UPS電源在高速公路供電系統中的應用

賴偉勇

（廣州北環高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

一、高速公路用UPS傳統方案

高速公路有很多都是地處偏遠的地帶,不得不采用農用電源,那里的供電條件不好,比如電壓波動幅度大、經常停電;環境條件不好,比如山洞內濕度大,冬夏溫差大,特別是雷雨季節干擾大;技術力量薄弱,維修能力差等等。所以就對UPS提出了嚴格的要求,比如要求UPS能耐惡劣環境,具有無人值守的能力。除此之外,為了提高供電系統的可靠性,在UPS前面增加了一級參數穩壓器。采用何種穩壓器,根據目前國內的穩壓器產品現狀有如下考慮:

1.自動穩壓器

這種穩壓器結構簡單,價格低廉,但可靠性差。因為它是靠碳刷的移動 (滑動或滾動)來穩壓,控制電路根據輸出設定的情況,來控制M點上下移動,以使輸出電壓符合負載的要求。但這種電路的缺點是可靠性低和動態相應速度慢,不隔離干擾。碳刷在不同的移動中會慢慢變薄直至損壞,在濕度很大的情況下壽命縮短會更快。由于是機械運動,所以動態相應慢,這將會導致瞬間電壓突升與突降,損壞后面的設備。比如當輸入電壓下降15%,即220V下降到187V時,為了保證輸出仍為220V,M就必須上滑至N點,這時的變比為220∶187=1.18,這時如果有一個大型的感性負載突然下載,造成市電電壓突然產生一個300V的浪涌,由于M點的機械惰性而來不及移動,在輸出端就會出現一個354V的高電壓,輕則使UPS電池放電,重則燒毀UPS輸入電路。反之,如果有一個大型的感性負載突然加載,也將會出現一個100V的凹陷,也會導致UPS的電池放電,加速了電池的失效。

2.凈化電源交流穩壓器

這種交流穩壓器的出現主要是代替原來的電磁補償式614型穩壓器。這種穩壓器的原理是根據雙向可控硅導通角度的不同而形成不同的等效電感量,使輸出對輸入的變化進行補償而進行穩壓的。這種電源的穩定度較高,可達到0.1%;效率也較高,可達97%;輸出電壓波形失真度較小,可達到0.2%。這種穩壓器的可靠性很高,有隔離干擾的能力。可以看出,主電路中沒有功率管,都是電感和電容等元器件,唯一的一只半導體器件還是可靠性很高的雙向可控硅。但這種電路的缺點是調解范圍窄,一般只適應額定電網電壓的±10%,功率不容易做大,這顯然無法滿足高速公路的要求,一般不在考慮范圍內。

3.NPS型智能穩壓電源

這是一項新技術,是在總結了上述幾種穩壓器的優缺點和吸收了Delta變換技術的經驗后而研制出的專利產品。這種電路既采用了當前成熟的PWM技術,又結合了UPS的Delta變換技術。這種電源解決了上面幾種穩壓器所存在的問題:

(1)由于吸取了Delta變換技術的經驗,所以就具有了它的一些優點,比如輸入功率因數高達0.95以上,比參數穩壓器高得多。

(2)效率高。從電路的結構可以容易地看到,它是集中了自動穩壓器的優點。而且反應速度快,是自動穩壓器所無法比擬的。

(3)輸入輸出隔離性能好。集中了參數穩壓器和凈化電源的優點。由于在工作中沒有無功功率的存儲,所以不存在擊毀其它設備問題。

(4)由于是PWM電路與磁路的結合原理,結構輕巧,而不是像參數穩壓器那樣的笨重。

(5)可靠性高。由于工作效率高、損耗小,使機內溫度不高,提高了機器的可靠性。

(6)可以智能監控。機器留有RS232串口,可以做遠程監控。

(7)容量可以做得很大。不像凈化電源和參數穩壓器那樣最大只能做到幾十千伏安。正是有了如上的優點,在高速公路配電中應為首選。

二、UPS在高速公路工程中的作用

在高速公路中用量最大的應屬收費系統。其次還有通信、數據處理、變電站和攝像監控等。收費系統的重要性很大,不能有一點疏忽。尤其是現在有的地方自動化程度很高、制度很嚴,比如收費站的欄桿不經過刷卡就不能抬起放行,如果因電源問題使刷卡機停止工作,就會導致車輛的堵塞。比如福建一高速公路段因"參數穩壓器UPS"系統故障而導致停止運行2h,從而造成了幾百輛汽車"闖關",造成了重大損失。

