1 UPS電源設備的發(fā)展

 不間斷電源(Uninterruptible Power System簡稱UPS)從60年代的動態(tài)UPS到今天的靜態(tài)UPS已走過了30多年的路程。60年代的UPS是采用柴油機—電動機—發(fā)電機組來實現電能的轉換，平時由市電驅動電動機，再由電動機帶動發(fā)電機向負載供電。當市電停電時，控制電路切斷市電線路和電動機，利用飛輪的慣性，使發(fā)電機組繼續(xù)供電，同時立即啟動柴油機，當柴油機的轉速與發(fā)電機轉速相同時，柴油機離合器與發(fā)電機聯上，完成由市電到柴油發(fā)電機的切換，這種不間斷電源稱為旋轉型不間斷電源，也叫動態(tài)不間斷電源或動態(tài)UPS。

隨著半導體技術的發(fā)展，1960年以后，采用了大功率逆變技術和強電流電子開關來實現大功率的電能轉換。這種電能轉換電路，不論是主電路還是其他控制電路，均采用半導體固體器件，故稱固態(tài)不停電電源或靜止型不停電電源，簡稱靜態(tài)UPS。

靜態(tài)UPS的歷史雖然不長，但發(fā)展速度很快，近兩年的UPS比80年代初期的UPS有了很大發(fā)展。在功率結構方面，進入90年代，IGBT技術已成為近幾年UPS的發(fā)展趨勢。在控制技術方面，80年代的UPS主要是采用模擬控制，它是利用有限的微處理器技術，輔助于模擬量的反饋回路，以其采樣值與設定的參數值比較而生成一個誤差信號，并去周期性修正驅動回路，以求得穩(wěn)定之輸出，這就是最初級的最簡單的PWM技術之功能。進入90年代，數字控制技術取代模擬控制技術，即采用軟件編程方式。這種控制方式使元器件更精少，硬件線路更簡化，可靠性更高，瞬態(tài)反應能力更強。而IGBT應用于大容量UPS后，使整體系統的效率更高(逆變器效率可達98％～99％)，開關速度更快，輸出波形更好，諧波更小(小于1％～2％)，噪音降低，控制回路更簡單。

靜態(tài)UPS的基本框圖如圖1所示。

圖1 靜態(tài)在線式UPS結構框圖

隨著開關器件水平的提高和計算機技術的發(fā)展，UPS正在向智能化的方向發(fā)展，也就是借助于計算機技術，充分利用硬件和軟件的各自特點，使UPS智能化。智能化的UPS不僅能夠完成普通UPS所能完成的全部工作，還能對運行中的UPS進行監(jiān)測，隨時將采樣點的狀態(tài)信息送人計算機進行處理，一方面獲取UPS運行的有關參數，另一方面監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，從中分析電路的工作是否正常。當UPS發(fā)生故障時，根據監(jiān)測結果，進行故障診斷，指出故障的部位，給出處理方法，自動顯示監(jiān)測參數，自動記錄有關異常或故障的信息。智能化的UPS除完成正常的控制工作外，還能在UPS發(fā)生故障時，采取必要的應急控制動作。智能化的UPS除能按照產品指標自動定期地進行自檢并形成自檢記錄外，還能用程序控制UPS的啟動或停止?？梢噪S時向計算機輸入信息或從計算機獲取信息。

近10年間，UPS發(fā)展速度很快，應用領域也在迅速擴展，已經成為“計算機的生命線”，“是電腦及其它先進儀器不可缺少的電源保護天使”。

2 UPS在煉油廠的應用過程

我們在齊魯石化煉油廠應用UPS是從三機、重整等裝置的三端口UPS開始的。1989年安裝的意大利siel公司的三端口UPS，其核心部分是有一個雙向變換器(既逆變又整流)。這種UPS主要由市電、整流／逆變器、蓄電池組、三端口變壓器構成，其框圖如圖2所示。

