不間斷電源在我國的應用和發展

范光輝

摘 要：不間斷電源現已被廣泛應用，我國很多學者對其展開了研究，使得不間斷電源獲得了長足的發展。文章主要從不間斷電源的定義、基本原理和分類以及在我國的發展現狀與未來的發展趨勢方面作了分析，對全面了解不間斷電源在我國的應用和發展具有一定的參考意義。

關鍵詞：不間斷電源；應用；電力系統；發展

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0091-02

隨著經濟的發展，計算機技術被廣泛地應用于各行各業，而不間斷電源也是在這種環境被應用進來的。不間斷電源的主要優勢是在電網不正常運轉或是在發生故障時，仍然能夠為負載提供不間斷的高性能電源。正因為這種優勢，其應用也越來越廣泛。當然，我國不間斷電源的發展離不開國家行業政策的支持，所以了解行業發展動態具有必要意義。

1 不間斷電源的行業定義

不間斷電源，又作UPS（Uninterruptible Power Supply），指的是能夠提供持續、穩定、不間斷電能供應的電力電子設備。主要的組成部分是逆變器、整流器，以電池為主要的儲能裝置，不僅能夠為用戶提供備用電源以防止重要設備因電能中斷而遭受損失，并且可改善電能質量，使設備免受高低電壓、突波、雜訊、頻率不穩及電磁的干擾，滿足用戶對電能質量的需求。

2 不間斷電源的基本原理和分類

前述已經提到了UPS的主要構成，對于一般的UPS結構，除了整流器和逆變器之外，還有升壓部分，控制部分、充電部分以及電池部分。UPS的基本工作原理如圖1所示。

UPS電源還搭載了微處理器，它可以將輸入、輸出、電池、壞境等數據進行相關的運算，并且控制整流器、逆變器以及靜態開關等裝置，對外部的指令進行響應。而整流和充電單元的主要功能是整流控制信號和及時充電的作用，電池組和直流的總線是并聯運行的，所以整流器可以對電池完成充電。當然，電池電壓如果比浮充電壓更低時，整流器處在恒流模式，微處理器就要對充電電流反饋和用戶設置的電池容量進行計算分析。

應用UPS的目的就是能夠為一些裝置提供穩定的電源，這也就是我們劃分UPS種類的依據之一。按照逆變器的工作方式來分UPS分為后備式（或稱離線式OFFLINE）和在線式（ONLINE）兩種。后備式UPS的逆變器在UPS正常工作時處于后備狀態，只有在市電異常時才起到逆變作用，而在線式UPS的逆變器無論在市電模式還是電池模式一直都在工作狀態。后備式UPS功率比較小、價格便宜，主要用在對電源質量不高的地方，比如個人電腦；在線式UPS輸出的電源精度高，價格也比較高，主要用在對電源質量要求較高的場合，比如機房。

按照UPS的后備時間UPS可以分為標準機和長延時機。標準機后備時間比較短，一般只有幾分鐘，長延時機可以根據需要配置電池延長UPS的后備工作時間。

按照UPS外形結構UPS可以分為塔式UPS、機架式UPS、以及含機柜的模塊化UPS。

按照UPS對市電的相數要求可以分為單相機和三相機。三相機功率比較大，一般都在10 kVA以上。

按照供電渠道的不同將UPS劃分為以下幾種工作模式，即：市電模式、電池模式、旁路模式、維護模式。

市電模式：市電正常時UPS的正常工作模式。

電池模式：市電異常時UPS的正常工作模式。

旁路模式：UPS異常的供電模式。

維護模式：UPS出現故障，需要不斷電進行UPS維修時的供電模式。

3 不間斷電源在我國的發展現狀

在使用電池的時代之前，UPS不間斷電源曾經使用飛輪和內燃機為負載提供電能供應，這種不間斷電源被稱為飛輪式或旋轉式不間斷電源。飛輪式UPS不間斷電源由整流器、直流電動機、飛輪、柴油機（或汽油機）及發電機等組成。在電網供電的情況下，由整流器提供的直流電驅動電動機帶動飛輪旋轉，并且帶發電機為負載供電。由于飛輪的慣性作用，發電機轉速可以保持均衡，此時UPS不間斷電源起過濾電網干擾的作用。當電網斷電后，飛輪繼續帶動發電機的轉子旋轉，同時啟動柴油機帶動發電機發電，替代原有電網為負載供電。由于飛輪式UPS不間斷電源使用內燃機提供電力，會產生較大的噪音，同時體積也較大，因此被用于應急情況和一些自然狀況惡劣的場合，通常情況下，不間斷電源會使用蓄電池來提供電力。

隨著電子技術和信息技術的應用和發展，不間斷電源隨之產生并得到了不斷的發展，自1984第一臺UPS從香港進到中國，UPS在我國的應用和發展經歷了30多年，UPS也不斷地從國外進口到國內生產，進而出口外銷。

在技術上，不間斷電源隨著電子技術和信息技術的發展也不斷地提高，UPS從最初的后備式電源發展到在線式不間斷電源，從最初的低頻機發展到后來的高頻機，從開始的單機運行，發展到第二代雙機熱備份。第三代的n+x并聯冗余，到目前發展到無線并機技術的應用，以及利用網絡實現遠程的檢測與操控。從功率大小來看，從最初的500 VA發展到1 100 kVA。目前模塊化UPS也得到了廣泛的應用，可實現在線維護，不斷電進行UPS維護，確保在UPS發生故障的情況下用戶的設備可以正常運行。UPS隨著貼片技術和DSP技術的應用，在結構上不斷地得到發展UPS從最初的分立元件，發展到后來的集成塊，CPU的應用，從體積上不斷減小，從重量上也不斷地減輕，從而節省了生產成本、運輸成本以及使用成本。從用戶群體看，早期的用戶主要是銀行、郵電、證券稅務等部門，后來發展到政府、企業、事業等單位，以及個人用戶等等。