要求供電系統的設備質量不但要高,而求當供電故障時,其維修時間要非常短。比如發現故障快、功能部件更換速度快。最好有預警系統。

三、用于高速公路供電系統的幾種電源解決方案

1.單機供電系統。在一些電網情況比較好的地方,最好不要在UPS前面加穩壓器,如圖1所示。因為加一級設備,就多一個故障點。故障率比原來提高了一倍。

圖1 單機供電系統

2.雙機供電系統。為了以防萬一,有些收費站要求多機系統。所謂多機系統就是指有的用戶要求每一個車道配一臺UPS,這樣一來,即使有一個車道的電源故障,另外的車道可照常運行,以避免堵車闖關現象發生。為了提高可靠性和可用性,采用雙臺UPS冗余并聯或互為備份是科學的。(1)雙臺UPS冗余并聯解決方案

圖2 雙臺UPS冗余并聯系統

如圖2所示。這個方案可用于各種容量的系統中,小到幾千伏安,大到幾百千伏安。但遺憾的是10kVA以下的UPS很少有并聯機型,即使有,在價格上也比較高,否則這種并聯的功能就不足。

(2)互為備份解決方案

互為備份解決方案對于一些小的收費站非常合適,比如車道是3進2出,每個車道的用電約為700VA,考慮到其他因素,以1kVA計,5個車道就是5kVA。這是可用2臺5kVAUPS構成互為備份系統,如圖3所示。兩臺UPS可接到三相電的任意兩相上,如圖中的A相和B相,就有了類似雙路供電效果。

圖3 互為備份解決方案原理圖

兩臺UPS之間用以快速機電器JO連接,在正常時JO是斷開狀態,兩臺UPS可各帶一部分負載。一旦一相電(比如A相斷電)出了問題,繼電器JO就會閉合,將另一相電(B相)的UPS2輸出轉接過來,使負載繼續運行,等故障UPS修復后,又恢復雙機供電狀態。這種繼電器的切換時間小于10ms,這是任何計算機類負載完全允許的。由于是兩相供電,互差120°,所以這種切換必須要有間斷。根據IBM的測試,在市電停電后,計算機本身的PWM電源可滿負荷工作50ms。由圖3可以看出,A相斷電且UPS1電池耗盡時,輸出為零,繼電器JO的閉合使UPS1輸出又恢復電壓,由于電壓的恢復又會使JO斷開,JO的斷開,又導致UPS1輸出為零,這樣一來就會形成UPS1的斷續輸出狀態,使負載無法工作下去。

解決方案實施電路就詳細說明了它的解決方法。這里采用了兩只快速繼電器,將兩只繼電器的線包分別接在兩臺UPS輸出端可實現可靠切換了。這個方案既節約又可靠,同時容易實現。除此之外,在單相供電的地方也可采用。有的地方采用N+1模塊式單機結構也不失為好方案。

3.雙系統供電解決方案

一般在大型控制中心要求更高的可靠性,所以不但設置了雙路供電 (兩路市電或一路市電,一路發電機),而且還采用了兩套UPS冗余系統互為冗余。這種系統的切換由于容量太大,就再也無法使用繼電器和接觸器來實現短時間(<10ms)切換了,在這種情況下可采用靜態開關STS。

結束語：總之，UPS具有的比較完善的狀態監控、電池狀態監控、輸入輸出電壓監控、負載變化監控等檢測監控數據,并可以輕松并入網絡。UPS廣泛地應用于IT行業和特殊的精密設備,遍布從信息采集、傳送、處理、儲存和應用的各個環節,其重要性隨著信息應用重要性的日益提高而不斷提高。

[1]趙亮.UPS不間斷電源"1+1"并機冗余技術應用[J].中國交通信息化；2010.08.10.

[2]溫宗建，劉曉蕾.UPS電源新技術在高速公路信息系統中的應用[J].山東通信技術；2004.03.30.