電力專用在線式UPS的研究

趙克信　李超

摘要：隨著經濟和科學技術的不斷發展，不間斷電源（UPS）在各個行業的重要性不斷增加，尤其是醫院、銀行等行業應用更為廣泛。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，正常工作時由供電網為負載提供電能，只有當供電網出現故障時，UPS電源系統才會發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可以為負載提供穩定的、高質量的純凈式正弦波交流電，因此在眾多UPS中性能最為突出。

關鍵詞：電力專用；在線UPS；電能

目前，UPS工業電源主要有后備式和在線式，電力專用在線式UPS主要用于發電廠和配電所，其主要結構分為六個部分：DC/DC、靜態開關、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將交流電壓轉換成直流電壓，再通過DC/AC變換器將直流電壓逆變為正弦波，將正弦波輸出到負載，為負載提供電能；如果交流輸入發生故障，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，然后經過DC/AC逆變將升高后的直流輸入逆變為正弦波輸入，再輸出到負載進行供電；如果上述兩種輸入都出現故障或者DC/DA變換器出現斷路時，靜態開關則切換到旁路輸入，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拓撲結構，可以實現滿載工作時PF數值超過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：其基本結構為LLC拓撲形式，使用ZVS和ZCT技術，且具有變換效率較高的優勢。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，結構形式為半橋式拓撲結構。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的發展方向

（1）智能化、自動化和網絡化。

在當今網絡時代的背景下，獨立外設的UPS產品已經遠遠不能夠滿足人們的需求，因此UPS產品已經慢慢融入計算機網絡系統，成為了其重要的一部分。這要求UPS產品和計算機網絡之間可以實現數據的傳遞，因此就要求該產品能夠簡單地兼容于計算機和網絡之中。

微處理技術使得UPS系統逐漸成為智能化產品，主要體現在兩方面：一方面為自我監控，即產品在實際運行過程中可以對自身狀態進行監控，預先處理故障，確保設備可靠地運行；另一方面則為網絡與UPS產品之間的數據交換過程，使用者可以通過計算機實時監測各節點UPS電源的狀態，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電源產品，該過程無需人工干預。自動化過程是實現智能化和網絡化，保證可靠運行的重要因素。

（2）多平臺和監控遠程化。

經濟和科技的全球化帶來了復雜的網絡系統，隨著UPS網絡化進程的不斷進步，UPS電源系統要不斷適應多種形式網絡環境，可以使用戶在不同網絡環境和平臺下進行實時控制與監測。

（3）DSP技術和高頻技術的應用。

數字信號處理技術使得UPS電源產品自身可靠性不斷提高，可以輸出穩定性更好、純凈度更好的電壓；DSP芯片實現了UPS產品的全數字化控制，該芯片通過實時讀取輸出狀態，計算SPWM值，應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變化的監測對輸出諧波進行相關的補償。所以，使用DSP技術，為推動不間斷電源的智能化和網絡化發揮了重要作用。應用高頻技術則可以降低電源的內耗和噪聲，提高效率和可靠性。

（4）Delta逆變技術。

Delta逆變技術即電壓串并聯補償高頻雙向逆變技術，采用了高頻輸入端的功率因子，極大地改進電網適應性和輸出能力實現了零轉換時間。

（5）并行技術和冗余技術。

電子設備（例如計算機）的應用數量不斷增多，應用場合也越來越重要，以往單機運行的幾百kV·A容量UPS產品已經滿足不了多設備的供電要求，大功率的產品往往會造成過多的浪費，小功率多數量的產品采用并聯技術實施鏈接后，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的總容量。并聯和冗余技術地使用并不矛盾，增加容量需要依靠并聯技術，若某一單一模塊出現故障，則需要冗余技術保證整個系統的可靠性。小功率并行技術也逐漸成為UPS電源系統配置的一種實用的趨勢。

3 結語

分析了在線式UPS的特點及發展方向，下面總結UPS電源系統的使用和維護時應該注意的事項：

UPS系統主機對溫度的敏感性要求不高，5～40℃環境下均可，但是對工作環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故障；儲能電池則要求在一定的溫度環境下工作，一般為15～30℃。

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

在供電網不進行供電時，UPS系統和負載的啟動順序需要注意。在使用時，應先將負載關閉，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備，也禁止長時間滿負荷環境下工作。

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

在安裝/卸載輸出線等部件時，為防止電擊危險，應采取相應的安保措施，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脫落，內阻變大，溫度升高，容量下降，縮短電池的使用壽命。

參考文獻：

[1]吳博.電力專用在線式UPS的研究[J].電器工業，2016（5）.

[2]趙靜.在線式UPS的研究[D].江蘇科技大學，2012.

[3]羅泠.數字化在線式UPS的研究和開發[D].華中科技大學，2006.