UPS电源应用分析

1 UPS电源设备的发展

 不间断电源(Uninterruptible Power System简称UPS)从60年代的动态UPS到今天的静态UPS已走过了30多年的路程。60年代的UPS是采用柴油机—电动机—发电机组来实现电能的转换，平时由市电驱动电动机，再由电动机带动发电机向负载供电。当市电停电时，控制电路切断市电线路和电动机，利用飞轮的惯性，使发电机组继续供电，同时立即启动柴油机，当柴油机的转速与发电机转速相同时，柴油机离合器与发电机联上，完成由市电到柴油发电机的切换，这种不间断电源称为旋转型不间断电源，也叫动态不间断电源或动态UPS。

随着半导体技术的发展，1960年以后，采用了大功率逆变技术和强电流电子开关来实现大功率的电能转换。这种电能转换电路，不论是主电路还是其他控制电路，均采用半导体固体器件，故称固态不停电电源或静止型不停电电源，简称静态UPS。

静态UPS的历史虽然不长，但发展速度很快，近两年的UPS比80年代初期的UPS有了很大发展。在功率结构方面，进入90年代，IGBT技术已成为近几年UPS的发展趋势。在控制技术方面，80年代的UPS主要是采用模拟控制，它是利用有限的微处理器技术，辅助于模拟量的反馈回路，以其采样值与设定的参数值比较而生成一个误差信号，并去周期性修正驱动回路，以求得稳定之输出，这就是最初级的最简单的PWM技术之功能。进入90年代，数字控制技术取代模拟控制技术，即采用软件编程方式。这种控制方式使元器件更精少，硬件线路更简化，可靠性更高，瞬态反应能力更强。而IGBT应用于大容量UPS后，使整体系统的效率更高(逆变器效率可达98％～99％)，开关速度更快，输出波形更好，谐波更小(小于1％～2％)，噪音降低，控制回路更简单。

静态UPS的基本框图如图1所示。

图1 静态在线式UPS结构框图

随着开关器件水平的提高和计算机技术的发展，UPS正在向智能化的方向发展，也就是借助于计算机技术，充分利用硬件和软件的各自特点，使UPS智能化。智能化的UPS不仅能够完成普通UPS所能完成的全部工作，还能对运行中的UPS进行监测，随时将采样点的状态信息送人计算机进行处理，一方面获取UPS运行的有关参数，另一方面监视电路中各部分的状态，从中分析电路的工作是否正常。当UPS发生故障时，根据监测结果，进行故障诊断，指出故障的部位，给出处理方法，自动显示监测参数，自动记录有关异常或故障的信息。智能化的UPS除完成正常的控制工作外，还能在UPS发生故障时，采取必要的应急控制动作。智能化的UPS除能按照产品指标自动定期地进行自检并形成自检记录外，还能用程序控制UPS的启动或停止。可以随时向计算机输入信息或从计算机获取信息。

近10年间，UPS发展速度很快，应用领域也在迅速扩展，已经成为“计算机的生命线”，“是电脑及其它先进仪器不可缺少的电源保护天使”。

2 UPS在炼油厂的应用过程

我们在齐鲁石化炼油厂应用UPS是从三机、重整等装置的三端口UPS开始的。1989年安装的意大利siel公司的三端口UPS，其核心部分是有一个双向变换器(既逆变又整流)。这种UPS主要由市电、整流／逆变器、蓄电池组、三端口变压器构成，其框图如图2所示。

图2 三端口UPS结构框图

三端口UPS具有市电输入端口、整流／逆变器输入端口、输出端口，俗称三端口。三端口UPS与在线式UPS的工作方式有很大不同。首先是它的整流／逆变器处于同一电路，整流／逆变器既有市电输入，又有逆变输出，同时又给电池充电。从图1可以看出，在线式UPS要经过二次变换，即交流→直流→交流→负载。而三端口UPS经过一次变换就供给了负载。其次，三端口UPS所使用的变压器，不是一般的稳压变压器，而是一个铁磁谐振变压器，这样，当初级电压变化时，次级电压基本维持不变；逆变器在市电正常情况下也工作，没有切换时间，并在控制电路的作用下，调整逆变器输出电压的幅度与相位，保证逆变器输出电压的稳定；在市电不正常或发生故障时，系统由蓄电池作为输入电源继续向负载供电，保证负载不间断地稳定工作。三端口UPS逆变器的输出电压频率不够稳定，带非线性负载的能力也比较差，但成本较低。从1996年开始，炼油厂采用了具有先进电子技术的在线式UPS，如：法国梅兰日兰、德国Siemens、意大利best等30套。在线式UPS的含义是：即使在电网电压正常供电时，UPS的输出也是将外来电压经过本身的加工转换后再供给负载。也就是说，即使是在电网电压正常时，市电也是经过变压器→整流滤波→逆变器→开关S3(S3闭合，S2断开，见图1)→输出。这种UPS将市电隔离。在市电正常时，过滤市电，供给负载纯净的电源。在市电不正常或发生故障时，UPS以蓄电池组为输入电源继续向负载供电，保证负载连续不断地稳定工作。所以，负载即使是实时控制信号，也不会因市电中断而出现丢失或差错。它之所以具有这样的性能，其根本原因是：它有一个或多个储能环节和能量的变换装置，将市电隔离过滤后再供给负载纯净的电源。一旦市电异常，依靠这些储能和能量变换装置，继续向负载提供高质量的电源，以实现不间断供电的要求。