3.1 不間斷電源的行業發展壞境分析

3.1.1 不間斷電源行業政策發展分析

因為不間斷電源的巨大發展潛力，國家為不間斷電源的發展制定了許多相關的政策，制定了《電力需求管理辦法》，主要是泛指通過價格、行政等手段，幫助電力用戶提高電力資源利用效率，改進用電方式，實現科學用電、節約用電、有序用電所開展的相關活動。而《農村電網改造升級項目管理辦法》明確對農村的電路改造升級提出了相關的政策，并且針對運行農網設施局部或整體就地或異地建設、增容、更換設備等做出了相關的規定。

國家發改委辦公廳關于當前推進高技術服務發展有關工作作了工作重點指示，主要包括四個方面：

①信息服務，發展面向市場的高性能計算和云計算服務和下一代互聯網應用服務、促進軟件服務化發展和引導數字文化產業創新發展。

②生物技術服務。

③研發設計服務。

④技術創新服務。

后來又相繼出臺了一些規定，這些政策非常有利于行業的發展，也為行業的發展奠定了基礎。從專利的申請人分布情況來看，艾默生、科華恒盛和易事特分別以17.6%，14.3%和12.0%位于前三位，APC以11.3%的份額位列第四。

3.1.2 不間斷電源行業技術環境分析

我國的UPS專利申請狀況從1994～2014年大致可以分為三個階段：1994～1998年為緩慢發展階段，1999～2006年較為快速的發展階段，2006～2014年為爆發式增長階段，2014年，我國UPS相關專利申請數量達到三百余項。專利申請的分布情況如圖2所示。

從圖2中可以看出，雖然我國的UPS技術發展空間還很大，但是因為行業政策的鼓勵，我國本土的UPS技術實力越來越強，與世界500強公司的差距逐漸變小。從我國UPS相關專利申請人技術分布情況來看，H02J，I3-02是各家企業爭奪的焦點，艾默生在H02J和I3-02兩方面的專利均較多，科華恒盛的專利主要集中分布在I3-02方面。

3.2 不間斷電源行業發展狀況分析

2014年，我國UPS銷售總額約為89億元，同比增長3.1%，具體數據見表2，增速較上年進一步放緩，受大數據對ICT行業的影響，4G建設的需求以及寬帶中國項目的刺激，我國信息設備用UPS電源的需求將快速增長，根據相關推算，2015年我國UPS市場規模有望突破100億元。

4 UPS的最新發展動態

隨著計算機網絡的快速發展，對未來我國的UPS行業的發展指明了方向，這也是新形勢下UPS行業發展的最大動力，其最新的動態有以下幾點。

4.1 智能化和網絡化

將RS232接口、RS485接口，SNMP卡和MODEM等應用于UPS，使得系統具有了非常優秀的性能。可以對一些相關的模擬量進行實時的監控，而且可以通過相關的數據庫來進行自我診斷，自動判斷UPS是否存在故障，如果存在故障則根據相關的需求進行自我保護。將UPS和計算機控制技術集成到一起，這樣就實現了對于UPS的遠程管理和控制，這也是未來無間斷電源的發展方向。

4.2 數字化

以前的UPS的主要控制方式是模擬控制的方法，所以其局限性也非常明顯，主要有：

①因為電路的結構比較復雜，所以元器件很多，其差異性造成了電源無法完全一致。

②如果想改變原來的控制方法，只能通過修改硬件控制板，這樣不但周期長而且工作量很大。

③硬件電路的固化導致了更加先進的控制方法很難在這樣的電路上實現。

但是要想發展高檔的微處理器就必須使其實現先進算法和智能算法。正因為這些弊端的存在，也就為高速、更加廉價的數字化處理器的發展提出了要求。數字化的控制方式的優勢在于能夠避免模擬信號的畸變、失真等現象，也便于調試和自我診斷，正因為這些優勢，在線UPS也是未來發展的重要趨勢。

4.3 綠色化

傳統的UPS電源存在一定的諧波干擾和污染，對于其穩定性和可靠性以及環境的傷害還是很大的。所以，綠色無污染的UPS是未來發展的方向，其提出可以加強抗電磁干擾能力，有助于降低輻射干擾，最重要的是可以大大提高對電能的利用率。

4.4 并聯冗余技術

如何提高UPS電源的可靠性和穩定性一直是需要解決的難題，而傳統的UPS只是依靠單臺電源來實現相關的功能，這并不能達到很高的可靠性，而新型的解決方法就是冗余式并機方式，其優勢性能在近年的應用當中逐漸凸顯出來，主要表現在：

①可以根據需求調節電源的總體容量。

②這種系統本身具有相當高的穩定性。

③由于系統有多臺電源構成，所以其維修和更換更加便捷。

4.5 高頻化

傳統的UPS電源存在動態響應能力差，變壓器和電感的音頻噪聲高等缺點，這就催生了高頻電源的發展，高頻電源不僅可以使得笨重的隔離變壓器變得不必要，減小了裝置本身的體積和重量，而且可以減小甚至是消除電感的音頻噪聲。

5 結 語

計算機網絡技術以及通信技術等相關技術的發展為UPS行業的發展提出了更高的要求，同時也為其提出了技術保障。UPS電源的發展也可以促進、推動其它產業的發展，因此，研究更高檔的UPS電源在未來具有巨大的潛力。

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