3.3 静态交流不停电电源装置(UPS)

3.3.1 产品概述
静态交流不停电电源装置是一种用于连续供电的、主要以电力变流器构成的静止型电源设备。它由可控砖整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池等组成。所谓不停电电源装置(Uninterruptible PowerSupply，简称UPS)，是指当城市电网突然停电时，仍能保证交流电源不间断地供电。
主要用途：UPS正常运行时，由城市电网交流电源经整流器变为直流，并通过充电器对蓄电池组进行浮充，同时经逆变器输出优质的交流电源对重要用电设备供电。当城市电网突然停电时，装置自动转换到蓄电池组，利用蓄电池组储能环节放电，经逆变器对重要用电设备供电。由于静态交流不停电电源装置与城市电网经过直流储能环节隔离，排除了市电瞬变干扰，并连续不间断地供给重要负荷用电，因而保证了重要设备安全可靠地、连续稳定地正常运行。
UPS采用绝缘栅双极晶体管技术(IGBT)；脉冲宽度调制技术(PWM)或矢量空间调制技术(SVM)；数字信号处理技术(DSP)以及控制电子电路板采用表面贴装技术(SMD)。使UPS整机增强了抗干扰能力，电路的集成度高，提高了可靠性；整机性能得到改善，效率很高。
3.3.2 产品分类与基本特点、功能
1 不停电电源装置按容量大小可分为：
小型不停电电源：1000VA及以下；中型不停电电源：2～15kVA；大型不停电电源：20kVA及以上。
小型不停电电源输入电压为交流单相220V，可用于微型计算机(一般单机功率为200～300W)和精密电子仪器配套使用的备用电源。
中型不停电电源，输入电压一般为交流单相220V，也有一些厂商生产的10～15kVA的不停电电源输入电压为三相380V，该系列产品广泛应用于计算机系统、航空管理系统、卫星系统、精密仪器、科研、医院、银行、保险等系统中。
大型不停电电源输入电压为三相220／380V，该系列产品为计算机系统、卫星通讯系统、网管控制系统、精密仪器仪表、高灵敏用电设备提供连续、稳定、可靠、干净的交流电源。
2 不停电电源按其工作方式可分为后备式、在线式和在线互动式
  1)后备式不停电电源是指在电网正常供电时，由电网直接向负荷供电，当电网供电中断时，蓄电池才对不停电电源的逆变器供电，并由不停电电源的逆变器向负荷提供交流电源，即不停电电源的逆变器总是处于对负荷提供后备供电状态。其特点：成本低、效率高，但输出电压和频率不稳定，转换中断。不适合高速通信及计算机应用。
  2)在线式不停电电源平时是由电网通过不停电电源的整流电路向逆变电路提供直流电源，并由逆变电路向负荷提供交流电源。一旦电网供，乜中断时，改由蓄电池经逆变电路向负荷提供交流电源。其优点：高质量电源输出；频率、电压稳定；零中断转换。缺点：成本高，效率相对降低。适用频率和电压不稳定的环境和高速通信及计算机应有。
  3)在线互动式不停电电源是指在电网正常供电，而且其电压和频率偏差在允许范围内，通过自动旁路开关由电网直接向负荷供电，当电网电压和频率不稳定，超过允许范围内时，则市电通过整流器逆变器向负荷供电。当电网电压、频率稳定在设定的范围内，UPS又经自动旁路开关由电网直接向负荷供电，当电压、频率超过允许范围，则市电又转回到通过整流器逆变器向负荷供电。
互动式UPS的优点：成本低，正常情况下效率高，输出电压稳定。
缺点：输出频率不稳定；存在转换时间(4ms)。
不适用场合：不适合发电机组供电和市电不稳定环境；不适合高速通信及计算机应用。
3 不停电电源按有无旁路，又可分为有旁路和无旁路两种型式。无旁路的方案实际上很少采用。
有旁路的有手动旁路和自动旁路之分。手动旁路开关在维修和测试UPS整流逆变主机时，连续以市电向用电设备供电之用。而自动旁路开关是互动式UPS的组成部分。
4 不停电电源按电池接线方式不同，又可分为蓄电池浮充式和开关切换式(也称分离式)。浮充式适用于小容量装置，开关切换适用于大容量装置。
5 不停电电源主接线方案根据供电的可靠性、连续性、稳定性和电源容量及其他参数质量要求，不停电电源系统可分为：单一式不停电电源系统；并联式不停电电源系统；冗余式不停电电源系统。
6 UPS主接线系统
不停电电源的主接线系统方案如下。

  1)单一式UPS系统
单一式UPS系统系指只有一台UPS的不停电电源系统。这种系统由整流器、逆变器、蓄电池和旁路开关等组成。设有交流静态开关切换旁路方式的单台UPS供电系统，一般适用于中小容量不停电电源系统。
  2)并联式UPS系统
