【文章內(nèi)容簡介】 式 UPS。這一功率段的 UPS 由于技術門檻比較低，市場競爭激烈，國際知名品牌中除了 APC、 SANTAK 作為主要廠家外，其它廠家是很多國內(nèi)中小 UPS 廠家。從國內(nèi)和國際市場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，這部分產(chǎn)品的市場銷售額比例一直存在小幅下降的趨勢。 3KVA≤功率 (P)10KVA 產(chǎn)品：這一功率段的 UPS 主要是在線式產(chǎn)品，以及少量的 3KVA 后備式、互動 式產(chǎn)品，涉及的技術相對復雜些，產(chǎn)品的質(zhì)量控制 7 有一定的難度，除了國外品牌產(chǎn)品外，國內(nèi)的中大規(guī)模的 UPS 廠家有這一功率段的產(chǎn)品。從國內(nèi)和國際市場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，這部分產(chǎn)品的市場銷售額比例相對穩(wěn)定。 10KVA≤功率 (P)50KVA 產(chǎn)品：這一功率段的 UPS 是在線式產(chǎn)品，涉及的技術比較復雜，產(chǎn)品的質(zhì)量控制有相當?shù)碾y度，除了國外品牌產(chǎn)品外，國內(nèi)中等以上規(guī)模的 UPS 廠家才有這一功率段的產(chǎn)品。從國內(nèi)和國際市場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，這部分產(chǎn)品的市場銷售額比例相對穩(wěn)定，略有上升。 功率 (P)P≥50KVA 產(chǎn)品：這一功率段的 UPS 是在 線式產(chǎn)品，涉及的技術相當復雜，產(chǎn)品的質(zhì)量控制需要較高的水平和綜合實力，除了國外品牌產(chǎn)品外，國內(nèi)只有極個別的上規(guī)模 UPS 廠家才有這一功率段的產(chǎn)品。從國內(nèi)和國際市場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，這部分產(chǎn)品的市場銷售額比例穩(wěn)步上升。 按照 UPS 應用領域分類： UPS 電源系統(tǒng)按其應用領域可分為：信息設備用 UPS 電源系統(tǒng)設備和工業(yè)動力用 UPS 電源系統(tǒng)設備二個大類別。 第一類信息設備用 UPS 電源系統(tǒng)設備，主要應用于：信息產(chǎn)業(yè)、 IT 行業(yè)、交通、金融行業(yè)、航空航天工業(yè)等計算機信息系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中心等的安全保護問題。 UPS 電源作為 計算機信息系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中心等的重要外設，在保護計算機數(shù)據(jù)、保證電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，改進電網(wǎng)質(zhì)量，防止瞬時停電和事故停電對用戶造成的危害等是非常重要的 第二類工業(yè)動力用 UPS 電源系統(tǒng)設備，主要應用于：工業(yè)動力設備行業(yè)電力、鋼鐵、有色金屬、煤炭、石油化工、建筑、醫(yī)藥、汽車、食品、軍事等領域，作為所有電力自動化工業(yè)系統(tǒng)設備、遠方執(zhí)行系統(tǒng)設備、高壓斷路器的分合閘、繼電保護、自動裝置、信號裝置等的交、直流不間斷電源設備，保證工業(yè)自動化動力供給的可靠性。工業(yè)動力用不間斷電源是不間斷電源產(chǎn)品中的高端產(chǎn)品，涉及大功率 (可能達到兆瓦級 )能量變換的電力電子技術、數(shù)字化控制技術、交流電源并聯(lián)冗余技術、有源諧波抑制技術、大功率產(chǎn)品制造技術等，顯然，一般的電源企業(yè)無法進入該領域，只有已經(jīng)擁有大功率電力電子技術和系列產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、服務能力，并積累相應工業(yè)應用經(jīng)驗的企業(yè)，才能做好工業(yè)動力不間斷電源系統(tǒng)的設計、生產(chǎn)、市場服務。 