某船集控室UPS設計缺陷優化方案

王 永，沈小波，孟海輝

（中國衛星海上測控部，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在各類船舶上應用廣泛，這對電網供電質量提出了更高的要求：1）要解決船舶電力網突然發生故障造成電力短缺的問題；2）要保證輸出優質的正弦波電源；3）要保證船舶臨時應急電源具備在緊急逃生情況下對船舶應急照明和應急設備進行供電的能力。在此情況下，不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）應運而生。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定性要求較高的設備提供不間斷的電源。當船電輸入正常時，UPS將船電穩壓后供應給負載使用，此時的UPS可視為交流式電穩壓器，同時其還向機內電池充電；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換的方法向負載繼續供應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組成部分包括正常電源（主電源）、應急電源和8臺獨立的UPS。正常情況下，UPS始終處于浮充狀態。該船經歷了幾次突然斷電的情況，檢查發現集控室的2個重要負載處于失控和黑屏狀態，這表明UPS沒有發揮不間斷供電的作用。檢查集控室的UPS，發現集控室2臺獨立式UPS電源放電時間均較短，其電池容量處于實質性失效狀態。在查閱集控室電器設備圖紙的基礎上，推斷出集控室UPS的工作電路存在重大設計缺陷。

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是集控室電源系統最后一道屏障，主要為集控室功率管理系統、監測報警系統、機艙監控系統、輔助決策系統和船舶配載系統供電。在失電情況下，保證集控室還能在短時間內啟停發電機。

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

圖1 集控室供電情況

2.2 UPS的組成結構

UPS主要由整流器、逆變器、蓄電池和靜態開關等組成，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 風力發電驅動船舶的結構示意圖

正常情況下，船舶用電經整流器變為直流電，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量的交流電。在因故停電時，集控室電源系統自動切換到UPS對重要負載供電。當船電輸入正常時，UPS可將船電穩壓后提供給負載使用，此時UPS可視為交流電穩壓器；當船電中斷時，UPS立即將機內電池的電能向負載供電，使負載保持正常工作狀態，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具備自動穩壓和斷電保護等功能，轉換時間僅需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視器等電容型負載。

2）在線式UPS

在線式UPS結構較為復雜，其性能完善，能夠持續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備，包括電腦和監視器等電容性負載以及打印機和復印機等電感性負載。

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，如有偏差可由穩壓電路升壓或降壓，提供比較穩定的正弦波輸出電壓，可供給一些精密設備。

2.4 故障分析

該船經歷了幾次突然斷電的情況，檢查發現集控室的2個重要負載處于失控和黑屏狀態，這表明UPS沒有發揮不間斷供電的作用，本小節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錯誤，蓄電池容量過小，不足以帶動用電設備。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；為UPS逆變器的效率；為蓄電池組中單體蓄電池的個數；為單體蓄電池的臨界放電電壓。

經計算，集控室UPS容量選型足以滿足設備的需求。UPS故障的原因為電解質變質，浮充時間過長，導致供電不足。

UPS的蓄電池需要定期進行充放電維護保養，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。查閱集控室設計圖紙資料發現，現有設計電路存在問題，只能對UPS進行在網浮充，無法實現充放電維護保養。經過電路分析和檢查，發現集控室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測系統，長期處于浮充狀態，導致電解液干涸，UPS蓄電池性能變差。在某些緊急情況下，UPS失效，導致設備處于失控狀態。

3 解決方案

針對UPS設計電路存在的問題，解決方案如下：

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

2）在保證正常供電電路不變的情況下，設計加裝專門的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測系統，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備正常工作使用，另一條電源回路能實現一鍵式放電。放電開始時，放電時間監測系統開始計時，電池容量檢測單元時時檢測電池容量。當放電達到相關要求后，自動斷開放電電路，放電時間監測系統停止工作，電池容量檢測單元記憶此時電池容量，而后聯鎖開關實現自動聯鎖，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 結論

UPS對于集控室應急供電具有重要的作用，本文介紹了UPS的類型、組成結構和工作原理，并針對某船集控室UPS的設計缺陷給出解決方案。本文的優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保障。