电力专用在线式UPS的研究

赵克信　李超

摘要：随着经济和科学技术的不断发展，不间断电源（UPS）在各个行业的重要性不断增加，尤其是医院、银行等行业应用更为广泛。目前不间断电源（UPS）主要有两种：后备式和在线式。后备式UPS将UPS电源作为备用系统，正常工作时由供电网为负载提供电能，只有当供电网出现故障时，UPS电源系统才会发挥作用向负载提供电能；这种方式成本较低，功率较小。在线式UPS可以为负载提供稳定的、高质量的纯净式正弦波交流电，因此在众多UPS中性能最为突出。

关键词：电力专用；在线UPS；電能

目前，UPS工业电源主要有后备式和在线式，电力专用在线式UPS主要用于发电厂和配电所，其主要结构分为六个部分：DC/DC、静态开关、DC/DA、APFC和输入输出EMI滤波器。

在交流输入正常的情况下，用过APFC将交流电压转换成直流电压，再通过DC/AC变换器将直流电压逆变为正弦波，将正弦波输出到负载，为负载提供电能；如果交流输入发生故障，则进行直流输入，首先通过变压器DC/DC使得直流输入电压升高，然后经过DC/AC逆变将升高后的直流输入逆变为正弦波输入，再输出到负载进行供电；如果上述两种输入都出现故障或者DC/DA变换器出现断路时，静态开关则切换到旁路输入，为负载进行供电。

1 在线式UPS的硬件电路

a）APFC模块：如下图所示为该模块的主功率电路图，该模块采用形式为boost拓扑结构，可以实现满载工作时PF数值超过0.99，其控制芯片型号是UC3854BN。

APFC模块的主功率电路图

b）DC/DC模块：其基本结构为LLC拓扑形式，使用ZVS和ZCT技术，且具有变换效率较高的优势。而输出方式为正负母线式。

c）DC/DA模块：该模块提供为逆变作用，结构形式为半桥式拓扑结构。通过两个MOS交替工作，使得所形成的逆变电压方向相反。

2 在线式UPS的发展方向

（1）智能化、自动化和网络化。

在当今网络时代的背景下，独立外设的UPS产品已经远远不能够满足人们的需求，因此UPS产品已经慢慢融入计算机网络系统，成为了其重要的一部分。这要求UPS产品和计算机网络之间可以实现数据的传递，因此就要求该产品能够简单地兼容于计算机和网络之中。

微处理技术使得UPS系统逐渐成为智能化产品，主要体现在两方面：一方面为自我监控，即产品在实际运行过程中可以对自身状态进行监控，预先处理故障，确保设备可靠地运行；另一方面则为网络与UPS产品之间的数据交换过程，使用者可以通过计算机实时监测各节点UPS电源的状态，及时提供信息反馈。自动化则是自动完成的自我检测过程的UPS电源产品，该过程无需人工干预。自动化过程是实现智能化和网络化，保证可靠运行的重要因素。

（2）多平台和监控远程化。

经济和科技的全球化带来了复杂的网络系统，随着UPS网络化进程的不断进步，UPS电源系统要不断适应多种形式网络环境，可以使用户在不同网络环境和平台下进行实时控制与监测。

（3）DSP技术和高频技术的应用。

数字信号处理技术使得UPS电源产品自身可靠性不断提高，可以输出稳定性更好、纯净度更好的电压；DSP芯片实现了UPS产品的全数字化控制，该芯片通过实时读取输出状态，计算SPWM值，应用先进的控制策略对UPS电源进行控制。当输出的负载具有非线性特性时，可以通过对非线性动态变化的监测对输出谐波进行相关的补偿。所以，使用DSP技术，为推动不间断电源的智能化和网络化发挥了重要作用。应用高频技术则可以降低电源的内耗和噪声，提高效率和可靠性。

（4）Delta逆变技术。

Delta逆变技术即电压串并联补偿高频双向逆变技术，采用了高频输入端的功率因子，极大地改进电网适应性和输出能力实现了零转换时间。

（5）并行技术和冗余技术。

电子设备（例如计算机）的应用数量不断增多，应用场合也越来越重要，以往单机运行的几百kV·A容量UPS产品已经满足不了多设备的供电要求，大功率的产品往往会造成过多的浪费，小功率多数量的产品采用并联技术实施链接后，不仅可以满足正常的供电需求，而且也可以灵活的控制整个电源控制系统的总容量。并联和冗余技术地使用并不矛盾，增加容量需要依靠并联技术，若某一单一模块出现故障，则需要冗余技术保证整个系统的可靠性。小功率并行技术也逐渐成为UPS电源系统配置的一种实用的趋势。

3 结语

分析了在线式UPS的特点及发展方向，下面总结UPS电源系统的使用和维护时应该注意的事项：

UPS系统主机对温度的敏感性要求不高，5～40℃环境下均可，但是对工作环境的洁净度要求较高，要求尽量少的灰尘和低湿度，否则容易短路造成主机系统故障；储能电池则要求在一定的温度环境下工作，一般为15～30℃。

使用时设置的主机参数不能随便修改，特别是电池组的相关参数，如果设置不当会严重影响其寿命。但是浮充电压参数要随着环境温度的不断变化进行修改。

在供电网不进行供电时，UPS系统和负载的启动顺序需要注意。在使用时，应先将负载关闭，启动UPS电源供电，然后将负载启动。

为保证长时间可靠运行，在使用的过程中不可随意增加高功率的设备，也禁止长时间满负荷环境下工作。

UPS电源系统电压对发电机的电压、工作频率、幅值和波形都有一定的要求，UPS电源的功率也应远远低于发电机的功率，否则会造成UPS电源系统的破坏。

在安装/卸载输出线等部件时，为防止电击危险，应采取相应的安保措施，例如使用绝缘工具进行安装等。

实际使用的过程中应尽量避免大电流条件下进行工作，过大的电流可能会使电池极板变形，极板上依附的活性物质脱落，内阻变大，温度升高，容量下降，缩短电池的使用寿命。

参考文献：

[1]吴博.电力专用在线式UPS的研究[J].电器工业，2016（5）.

[2]赵静.在线式UPS的研究[D].江苏科技大学，2012.

[3]罗泠.数字化在线式UPS的研究和开发[D].华中科技大学，2006.