8 國內(nèi)外供電電網(wǎng)現(xiàn)狀 表 11 國內(nèi)外供電情況對比 配電網(wǎng)運行、管理 國內(nèi)現(xiàn)狀 國際先進水平 供電可靠率（ PS1） 用戶平均年停電時間 99..897%(1999 年 )，電力 部要求% 東京 20min,法國 94min,美國58min,荷蘭 10min,香港、新加波 20min 配電線路 架空線為主，少量電纜（北京、上海、廣州稍多）存在大量低壓配電線路 城市主要用電纜，低壓線路短，或局部在建筑內(nèi) 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 簡單輻射式，少數(shù)雙回線，缺少規(guī)劃 主干線，自動化環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)（ N1），網(wǎng)絡式結(jié)構(gòu)（ N2） 配電設備 少油，真空，少量 SF6定期維護、檢測 完成“無油化”改造，全部為真空或 SF6免維護，極少檢修 自動化程度 手動，自動兼有，手動操作為主 自動，運行，可 實現(xiàn)自動故障識別，隔離，網(wǎng)絡重構(gòu) 故障停電時間 幾個小時 1min 維護與管理 維護計劃 AM/FM/GIS 技術 線路損耗 8..6% 5%~6% 由上表中可以看出我國很難保證用電端的供電質(zhì)量，研究一種高可用的 UPS供電系統(tǒng)是我國當前以及今后的方向之一 。 UPS 系統(tǒng) 技術指標 輸入指標 B 電壓范圍 C 頻率 D 輸入方式 E 功率因數(shù) 輸出指標 B 電壓失真度 C 頻率 D 過載能力 9 E 功率因數(shù) F 峰值因數(shù) G 整機 效率 電池指標 B 內(nèi)置電池節(jié)數(shù) C 額定電壓 D 備用時間 E 充電時間 其他指標 B 電磁兼容滿足 C 電涌保護 D 抗擾性保護 E 系統(tǒng) F 噪音（ 1M） 系統(tǒng) 特點 對于一套高質(zhì)量 UPS 供電系統(tǒng)來說，它應具有如下特性 : (l)高可靠性 系統(tǒng)應具有能提供 365 24 連續(xù)提供高質(zhì)量的 UPS 逆變電源的供電能力。這就意味著，在 UPS 供電系統(tǒng)的運行中，既不允許出現(xiàn)任何瞬間供電中斷 /停電事故，也不允許出現(xiàn)由普通的市電經(jīng)交流 旁路直接向用戶負載供電的情況。為此，要求 UPS 供電系統(tǒng)應滿足如下要求 : 由于 UPS 單機本身的故障率低，因此目前大型 UPS 產(chǎn)品的平均無故障工作時間 (MTBF)為 20 萬～ 40 萬小時。 采用具有高度容錯功能的“ N+1”型 UPS 冗余并機系統(tǒng)來進一步提高 UPS 供電系統(tǒng)的可靠性 (“ 1+l”型冗余并機系統(tǒng)的典型 MTBF 值可達 140 萬～ 200 萬小時 )。 在整套 UPS 供電系統(tǒng)中，不應存在單點瓶頸故障隱患。 允許在 UPS 逆變電源連續(xù)供電的條件下，執(zhí)行不停電的維護和檢修操作。 萬一在用戶設備端出現(xiàn)短路故障時，應將故障的影響縮小 到盡可能小的范圍。 (2)高抗干擾性 10 UPS 供電系統(tǒng)能使設備獲得高“可利用率”，并可為其創(chuàng)造優(yōu)良的運行環(huán)境。 大量的運行實踐表明 :電源干擾問題是造成設備的“可利用率”下降的重要原因之一。在此需說明的是 :電源干擾不僅來源于普通的市電電網(wǎng)，它還來源于設計不完善的 UPS 本身及用戶的設備本身。這是因為配置在 IDC 和 MDC 機房內(nèi)的服務器、磁盤陣列機和交換機等均內(nèi)置有開關電源，這種整流濾波型非線性負載會向 UPS 供電系統(tǒng)反射 3～ 23 次低次諧波干擾，可能帶來降低話音質(zhì)量的惡果。實踐證明，過大和過頻地出現(xiàn)電源干擾，輕者會導致 的傳輸速率下降，網(wǎng)絡服務器的數(shù)據(jù)丟包率增大等隱性故障，從而導致設備被迫進入“降額使用”狀態(tài)，嚴重時會導致網(wǎng)絡癱瘓。 由此可見，高速信息網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，對 UPS 供電系統(tǒng)所能提供的電源質(zhì)量提出更為嚴格的要求。 11 第 2 章 系統(tǒng)背景知識及理論基礎 UPS 系統(tǒng)應世界科技發(fā)展局勢要求，特別是信息技術的高速發(fā)展，迫切需要保證電能質(zhì)量，在電能發(fā)生不穩(wěn)定或者中斷時，能及時保障用戶的利益。而就在飛速發(fā)展的半導體產(chǎn)品和電子技術的基礎上，應生了 UPS 這一貼近生活，應用廣泛的科技產(chǎn)品。 