圖2 三端口UPS結構框圖

三端口UPS具有市電輸入端口、整流／逆變器輸入端口、輸出端口，俗稱三端口。三端口UPS與在線式UPS的工作方式有很大不同。首先是它的整流／逆變器處于同一電路，整流／逆變器既有市電輸入，又有逆變輸出，同時又給電池充電。從圖1可以看出，在線式UPS要經過二次變換，即交流→直流→交流→負載。而三端口UPS經過一次變換就供給了負載。其次，三端口UPS所使用的變壓器，不是一般的穩(wěn)壓變壓器，而是一個鐵磁諧振變壓器，這樣，當初級電壓變化時，次級電壓基本維持不變；逆變器在市電正常情況下也工作，沒有切換時間，并在控制電路的作用下，調整逆變器輸出電壓的幅度與相位，保證逆變器輸出電壓的穩(wěn)定；在市電不正?；虬l(fā)生故障時，系統由蓄電池作為輸入電源繼續(xù)向負載供電，保證負載不間斷地穩(wěn)定工作。三端口UPS逆變器的輸出電壓頻率不夠穩(wěn)定，帶非線性負載的能力也比較差，但成本較低。從1996年開始，煉油廠采用了具有先進電子技術的在線式UPS，如：法國梅蘭日蘭、德國Siemens、意大利best等30套。在線式UPS的含義是：即使在電網電壓正常供電時，UPS的輸出也是將外來電壓經過本身的加工轉換后再供給負載。也就是說，即使是在電網電壓正常時，市電也是經過變壓器→整流濾波→逆變器→開關S3(S3閉合，S2斷開，見圖1)→輸出。這種UPS將市電隔離。在市電正常時，過濾市電，供給負載純凈的電源。在市電不正?；虬l(fā)生故障時，UPS以蓄電池組為輸入電源繼續(xù)向負載供電，保證負載連續(xù)不斷地穩(wěn)定工作。所以，負載即使是實時控制信號，也不會因市電中斷而出現丟失或差錯。它之所以具有這樣的性能，其根本原因是：它有一個或多個儲能環(huán)節(jié)和能量的變換裝置，將市電隔離過濾后再供給負載純凈的電源。一旦市電異常，依靠這些儲能和能量變換裝置，繼續(xù)向負載提供高質量的電源，以實現不間斷供電的要求。

UPS推廣應用如此之快，使電腦及其敏感的先進設備有了純凈電源的支持，提高了儀表電源的質量，保證了電源的穩(wěn)定、不間斷、無干擾。

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3 UPS應用新思路

在UPS設備更新換代、電子技術突飛猛進的同時，對UPS的應用目的也在發(fā)生變化，這是隨著供電質量的提高悄悄進行的。由于當時的電網技術不成熟，停電事故經常發(fā)生，最初的UPS主要是作為后備電源，通過增大蓄電池容量的方法，延長UPS后備時間達1～2h。從1994年開始，供電質量有了明顯提高，大面積的全停電事故基本杜絕。這時，UPS的主要任務是克服電源電壓波動及凈化儀表電源，其后備時間規(guī)定為15min(滿負載狀況下維持后備時間15min，一般地，UPS的負荷率在30％左右，后備時間還要長些)。這樣，對UPS的要求更高，不僅要達到后備電源的基本作用，還要在穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、去除諧波、抗干擾等方面發(fā)揮積極作用。

4 提高UPS供電可靠性的措施

目前，UPS設備質量已經達到令人滿意的程度，因UPS本身質量原因導致的停電事故越來越少?，F在的主要課題就是搞好UPS的外圍配置和及時發(fā)現設備異常。在這方面，電氣分廠做了一些有益的嘗試，取得了比較理想的結果。