该系统系指具有一台或多台逆变器的UPS和其他UPS工作单元的并联运行。要求两台或多台逆变器与市电旁路电源保持同步运行。正常运行时，两台逆变器同时向负荷供电，各供一半负荷。当一台逆变器故障时，经交流静态开关自动切除故障逆变器而不影响系统供电。此时另一台逆变器承担全部供电负荷。在需要时用电负荷也可经交流静态开关自动切换到市电旁路电源供电，但此时，供电主要技术指标将取决于市电、供电质量将有所下降。并联UPS系统的输出功率是一台逆变器的额定功率。
  3)冗余式UPS系统
冗余式UPS系统可分为备用冗余式UPS系统和并联冗余UPS系统。冗余式UPS系统配置UPS台数一般推荐选用2～6台为宜。
    ①备用冗余式UPS当运行中的UPS单元发生故障时，则立即经交流静态开关切换到备用UPS单元向负荷供电。同时切除发生故障的UPS单元。
    ②并联冗余式UPS系统：这种系统由若于个分担供电负荷的UPS单元。所有UPS的输出直接并联，共同向负荷供电。由于并联冗余多台UPS设备装设总容量超过负荷要求容量至少多一个UPS单元的容量，因而可以切断其中任一故障单元，来保证其余单元负荷供电的连续性，继续对全部负荷供电。这种系统可靠性高，利于UPS的使用寿命，配置灵活，即可增容，也可冗余，有利于提高后备时间，是技术发展的趋势。
3.3.3 产品选用要点
1 根据工程设计要求采用不同类型的不停电供电系统，单一式的UPS系统可靠性相对低些，其容量相对来说小些，如果需要高可靠、大容量的不停电电源，则可采用并联式UPS系统或冗余式UPS系统。
2 UPS的节能运行(ECO)模式
对电压和频率参数不敏感的负荷采用ECO方式Q—市电正常时，负荷由旁路交流电源通过自动旁路供电。如果电源故障或质量超出允许范围，负荷自动转变为逆变器供电，而不会中断。如果电源恢复到容限范围内，负荷又不间断地转回到旁路交流电源。
UPS的ECO模式依靠智能能源管理系统跟踪市电质量，实现逆变器回路和自动旁路的程序化动作，减少整流器和逆变器电能转换损耗，达到节能的目的。
3 并联式UPS的顺序软起动
多台并联的UPS利用智能能源管理功能，按事先设定的程序，对其实行顺序软起动，达到整流器启动延时并按顺序进行，它的优势是：避免发电机组容量加大；降低对市电的冲击；避免干扰其他负荷；避免进线电缆过热。
4 蓄电池的选择和智能化电池监控系统
  1)蓄电池的选择：蓄电池容量应根据市电停电后由其维持供电时间长短的要求选定。
UPS系统用的蓄电池需在常温下能瞬时起动，宜选用免维护密封酸性蓄电池，有条件时应选用碱性燃料电池。
  2)蓄电池的额定放电时间宜按下列条件确定：
    ①UPS系统在交流输入发生故障时后，为保证用电设备按照操作顺序进行停机时，其蓄电池的额定放电时间可按停电所需最长时间来确定，一般可取8～15min。
    ②当有备用电源时，UPS系统在交流输入发生故障后，为保证用电设备供电连续性，并等待备用电源投入，其蓄电池额定放电时间的确定，一般可取10～30min。
    ③UPS系统供电的用电设备负荷特性不同，同样容量的UPS其电池的后备时间也不同，通常可根据负荷特性来确定蓄电池的额定放电时间。
  3)智能化电池监控系统
大中型UPS系统都配置了智能化电池监控系统，不同厂家配置的功能稍有不同，选用时用户要进行确认。保证UPS系统最大限度地连续运行；预防电池损坏；延长电池寿命。
先进的电池监控系统应有下列功能：
    ①根据电池老化、温度和充电水平计算真实的可用后备时间；
    ②评估电池的使用寿命；
    ③防止电池过度放电的保护，根据自动计算出的放电曲线，自动断开电池电路断路器，防止深度放电；
    ④根据环境温度调整浮充电压，以延长电池使用寿命；
    ⑤限制电池电流；无负荷关机；
    ⑥自动电池检测：按可编程的时间间隔做电池自动放电检测。电池状态，预防性检测电池的内部故障。电池电路的连接情况；
    ⑦逐渐增强的蜂鸣器报警．提示后备时间终了；
    ⑧电池温度监测用于：根据电池间的温度调整充电电压。如果设置的允许温度超出正常范围，向操作人员报警。
5 UPS系统的谐波治理
变流装置的输出、输入电源回路中含有多次谐波成份，抑制谐波是UPS系统设计要解决的一个重要课题。UPS系统抑制谐波有多种方案，首先要求整流逆变器少产生谐波，如采用12脉冲整流器，其次是输入、输出回路中设置隔离变压器或滤波器。
  1)谐波滤波器的种类谐波滤波器有以下几种：
    ①电感线圈和电容器组成的无源滤波器；
    ②有源滤波器；
    ③非补偿型滤波器(滤除某一次或固定的某几次谐波)；
    ④补偿型滤波器；
