yùn)行時(shí)，呈"OFF"狀態(tài))。
3.1.3 關(guān)機(jī)
先將電腦或其它儀器關(guān)閉，讓UPS空載運(yùn)行10分鐘，待機(jī)內(nèi)熱量排出后，再按面板"關(guān)"鍵。
3.2 UPS電源系統(tǒng)使用注意事項(xiàng)
UPS電源系統(tǒng)因其智能化程度高，儲(chǔ)能電池采用了免維護(hù)蓄電池，這雖給使用帶來了許多便利，但在使用過程中還應(yīng)在多方面引起注意，才能保證使用安全。
★ UPS電源主機(jī)對(duì)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(duì)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。
★ 主機(jī)中設(shè)置的參數(shù)在使用中不能隨意改變。特別是對(duì)電池組的參數(shù)，會(huì)直接影響其使用壽命，但隨著環(huán)境溫度的改變，對(duì)浮充電壓要做相應(yīng)調(diào)整。通常以25℃為標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度每升高或降低1℃時(shí)，浮充電壓應(yīng)增加18mV(相對(duì)于12V蓄電池)。
★ 在無外電靠UPS電源系統(tǒng)自行供電時(shí)，應(yīng)避免帶負(fù)載啟動(dòng)UPS電源，應(yīng)先關(guān)斷各負(fù)載，等UPS電源系統(tǒng)起動(dòng)后再開啟負(fù)載。因負(fù)載瞬間供電時(shí)會(huì)有沖擊電池，多負(fù)載的沖擊電流和加上所需的供電電流會(huì)造成UPS電源瞬間過載，嚴(yán)重時(shí)將損壞變換器。
★ UPS電源系統(tǒng)按使用要求功率余量不大，在使用中要避免隨意增加大功率的額外設(shè)備，也不允許在滿負(fù)載狀態(tài)下長期運(yùn)行。但工作性質(zhì)決定了UPS電源系統(tǒng)幾乎是在不間斷狀態(tài)下運(yùn)行的，增加大功率負(fù)載，即使是在基本滿載狀態(tài)下工作，都會(huì)造成主機(jī)出故障，嚴(yán)重時(shí)將損壞變換器。
★ 自備發(fā)電機(jī)的輸出電壓，波形、頻率、幅度應(yīng)滿UPS電源對(duì)輸入電壓的要求，另久發(fā)電機(jī)的功率要遠(yuǎn)大于UPS電源的額定功率，否則任一條件不滿，將會(huì)造成UPS電源工作異常或損壞。
★ 由于組合電池組電壓很高，存在電擊危險(xiǎn)，因此裝卸導(dǎo)電聯(lián)接條、輸出線時(shí)應(yīng)用安全保障，工具應(yīng)采用絕緣措施，特別是輸出接點(diǎn)應(yīng)有防觸摸措施。
★ 不論是在浮充工作狀態(tài)還是在充電、放電檢修測試狀態(tài)，都要保證電壓、電流符合規(guī)定要求。過高的電壓或電流可能會(huì)造成電池的熱失控或失水、電壓、電流過小會(huì)造成電池虧電，這都會(huì)影響電池的使用壽命，前者的影響更大。
★ 在任何情況下，都應(yīng)防止電池短路或深度放電，因?yàn)殡姵氐难h(huán)壽命和放電深度有關(guān)。放電深度越深、循環(huán)壽命越短。在容量試驗(yàn)中或是放電檢修中，通常放電達(dá)到容量的30%～50%就可以了。
★ 對(duì)電池應(yīng)避免大電流充放電，雖說在充電時(shí)可以接受大電流，但在實(shí)際操作中應(yīng)盡量避免，否則會(huì)造成電池板膨脹變形，使得板活性物質(zhì)脫落，電池內(nèi)阻增大，溫升越高，嚴(yán)重時(shí)將造成容量下降，壽命提前終止。
3.3 日常維護(hù)與檢修
1)UPS電源在正常使用情況下，主機(jī)的維護(hù)工作很少，主要是防塵和定期除塵。特別是氣候干燥的地區(qū)，空氣中的灰粒較多，機(jī)內(nèi)的風(fēng)機(jī)會(huì)將灰塵帶入機(jī)內(nèi)沉積、當(dāng)遇空氣潮濕時(shí)會(huì)引起主機(jī)控制紊亂造成主機(jī)工作失常，并發(fā)生不準(zhǔn)確告警，大量灰塵也會(huì)造成器件散熱不好。一般每季度應(yīng)徹底清潔一次。其次就是在除塵時(shí)，檢查各連接件和插接件有無松動(dòng)和接觸不牢的情況。
