電力系統中UPS電源技術的改進研究

于海濱，白銀姍

（中國信息通信研究院，北京 100191）

1 UPS電源技術的運行原理

當前，UPS電源在電力系統中有著廣泛的應用前景。其能夠保障電力系統的持續供電，降低因突發事件帶來的潛在風險。隨著科學技術的進步，UPS電源技術也在不斷發生變化。就其工作原理來看，UPS電源主要分為后備式UPS電源、在線式UPS電源以及在線互動式UPS電源3種。其中，后備式UPS電源主要采用抗干擾分級調壓穩壓技術，市場價格較低，適用于重要場所。當電源供電或電壓發生變化時，后備式UPS電源可以向負載提供高頻干擾的穩壓電源，改善供電電壓的波動狀態。當供電發生中斷或者電壓降到170 V以下時，蓄電池通過逆變器為負載提供穩定的交流電。但電力系統一旦發生故障，電池的逆變供電將有4～10 ms的反應時間，因此不適合用于供電要求較高的設備設施[1]。

當在線式UPS電源在電力系統中發生故障時，UPS電源能夠立即作出供電反應，減少開關轉換時間，使得電網和蓄電池之間的切換時間接近為零，從而消除電網帶來的影響。這類UPS電源的安全可靠性較高，主要應用在銀行和證券等重要單位。而在線互動式UPS電源結合了后備式UPS電源效率高和在線式UPS電源供電質量可靠的特點，在使用過程中始終處于準備狀態，所以電流切換的時間非常短，可以保證電壓輸出相對穩定。但需要注意的是，互動式UPS電源使用的是雙向變換器，充電狀態效果不佳，因此導致穩頻效果不佳，不適合做常延時UPS電源。

2 UPS電源的技術性能

2.1 重復控制技術

UPS電源由逆變器和其他部分共同構成，是一種具有電量儲能的恒壓恒頻固態電源。由于具有重復控制技術，因此在電壓下降到零的過程中，也能夠起到控制效果，抑制其他電流造成的干擾。重復控制技術用于UPS電源，構成了一種性能高且成本低的波形控制系統，可高精度控制重復軌跡，做到系統穩態誤差和收斂速度穩定，改善電源輸出的電壓波形質量。

2.2 并聯技術

UPS電源安置在重要場所時對電池容量的需求量極大。但UPS電源提供的電量極容易受到外界環境的干擾出現損耗問題，造成所提供的電量無法滿足實際的需求。為解決這一問題，技術研究者采用并聯技術，使得電力系統中全部逆變器使用的電壓頻率和幅值等數據始終保持一致，從而提高電力系統的容錯性能。

2.3 整流技術

UPS電源的功率過大，所以經常會采用整流技術進行調整。其操作非常便捷，控制方法也相對成熟，但諧波電流相對過大會影響運行的安全性。因此，為確保電流的穩定，需要采用濾波器進行整流，從而保證電流穩定運行。

3 UPS供電技術的改進策略

本研究中以某數據中心UPS電源設備為例。該機房由3套UPS電源設備共同組成，每套由1臺不間斷電源、1臺隔離變壓器以及3臺蓄電池構成。由于UPS不間斷電源容易發生超溫和過流報警等問題，影響電力系統的正常運行[2]。因此本文改進該數據中心的UPS電源設備線路，保證設備本身的安全穩定性，以滿足設備在應急狀態下的供電安全。數據中心UPS電源設備線路如圖1所示。

圖1 數據中心UPS電源設備線路圖

3.1 改進散熱設備

改進UPS散熱設備，將極大地提高UPS的散熱能力。該數據中心電力系統中原UPS散熱設備的整體長度為200 mm，橫截面積為125 mm×125 mm。在125 mm的高度共有32片散熱片，由于散熱片相對集中，因此片與片之間的距離僅有2 mm左右，造成散熱效果不佳，長期使用極容易產生灰塵堵塞的問題。本文通過改進散熱設備，將原有長度增加至280 mm，橫截面積仍然保持為125 mm×125 mm。在125 mm的高度上共有24片散熱片。同時在散熱設備上將安裝IGBT模塊，中心距離由45 mm增加到75 mm，增強IGBT的散熱功能。改進后散熱設備的風道更加順暢，風阻將進一步降低，散熱的總能力將顯著提升，預計散熱效果提升40%。改進后的散熱設備機構如圖2所示。

