电力专用不间断电源（UPS）的原理及应用-tMicr

1电力专用不间断电源（UPS）的原理及应用曹仁贤郑桂标合肥阳光电源有限公司[摘要]本文介绍了电力专用逆变器和UPS的原理、特点，并对各种专用的UPS电源和常规UPS作了比较详细的介绍，以供广大电力工作者选型时参考。[关键词]电力专用逆变器UPS一、概述不间断电源（UPS）在电力系统中的应用已越来越广，随着电力通讯、无人值守变电站、微机监控等电力自动化设备的普及和应用，电力系统对不间断电源提出了更高的要求。虽然发电厂均有两路进电，但这并不能保证能够毫无间断地给计算机等重要负载供电，要保证微机等信息设备的电源指标，就必须采用不间断电源(UPS)。常规在线式不间断电源原理如图1所示：市电经过整流后一方面给蓄电池充电，同时又给逆变器供电，一旦市电断电，则自动由蓄电池向逆变器供电，从而保证了重要负载的不间断输出。我们称这种UPS为常规不间断UPS。在电力系统中，无论是发电厂还是变电站，绝大多数厂（站）均已配备有直流屏或蓄电池组。直流屏的直线母线电压为220VDC和110VDC两种，主要为合闸装置、继电保护、事故照明等提供备用直流。电力专用不间断电源，就是利用原有直流屏作为逆变器在市电断电后的直流电，再经过逆变后提供不间断电力，其典型原理如图2所示：交流市电经过整流器整流后给逆变器供电，直流屏的电力经过防反二极管并接在逆变器输入端。市电正常时，电流经过一旦市电断电，将由市电整流器蓄电池组逆变器不间断输出图1交流市电220VAC接直流屏DC220V(110V)防反二极管（DM）整流器逆变器不间断输出图2整流器逆变器负载；直流屏逆变器负载供电。2二、采用电力专用不间断电源的优势采用电力专用不间断电源，与常规UPS相比，前者有许多优势，现一一列举。1、采用电力专用UPS，将避免蓄电池组的重复投资。众所周知，UPS中蓄电池组的投资比较大，特别是在长延时UPS系统中，蓄电池组的投资甚至远远超过UPS机组的投资。因此利用原有直流屏或将原有直流屏作适当扩容，将大大降低不间断电源的投资。2、采用电力专用UPS，将使电源系统的可靠性大大提高。常规不间断电源采用单独的蓄电池组，特别是小容量的常规UPS,其蓄电池往往被安排在UPS机内，有时蓄电池早已老化，却没被发现，一旦市电断电，蓄电池早已无能为力，这种电源故障在中、小型变电站经常发生。即使蓄电池外接，但由于存在维护空缺，以至经常发生蓄电池组早已实效而无人问津的现象。采用电力专用UPS，其直流动力直接取自直流屏，而直流屏本身是电力系统中的重要设备。电力系统运行中对直流屏的维护有明确的规定，其可靠性是有保证的。因此采用可靠的直流动力，另加逆变器，自然就可得到可靠的交流不间断电力。另外，由于电力系统的直流屏往往容量大，采用电力专用UPS后即在市电断电后，可提供较长的不间断供电时间。3、采用电力专用UPS，便于日常维护。由于电力专用UPS实际上已分成直流屏和逆变器两大部分，因此，日常的维护工作就变得非常简单。当蓄电池组需要活化、放电或个别电池需更换时，可直接断开直流。因为电力专用UPS往往有交流、直流同时进电，断开直流后，UPS电源将自动有交流旁路供电。同样，当需要对专用UPS进行检修时，也不会影响直流屏的任何功能，这就保证了交直流负载的正常供电。4、采用电力专用UPS，可优化系统配置，降低系统成本，并体现全方位的服务。电力专用UPS生产商应根据电力的特点，采用专业设计和制造标准，抛弃了常规UPS实际可带负载功率偏低、抗冲击能力差、无法带感性负载等弱点，做到精心定制。并留有充分功率余量。如合肥阳光电源公司生产的任何一款专用UPS，采用了日本三菱IPM机芯，均可带动如交流润滑油泵、风机、水泵等电动机负载，甚至可提供功率只有3kVA的三相四线制输出品种。因此电力专用UPS比常规UPS有更高的性能价格比。三、电力专用UPS的种类及造型电力专用UPS可分为专用逆变器型、交直流互备UPS型及在线UPS型等三大类。1、电力专用逆变器电力专用逆变器，早在80年代就有人使用。但早期的逆变器由于受功率器件的制约，可靠性较差。随着功率器件的迅速发展和微电子产业的崛起，逆变器已向智能化、模块化方向发展。