UPS推广应用如此之快，使电脑及其敏感的先进设备有了纯净电源的支持，提高了仪表电源的质量，保证了电源的稳定、不间断、无干扰。

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3 UPS应用新思路

在UPS设备更新换代、电子技术突飞猛进的同时，对UPS的应用目的也在发生变化，这是随着供电质量的提高悄悄进行的。由于当时的电网技术不成熟，停电事故经常发生，最初的UPS主要是作为后备电源，通过增大蓄电池容量的方法，延长UPS后备时间达1～2h。从1994年开始，供电质量有了明显提高，大面积的全停电事故基本杜绝。这时，UPS的主要任务是克服电源电压波动及净化仪表电源，其后备时间规定为15min(满负载状况下维持后备时间15min，一般地，UPS的负荷率在30％左右，后备时间还要长些)。这样，对UPS的要求更高，不仅要达到后备电源的基本作用，还要在稳压、稳频、去除谐波、抗干扰等方面发挥积极作用。

4 提高UPS供电可靠性的措施

目前，UPS设备质量已经达到令人满意的程度，因UPS本身质量原因导致的停电事故越来越少。现在的主要课题就是搞好UPS的外围配置和及时发现设备异常。在这方面，电气分厂做了一些有益的尝试，取得了比较理想的结果。

齐鲁石化炼油厂的装置都是双回路供电，单独某一回路的异常不会引起装置大的波动。由于UPS是有后备时间的，特别在UPS后备时间减少的情况下，必须保证UPS有比较可靠的输入电源。因此，我们将UPS的输入电源改为双电源互投方式，电源的切换是自动完成的，保证把正常的一路电源送给UPS。充分利用UPS先进的自检、报警及通讯功能，把报警信号输人操作室DCS，任何异常情况都可以及时发现，在事故扩大之前就可以采取相应措施。

“蓄电池是UPS的心脏”。据统计：由于蓄电池故障引起UPS不能正常工作的比例几乎超过70％。在正常情况下，蓄电池处在浮充状态，UPS检测直流环节的电压，并与负荷电流比较，计算出实际的后备时间。但蓄电池电压与直流环节并联在一起，直流电压正常并不表示蓄电池完好，比如，蓄电池开路或某一节蓄电池内阻增大等故障现象，依靠UPS内部软件就不能判断。针对这种情况，我们在联合装置UPS上安装了“蓄电池内阻检测仪”，实时检测蓄电池内阻，因为电池容量不足或质量变坏，最可靠的检测办法就是检查其内阻值的大小。如2001年4月三机UPS在电网出现瞬间停电时，就是因为其电池组中有一节电池出现问题，没能实现瞬间为逆变器供电，导致主风机及烟机和汽轮机停机。事后检查该节电池严重亏容，内阻很大，对于电池组而言相当于开路。内阻检测仪设定为每天检测一遍所有电池的内阻，同时还针对所用电池的规格型号设定了内阻范围，如出现电池内阻增大，超过设定的范围则会发出报警信息；不仅如此，检测仪还可以检查电池的其它运行参数，如浮充电流、电压、放电电流、单节电池电压等，可以帮助我们很好的了解运行电池组的状态，其效果比较理想。如2002年2月，检测仪检测出联合装置1号UPS的电池组中的5号电池内阻超标，当时测量值为22MΩ，而其它电池的内阻在17MΩ左右，于是我们便开始注意此节电池的运行情况，结果发现此电池的内阻不断变大，最后达到25MΩ，于是我们将其进行了更换。通过放电试验发现其容量确实不足。另外，我们每季度还用便携式仪器复试数据，通过前后数据比较，确定UPS是否正常。

对于特别重要的装置采用双机并联方式，当一台UPS故障时，另一台可以继续担负全部负载的供电，以实现更高一级的不间断供电要求。

5 待进一步完善的措施

不间断并不意味着UPS没有故障或绝对的不间断供电，但它可以将重要负载因供电中断造成的停机率下降到设备所能允许的程度。在目前情况下，已能使平均无故障时间达到数万小时，甚至5a以上。

为了达到不间断供电的目的，还可以从设备装置上采取措施。如图3，联合装置UPS是双机并联，DCS所用24 V直流电源也是多电源互备方式，这两个环节的供电都是非常可靠的，但两部分的结合点处却是单回路，是一瓶颈点，故障机率比较大，影响装置正常生产。

图 3 现在运行电路

如果改为图4所示的供电方式，整个供电途径都是双回路，很明显，供电可靠性大大提高。

图4 修改后的电路

另外，上海石化、金陵石化等公司采取的“UPS风险承担”模式也是一种提高安全供电的措施。其实质就是减少单台UPS的供电范围，用多台UPS分别承担供电任务，在故障机率相等的情况下，某一台UPS故障所导致的停电范围减小，不致引起整个装置全部瘫痪。

参考文献

（1） 王其英.不间断电源UPS剖析与应用 北京：科学出版社

（2） 郁百超.不间断电源领域的新突破第十四届全国电源技术年会论文集