電網(wǎng)中斷及不穩(wěn)定情況 隨 著我國經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展，社會對電力資源的需求日益增長，用戶對電力系統(tǒng)的要求也越來越高。供電的可靠性和穩(wěn)定性已經(jīng)成為保障經(jīng)濟增長和滿足用戶需求的重要問題。 我國作為裝機容量和年發(fā)電量均居世界第二位的電力大國，由于國土遼闊、動力資源與用電中心相距遙遠、城鄉(xiāng)家用電器設備的大量普及，對用戶端電力電壓的穩(wěn)定性提出了更高的要求。保障供電的穩(wěn)定性也是改善內(nèi)外部投資環(huán)境、滿足人民日益增長的生活水平以及提升綜合國力的重要體現(xiàn)。 我國最早的電廠由英商旗昌洋行于 1882 年開辦的，最初為粵恒電燈公司，被官商合股收購。我國市電起初 主要在殖民地使用，大部分為日本的殖民地，其中東北的電網(wǎng)最大，約占全國的 50%。在不同地區(qū)， 110V 和 220V 市電都有使用的經(jīng)歷。至解放前，我國還是多種電壓和頻率并存，主要是與發(fā)電設備的生產(chǎn)國制式有關。新中國成立后，統(tǒng)一了全國的電網(wǎng)電壓標準為 220V 50Hz。一方面是由于我國沿襲前蘇聯(lián)的制式 。另一方面，因為我國國土幅員遼闊，供電半徑要比美洲國家大，出于降低能耗，減少農(nóng)村、山區(qū)用電成本的目的，我國采用的是比美洲發(fā)達國家更高的市電電壓制度。 220V 電壓與 110V 電壓相比的優(yōu)點：第一，傳輸耗電小，減少了能量損耗第 二，傳輸相同電量，在損耗相同的情況下，使用的導線橫截面積要小一倍，節(jié)約了大量的金屬資源第三，相對減少了變壓器的工作負荷，使變電這一關鍵而又脆弱的節(jié)點有了更多的安全保障第四，對偷盜電力設備的行為客觀上產(chǎn)生了遏制。 圖 21 UPS 簡化結(jié)構(gòu) 供電間斷 原因 1）交流輸入電源突然發(fā)生停電。造成這種突然停電的原因較多， 12 供電線路檢修計劃停電 電力設備在運行一定周期后，需停電進行檢修維護。 供電線路突發(fā)性故障停電 電從發(fā)電廠經(jīng)過輸電線路，變配電站一直到用戶家 中的許多環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)出了故障，遭到外力破壞，或遇到不可抗拒的自然災害，都會造成停電事故。如果突然出現(xiàn)大面積的停電，很可能是由于線路突發(fā)故障導致停電， 欠費停電 如客戶未在規(guī)定繳費期內(nèi)及時交費，有關部門會根據(jù)相關依據(jù)對其采取停電的措施 低壓故障停電 有人私自增加電器設備，超容量使用引起變壓器、開關、電度表等電器元件燒壞。總閘、分閘等內(nèi)部設備故障，樓內(nèi)線斷線、空氣開關跳閘等都會造成停電。 2）交流輸入電源發(fā)生瞬間停電。 3）電源裝置發(fā)生故障而中斷供電 電網(wǎng)諧波 危害 諧波的產(chǎn)生 諧波產(chǎn)生的根本 原因是由于非線性負載所致 .當電流流經(jīng)負載時 ,與所加的電壓不呈線性關系 ,就形成非正弦電流 ,從而產(chǎn)生諧波 .諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù) ,根據(jù)法國數(shù)學家傅立葉分析原理證明 ,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量 .諧波是正弦波 ,每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角 .諧波可以區(qū)分為偶次諧波與奇次諧波 ,第 7次編號的為奇次諧波 ,而 8 等為偶次諧波 ,如基波為 50Hz 時 ,2 次諧波為 100Hz,3 次諧波則是 ,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大 .在平衡的三 相系統(tǒng)中 ,由于對稱關系 ,偶次諧波已經(jīng)被消除了 ,只有奇次諧波存在 .對于三相整流負載 ,出現(xiàn)的諧波電流是 6n 次諧波 ,例如 1 1 119 等 ,變頻器主要產(chǎn)生 7 次諧波 . 從結(jié)構(gòu)上來看 ,變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分 .間接變頻器將工頻電流通過整流器變成直流 ,然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流 .