新型的电力专用逆变器均采用微处理器控制，主电路采用大功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅功率晶体管（IGBT）、智能功率模块（IPM）等功率器件。隔离、驱动开关电源DC-DC微处理器DC220V(110V)+15V+5V电流反馈电压反馈LTC图33其电路原理如图3所示。DC-DC开关电源提供逆变器自身的低压用电，如±15V、5V等。主电路采用单相全桥电路，由微处理器产生脉宽调制（SPWM）信号，经过LC滤波隔离、升压后输出。由于采用电压、电流反馈，因此输出的正弦波指标可以达到很佳的效果。该逆变器的特点是：工作简单，安装使用方便。缺点是：由于逆变器始终连接负载，这就加重了直流屏中整流器的负担，另外由于无旁路回路，冗余性能差。该逆变器可用于以下场合：1)事故照明用电。由于事故照明用电并不像计算机等重要负荷那样丝毫不能间断，因此可在事故状态时启动逆变器，以保证照明及消防设施用电。2)逆变放电用电。直流屏日常需要活化蓄电池，核对容量是也需对电池放电，采用有源逆变器可直接将电能击溃至电网，以节约能源。3）小容量交流负荷的不间断供电。小容量电力载波机、继电保护、通讯设备（一般容量在2kVA以下）时可采用逆变器直接供电，这样既可节省投资，又不影响直流屏的正常工作。2、交直流互备型UPS该电力专用UPS是在专用逆变器的基础上改进的，其电路原理如图4所示：在原有的逆变器的基础上增加了旁路转换开关，旁路转换开关一般采用静态开关，小容量时也可采用快速继电器。工作原理是旁路转换电路一直监视交流市电的电压和波形，一旦断电，将迅速切换至逆变器输出，切换时间均在几个毫秒之内。同样，若逆变器、直流屏故障或检修时，也将自动由交流市电供电，也即只要直流屏和交流市电有一路存在，交流输出将得到保证。可见该专用UPS的结构比逆变器合理，并且可实现两台UPS的冗余连接。该电源的特点是电源转换效率高，性能价格比较高，并可实现多台备份运行，主要应用于总负荷在3kVA以下的场合。如电力系统微机监控、电力载波、电力通讯等场合。当然随着电力系统设备的日益精密，人们对电力系统电源也提出了更高的要求。上述不间断电源也存在以下缺点：交流旁路无稳压措施。若平常用交流供电，则随市电电压的变化，不间断输出会“水涨船高”。即使采用静态开关完成的电力中断（一般为4ms）。3、电力专用在线型UPS该UPS克服了上述两种UPS的不足。如图2所示，交流市电经过整流器整流后给逆变器供电。由于整流器输出端电压略高于直流屏的直流电压，在市电正常时，防反二极管DM处于反向截止状态，因此并不消耗直流屏的电力，也就不增加操作电源中整流器的负担。一旦市电中断，逆变器将直接由直流屏供电；同样万一直流屏断电，则直接由市电经过整流器、逆变器给负载供电，不会影响逆变器的正常供电。电力专用在线UPS的最大特点是在执行逆变器交流输入直流输入逆变器输出旁路开关不间断输出图4“市电”“逆变”供电切换，也存在一定“市电”“逆变”切换时无任何间断，不间断输出的各项指标也将有内部高性能逆变器给于保证。使用的电力专用在线UPS另外加有静态旁路开关，如图5所示。4在图2的基础上增设了静态开关，一旦逆变器出现过载或故障，静态开关将迅速切换到交流旁路上。交流旁路可以是交流市电，也可以是另一台UPS的输出。另外，还设置了维修旁路开关，即在UPS需要维修是可直接有维修旁路供电。电力专用在线UPS可广泛应用于用电设备对电源要求较高的场合。如电力系统远动、电力调度、事故记录、继电保护等场合。四、结论在电力系统中，无论是发电厂还是变电站，采用电力专用UPS比常规UPS有更多的优势，可避免需电池组的重复投资，提高供电可靠性，降低运行成本等。电力专用UPS是根据电力系统的特点“量体裁衣”，并有多种电路结构，甚至可带动如交流润滑油泵、风机、水泵、电磁线圈等各种感性负载。ii《电力专用不间断电源（UPS）的原理及应用》发表于2000年《电力自动化产品信息》第6期。维修旁路交流旁路交流市电静态开关直流220V(110V)防反二极管逆变器不间断输出图5