UPS及EPS的應用技術與發(fā)展趨勢

2.3.4 EPS領域的現(xiàn)狀

隨著科技的不斷發(fā)展，眾多的智能大廈拔地而起，人們在對其居住環(huán)境提出了更高要求的同時，也提出了電力保障和消防安全問題。但EPS的起步較發(fā)電機和UPS要晚，人們對其認識的程度還不夠，所以在眾多的應急供電場合，還是以發(fā)電機和UPS為主要應急供電方式來實現(xiàn)EPS的功能。就提供應急供電能力而言，這兩種方式已暴露出許多不足之處。

1）用柴油發(fā)電機組作為應急電源是目前大部分工程所采用的，也是最常見的應急備用電源，由于柴油發(fā)電機的容量較大，可并機運行且連續(xù)供電時間長，所以已經有較長的應用歷史。然而，無論發(fā)電機的起動速度有多快，從停電后使發(fā)電機接到起動信號開始，至發(fā)電機電壓、頻率等達到穩(wěn)定可以供電時為止，至少需要數(shù)十s至數(shù)min，這段時間，所有用電設備均停止工作，就可能造成少數(shù)設備的損壞或出現(xiàn)生命財產的安全問題。而EPS的啟動一般不會超過25ms，所以不會影響設備的正常工作。

另一方面，柴油發(fā)電機應用在應急供電場合，有諸多不利之處，主要有：

（1）在高層建筑中，柴油發(fā)電機組一般放在地下室，設計難度大，造價高，配備進風、冷卻、排煙、減震、消音等設施都需要充分考慮；

（2）存在火災隱患。其油罐像一個極為危險的“炸彈”，萬一失火，后果不堪設想；

（3）日常維護比較頻繁，工作量大；

（4）柴油發(fā)電機噪音大，產生公害；

（5）排煙中有大量的二氧化硫，污染嚴重，影響環(huán)保。

以負載容量為200kW為例，將EPS與柴油發(fā)電機組的性價比作一個比較。選用EPS時，其額定功率與負載功率比為1：1即可，其總價約為60萬元左右。而選用柴油發(fā)電機時，其額定功率與負載功率比應為1.3～1.5：1，對200kW的負載，柴油發(fā)電機組需250kVA規(guī)格，該機組價格為40萬元左右，但是除機組本身價格之外，還需外加其他輔助裝置費用約16～29萬元，現(xiàn)以20萬元計算，即選用柴油發(fā)電機組總價為60萬元左右。所以，二者價格相差不多。從中也不難看出，如果EPS容量小于200kW時，其價格要小于柴油發(fā)電機組的綜合造價。目前消防應急供電場合的負載總容量一般在200kW以下，從投資的長遠利益考慮，EPS較柴油發(fā)電機組經濟得多。

2）用UPS作為應急電源EPS從原理結構上和UPS大同小異。在線式UPS不論市電是否正常，它都一直由逆變器供電，即按照“市電輸入→整流→逆變→輸出”的順序進行，只有在逆變器故障或過載時才改由旁路輸出，如圖5所示。而EPS，當市電正常時，市電通過開關S輸出給負載，同時充電器對電池充電。當控制系統(tǒng)檢測到市電停電時，逆變器工作，使開關S切換至逆變輸出狀態(tài)，向負載提供電能，如圖6所示。

圖5 UPS供電系統(tǒng)

圖6 EPS供電系統(tǒng)

從以上供電系統(tǒng)圖可以看出，UPS是一種雙變換結構的不間斷電源，主要為負載提供穩(wěn)定的高質量電能，不受市電電網(wǎng)的影響，而且其轉換時間一般在10ms以內，所以，UPS被廣泛應用于計算機、程控交換機、醫(yī)療設備及精密電子儀器等不能中斷供電的場所。但正因為UPS不僅擔負著應急供電外，還擔負著改善電力品質的任務，所以其逆變器要連續(xù)不斷地工作，使用壽命相對較短，一般為5～8年，尤其是電池的更換較為頻繁。另一方面，UPS的逆變器長期處于工作中，自身的損耗較大，而且對使用環(huán)境要求很高，只能放在計算機房或空調房間里。