    ⑤动态接点滤波器；
    ⑥正弦波有源谐波调节器。
正弦波有源谐波调节器其原理同有源滤波器，但适用于任何谐波频谱，并且不限于整流器类型的负荷。
UPS系统是否需要装置隔离变压器，配置什么样的滤波器，用户根据用电负荷的要求，与供应商共同商讨确定。
  2)全面谐波治理
全面谐波治理(THM)有源滤波器，它实时计算和补偿谐波。用正弦波有源谐波调节器技术，把THM有源滤波器内置在UPS上，可显著减少谐波电流再注入配电系统中，避免对负荷的干扰，它还意味着增加UPS上线的功率因数。THM滤波器安装在整流器的上线，采用数字信号处理技术(DSP)实时地补偿由整流器产生的谐波，使电网上线电流保持为理想的正弦波。
6 UPS的遥控和通信功能
大中型UPS系统一般均能提供多种灵活的遥控和通信方案供选择，大大方便了用户的操作、管理和维修。实现供应商为用户提供远程服务；沟通用户与供应商间的信息，大中型UPS可配置如下遥控和通信模块供用户选择：
    ①装置本身带有液晶屏幕显示，显示UPS运行状况，事故报警，在线记录UPS运行时的各种数据。
    ②遥控板，带液晶和发光二极管显示的手持遥控器，用通信接口连接，能对多台UPS实施遥测、遥信和遥控。
    ③自动回叫服务板，在非正常情况下，自动拨号模块能向指定的服务中心拨号寻求帮助。
    ④智能功率模块与UPS通信的智能模块，用于监视、管理和记录UPS输出功率和负荷情况。
    ⑤PC机用监控软件，安装在PC机上，通过通信接口，监控1～99台UPS，还可通过互联网发送电子邮件。
    ⑥电池组监视模块，连续监视每台电池的智能模块，能在电池组中任何一只电池严重损坏前告警。
7 UPS工作条件
UPS适用工作条件，不同厂家供应的不同类型的UPS的工作条件有些差异，具体看UPS制造商的UPS产品技术规格说明书。以下是UPS的一般工作条件，供设计选用者参考：
    ①海拔高度1000m及以下(有些产品可工作在海拔2000m或3000m以下)；
    ②室内环境温度0～+40℃；
    ③室内相对湿度不大于90％(不允许结露)；
    ④无剧烈震动、冲击和垂直倾斜度不超过5度的场所；
    ⑤无易燃导电尘埃、无腐蚀性气体和爆炸危险的场所；
    ⑥蓄电池室的环境温度20～25℃。
8 工程设计相关规范、规程及国家建筑标准设计图集
《民用建筑电气设计规范》JGJ 16—2008。
《通信电源集中监控系统工程设计规范》YD／T 5027—2005。
《邮电通信电源设备安装设计规范》YDJ 1—1989。
《通信电源设备安装工程设计规范》YD／T 5040—2005。
《常用低压配电设备及灯具安装》D 702—1～3(2004年合订本)。
《备用电源》D 202—1～2(2002年合订本)。
3.3.4 施工安装要点
1 施工安装要点
施工做法可参见国家建筑标准设计图集。
2 施工安装验收规范
《通信电源设备安装工程施工监理暂行规定》YD 5126—2005。
《通信用电源设备抗地震性能检测规范》YD 5096—2005。
《通信电源设备安装工程验收规范》YD 5079—2005。
《通信电源集中监控系统工程验收规范》YD／T 5058—2005。
《通信电源设备安装工程施工及验收技术规范》YDJ 31—1983。
《建筑电气工程施工质量验收规范》GB 50303。
3.3.5 相关标准
《不间断电源设备(UPS)第2部分：电磁兼容性(EMC)要求》GB 7260．2—2003。
《不间断电源设备(UPS)第3部分：确定性能的方法和试验要求》GB／T 7260．3—2003。
《信息技术设备用不间断电源通用技术条件》GB／T14715—1993。
《低压直流电源设备的性能特性》GB 17478—2004。
《电磁兼容试验和测量技术直流电源输入端口纹波抗扰度试验》GB／T17626．17—2005。
《电磁兼容环境工业设备电源低频传导骚扰发射水平的评估》GB／Z 18039．2—2000。
《电磁兼容环境电磁环境分类》GB／Z 18039．1—2000。
《电力变压器、电源、电抗器和类似产品的安全第1部分：通用要求和试验》GB 19212．1—2008。
《普通电源或整流电源供电直流电机的特殊试验方法》GB／T 20114—2006。
《电力变压器、电源装置、电抗器和类似产品电磁兼容(EMC)要求》GB／T21419—2008。
《逆变应急电源》GB／T 21225—2007。
《单路输出式交流-直流和交流-交流外部电源能效限定值及节能评价值》GB 20943—2007。