而直接變頻器是將工頻電流直接變換成可控頻率的交流 ,沒有中間的直流環(huán)節(jié) .它的每相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆電路 .正反兩組按一定周期相互切換 ,在負荷上就獲得了交變輸出的電壓 U0,U0 的幅值決定 于各整流裝置的控制角 ,頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率 .目前應用較多的還是間接變頻器 . 間接變頻器有三種不同的結(jié)構(gòu)方式 : (1)用可控整流器變壓 ,用逆變器變頻 ,調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個環(huán)節(jié)上進行 ,兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合 。 13 (2)用不 可 控整流器整流斬波器變壓 ,用逆變器變頻 ,這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器 ,用脈寬調(diào)壓 : (3)用不 可 控整流器整流 ,用 PWM 逆變器變頻 ,這種變頻器只有采用可控關斷式器件 (如 IGBT 等 ),輸出波形才會非常逼近正弦波。 無論哪一種變頻器 ,都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件 ,不管采 用哪種整流方式 ,變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波 ,而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流 ,這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上 ,使電壓發(fā)生畸變 ,經(jīng)過傅里葉級數(shù)分析可知 ,這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成 . 諧波的危害 一般來講 ,變頻器對容量相對較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯 ,而對容量小的系統(tǒng) ,諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視 ,它對公用電網(wǎng)是一種污染 .諧波污染對電力系統(tǒng)的危害是嚴重的 ,主要表現(xiàn)在 : (1)諧波對供電線路產(chǎn)生了附加損耗 .由于集膚效應 和鄰近效應 ,使線路電阻隨頻率增加而提高 ,造成電能的浪費 。由于中性線正常時流過電流很小 ,故其導線較細 ,當大量的三次諧波流過中性線時 ,會使導線過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞 。 (2)諧波影響各種電氣設備的正常工作 .對如發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機械振動和噪聲 。對斷路器 ,當電流波形過零點時 ,由于諧波的存在可能造成高的 di/dt,這將使開斷困難 ,并且延長故障電流的切除時間 。 (3)諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振 .工頻下 ,系統(tǒng)裝設的各種用途的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多 ,不會產(chǎn)生諧振 ,但諧波頻率時 ,感抗 值成倍增加而容抗值成倍減少 ,這就有可能出現(xiàn)諧振 ,諧振將放大諧波電流 ,導致電容器等設備被燒毀 。 (4)諧波引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振 ,從而使諧波放大 ,這就使上述危害大大增加 ,甚至引起嚴重的責任事故 。 (5)諧波將使得繼電保護和自動裝置出現(xiàn)誤動作 ,并使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差 。諧波對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大 :如對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾 ,輕者出現(xiàn)噪聲 ,降