齊魯石化煉油廠的裝置都是雙回路供電，單獨某一回路的異常不會引起裝置大的波動。由于UPS是有后備時間的，特別在UPS后備時間減少的情況下，必須保證UPS有比較可靠的輸入電源。因此，我們將UPS的輸入電源改為雙電源互投方式，電源的切換是自動完成的，保證把正常的一路電源送給UPS。充分利用UPS先進的自檢、報警及通訊功能，把報警信號輸人操作室DCS，任何異常情況都可以及時發(fā)現，在事故擴大之前就可以采取相應措施。

“蓄電池是UPS的心臟”。據統計：由于蓄電池故障引起UPS不能正常工作的比例幾乎超過70％。在正常情況下，蓄電池處在浮充狀態(tài)，UPS檢測直流環(huán)節(jié)的電壓，并與負荷電流比較，計算出實際的后備時間。但蓄電池電壓與直流環(huán)節(jié)并聯在一起，直流電壓正常并不表示蓄電池完好，比如，蓄電池開路或某一節(jié)蓄電池內阻增大等故障現象，依靠UPS內部軟件就不能判斷。針對這種情況，我們在聯合裝置UPS上安裝了“蓄電池內阻檢測儀”，實時檢測蓄電池內阻，因為電池容量不足或質量變壞，最可靠的檢測辦法就是檢查其內阻值的大小。如2001年4月三機UPS在電網出現瞬間停電時，就是因為其電池組中有一節(jié)電池出現問題，沒能實現瞬間為逆變器供電，導致主風機及煙機和汽輪機停機。事后檢查該節(jié)電池嚴重虧容，內阻很大，對于電池組而言相當于開路。內阻檢測儀設定為每天檢測一遍所有電池的內阻，同時還針對所用電池的規(guī)格型號設定了內阻范圍，如出現電池內阻增大，超過設定的范圍則會發(fā)出報警信息；不僅如此，檢測儀還可以檢查電池的其它運行參數，如浮充電流、電壓、放電電流、單節(jié)電池電壓等，可以幫助我們很好的了解運行電池組的狀態(tài)，其效果比較理想。如2002年2月，檢測儀檢測出聯合裝置1號UPS的電池組中的5號電池內阻超標，當時測量值為22MΩ，而其它電池的內阻在17MΩ左右，于是我們便開始注意此節(jié)電池的運行情況，結果發(fā)現此電池的內阻不斷變大，最后達到25MΩ，于是我們將其進行了更換。通過放電試驗發(fā)現其容量確實不足。另外，我們每季度還用便攜式儀器復試數據，通過前后數據比較，確定UPS是否正常。

對于特別重要的裝置采用雙機并聯方式，當一臺UPS故障時，另一臺可以繼續(xù)擔負全部負載的供電，以實現更高一級的不間斷供電要求。

5 待進一步完善的措施

不間斷并不意味著UPS沒有故障或絕對的不間斷供電，但它可以將重要負載因供電中斷造成的停機率下降到設備所能允許的程度。在目前情況下，已能使平均無故障時間達到數萬小時，甚至5a以上。

為了達到不間斷供電的目的，還可以從設備裝置上采取措施。如圖3，聯合裝置UPS是雙機并聯，DCS所用24 V直流電源也是多電源互備方式，這兩個環(huán)節(jié)的供電都是非?？煽康?，但兩部分的結合點處卻是單回路，是一瓶頸點，故障機率比較大，影響裝置正常生產。

圖 3 現在運行電路

如果改為圖4所示的供電方式，整個供電途徑都是雙回路，很明顯，供電可靠性大大提高。

圖4 修改后的電路

另外，上海石化、金陵石化等公司采取的“UPS風險承擔”模式也是一種提高安全供電的措施。其實質就是減少單臺UPS的供電范圍，用多臺UPS分別承擔供電任務，在故障機率相等的情況下，某一臺UPS故障所導致的停電范圍減小，不致引起整個裝置全部癱瘓。

參考文獻

（1） 王其英.不間斷電源UPS剖析與應用 北京：科學出版社

（2） 郁百超.不間斷電源領域的新突破第十四屆全國電源技術年會論文集