2)雖說儲(chǔ)能電池組目前都采用了免維護(hù)電池，但這只是免除了以往的測比、配比、定時(shí)添加蒸餾水的工作。但外因工作狀態(tài)對(duì)電池的影響并沒有改變，不正常工作狀態(tài)對(duì)電池造成的影響沒有變，這部分的維護(hù)檢修工作仍是非常重要的，UPS電源系統(tǒng)的大量維修檢修工作主要在電池部分。
★ 儲(chǔ)能電池的工作全部是在浮充狀態(tài)，在這種情況下至少應(yīng)每年進(jìn)行一次放電。放電前應(yīng)先對(duì)電池組進(jìn)行均衡充電，以達(dá)全組電池的均衡。要清楚放電前電池組已存在的落后電池。放電過程中如有一只達(dá)到放電終止電壓時(shí)，應(yīng)停止放電，繼續(xù)放電先消除落后電池后再放。
★ 核對(duì)性放電，不是首先追求放出容量的百分之多少，而是要關(guān)注發(fā)現(xiàn)和處理落后電池，經(jīng)對(duì)落后電池處理后再作核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn)。這樣可防止事故，以免放電中落后電池惡化為反電池。
★ 平時(shí)每組電池至少應(yīng)有8只電池作標(biāo)示電池，作為了解全電池組工作情況的參考，對(duì)標(biāo)示電池應(yīng)定期測量并做好記錄。
★ 日常維護(hù)中需經(jīng)常檢查的項(xiàng)目有：清潔并檢測電池兩端電壓、溫度;連接處有無松動(dòng)，腐蝕現(xiàn)象、檢測連接條壓降;電池外觀是否完好，有無殼變形和滲漏;柱、安全閥周圍是否有酸霧逸出;主機(jī)設(shè)備是否正常。
★ 免維護(hù)電池要維護(hù)，不是什么無稽之談，應(yīng)從廣義的維護(hù)立場出發(fā)，做到運(yùn)行、日常管理的周到、細(xì)致和規(guī)范性，保證設(shè)備(包括主機(jī)設(shè)備)保持良好的運(yùn)行狀況，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;保證電池運(yùn)行和人員的安全可靠。這就是電池維護(hù)的目的，也是電池運(yùn)行規(guī)程中包括的內(nèi)容和進(jìn)行規(guī)則。
3)當(dāng)UPS電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)先查明原因，分清是負(fù)載還是UPS電源系統(tǒng);是主機(jī)還是電池組。雖說UPS主機(jī)有故障自檢功能，但它對(duì)面而不對(duì)點(diǎn)，對(duì)更換配件很方便，但要維修故障點(diǎn)，仍需做大量的分析、檢測工作。另外如自檢部分發(fā)生故障，顯示的故障內(nèi)容則可能有誤。
4)對(duì)主機(jī)出現(xiàn)擊穿，斷保險(xiǎn)或燒毀器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新啟動(dòng)，否則會(huì)接連發(fā)生相同的故障。
5)當(dāng)電池組中發(fā)現(xiàn)電壓反、壓降大、壓差大和酸霧泄漏現(xiàn)象的電池時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用相應(yīng)的方法恢復(fù)和修復(fù)，對(duì)不能恢復(fù)和修復(fù)的要更換，但不能把不同容量、不同性能、不同廠家的電池聯(lián)在一起，否則可能會(huì)對(duì)整組電池帶來不利影響。對(duì)壽命已過期的電池組要及時(shí)更換，以免影響到主機(jī)。
4.結(jié)束語
在UPS的使用過程中注意，再好的設(shè)備也有壽命，也會(huì)出現(xiàn)各類故障，不要因?yàn)楦咧悄?、免維護(hù)而忽略了本應(yīng)進(jìn)行的維護(hù)工作，預(yù)防在任何時(shí)候都是安全運(yùn)行的重要保障。
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