UPS專為IT行業(yè)的計算機類和通訊類負載而設計，其負載適應能力不及EPS，舉例說明，如果應急供電場合含有交流感應式電動機一類的感性負載，那么在UPS的設計選型和使用中就會出現(xiàn)很大問題。由于交流電動機的起動電流通常是其額定電流的5～7倍，而UPS的過載能力標準規(guī)定：過載125％時，A類為10min，B類為1min，C類為30s；過載150％時10s。如果想要UPS能承受電動機起動電流的沖擊能力，勢必要增大UPS的額定容量，這無疑將加大投資，還未必能徹底解決問題。因此，選用UPS作為應急電源，工作既不可靠，還得花費大量資金。

3 UPS/EPS的發(fā)展趨勢

3.1 UPS的控制技術

中小型UPS的AC／DC和DC／AC變換大多數(shù)仍采用模擬控制電路，AC／DC變換器的控制芯片大多數(shù)已集成化，使用簡單，工作可靠。DC／AC變換器的控制有兩種基本方式，一種是單閉環(huán)控制，另一種是雙閉環(huán)控制。前者控制電路簡單，但難于實現(xiàn)輸出端短路自動恢復。后者控制有電流內環(huán)和電壓外環(huán)，電壓調節(jié)器的輸出為電流調節(jié)器的給定，因此，限制電流給定幅值也就限制了逆變器的最大輸出電流。

當前，數(shù)字控制已成為新型UPS控制技術發(fā)展的主流，數(shù)字控制器具有精度高，抗干擾能力強，易于實現(xiàn)對UPS的檢測、故障診斷和隔離，易于實現(xiàn)遙控遙測，實現(xiàn)多臺UPS的并聯(lián)和熱插拔，易于實現(xiàn)對蓄電池的監(jiān)控和管理。也就是說，計算機的介入使UPS具備了智能化，可以使其運行在最優(yōu)狀態(tài)。

3.1.1 DSP的應用

采用數(shù)字信號處理器(DSP)的數(shù)字PWM技術，是數(shù)字控制技術的核心，用于保證UPS輸出電壓的質量，即保證輸出電壓、頻率和輸出電壓波形滿足技術指標的要求。數(shù)字控制的另一個重要功能是實現(xiàn)UPS的初始自檢和運行自檢，進行故障保護和故障隔離，這是模擬控制器無法勝任的。由于數(shù)字控制器的靈活性，使UPS控制器的硬件電路可以標準化，從而簡化了生產、使用和維修，也大大提高了工作可靠性。

3.1.2 控制電路的全微處理器化

UPS電路是由以下幾部分組成的：主電路、驅動電路、監(jiān)控顯示及控制保護電路和通信界面電路。其中監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路，可以運用數(shù)字化設計技巧簡化其電路，并解決原類比電路需要調整、具有溫漂及參數(shù)調整不易的缺欠。采用的方法是：

1）全微處理器化利用微處理器來執(zhí)行監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路的功能；

2）半微處理器化利用類比電路處理快速反饋保護電路，而由處理器處理慢速反饋、報警、顯示及通信界面的功能。

3.2 蓄電池技術

蓄電池是UPS的心臟，不管UPS電路多么先進，其性能最終取決于它的電池，一旦電池失效，再好的UPS也無法提供不間斷供電。

目前，UPS一般都使用免維護密封鉛酸蓄電池，由于采用陰極吸收式密封技術，克服了普通蓄電池需要定期補水的缺點，具有“免維護”、使用方便、不污染環(huán)境、體積小、重量輕的優(yōu)點。它使用高氫過電位的板柵材料，減少了電池在存放和充電過程中的氣體分解。正極表面的超細玻璃纖維膜，阻止了活性物質脫落，提高了電池的壽命。安全閥的使用使蓄電池很少產生氣體，又可使已產生的氧氣被負極鉛所吸收，使蓄電池無水的損失，達到了密封免維護的目的。