圖2 改進后的散熱設備機構圖

3.2 改進UPS電路。

3.2.1 改進熱敏電阻

原有UPS的220 V輸入設備串入了熱敏電阻，主要功能是用來抑制因短時間內啟動電源所產生的電流。在UPS工作之初，熱敏電阻溫度較低，對啟動電流產生抑制作用，但由于工作時間較長，熱敏電阻的溫度將不斷升高，電阻值也將隨之降低。不僅嚴重影響UPS的散熱效果，而且還可能因設備失效而發生安全隱患。針對這種問題，可以改進熱敏電阻。在UPS工作之初，將熱敏電阻串聯在輸入線路中，達到抑制啟動電流的作用，在UPS工作后，系統自動屏蔽熱敏電阻，從而解決電流啟動瞬間達到抑制啟動電流的問題[3]。熱敏電阻改進后如圖3所示。

圖3 熱敏電阻改進示意圖

3.2.2 改進UPS輸入、輸出熔斷器

在電氣設計中常常會用到熔斷器。熔斷器主要有插入式、螺旋式以及密閉管式等類型，主要用于低壓分支電路的短路保護。在本文中UPS的輸入和輸出熔斷器使用的是普通陶瓷類型，其熔斷時間較長，在發生短路后對系統的保護能力不足。此外，由于熔斷器在UPS設備的內部，因此一旦發生問題不易檢修。將普通陶瓷熔斷器更換為快速熔斷器，安裝位置由內部改為前面板中，既能夠保證在短路狀態下瞬時斷電，又能夠保證維修的安全[4]。

3.2.3 改進UPS內部插件

接插件使用范圍廣泛，只要涉及到電路的問題都會牽扯到接插件。本例中UPS采用2.54 mm和3.96 mm的電路板插座。由于直插式印制電路板在使用過程中需要多次插拔，因此長時間使用極容易出現腐蝕和磨損等問題，造成在接插件的接觸部位和端接部位出現接觸不良的現象。使得UPS工作異常，從而影響電力系統運行的可靠性。為解決這一問題，使連接更加可靠，本例采用4個螺釘鎖緊的鍍金插件，替換原有電路板中的26個插拔式插件，整體插件的數量由26個減少到4個，減少了22個。通過減少插件數量，將有效提高插件接觸的可靠性，防止因頻繁插接造成接觸不良問題的發生。

3.2.4 改進輔助電源設備

原UPS的輔助電源設備安置在電路的控制板區域。由于控制板部分區域溫度較高，在長期供電過程中，元器件的整體性能將不斷下降，造成輸出紋波較大，對整體供電效果和信號驅動產生不良影響。對此，本研究選擇優良的輔助電源模塊作為改進策略，整體電源包括交流220 V和直流240 V兩路輸入。在輸入電源進行切換時，整體供電自由切換不斷電。此外，該輔助電源模塊采用全金屬材質，具有極高的可靠性。

4 結 論

通過文中研究可以看出，UPS電源技術的性能和可靠性極為重要，在各類大型場所和特殊區域的電力系統中有著廣泛的應用。采用UPS電源技術能夠保障電力系統的可靠性，消除電網因故障帶來的影響，在特殊區域通過改進UPS電源技術，還能夠有效延長電力設備的使用壽命，保證電路和電子檢測系統的可靠穩定，提高設備的散熱性能和抗干擾能力，使電力系統運行在比較安全的環境，滿足人類社會用電的需求，推動電力行業蓬勃健康發展。