電力系統(tǒng)中UPS電源技術(shù)的改進(jìn)研究

于海濱，白銀姍

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100191）

1 UPS電源技術(shù)的運(yùn)行原理

當(dāng)前，UPS電源在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。其能夠保障電力系統(tǒng)的持續(xù)供電，降低因突發(fā)事件帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，UPS電源技術(shù)也在不斷發(fā)生變化。就其工作原理來(lái)看，UPS電源主要分為后備式UPS電源、在線(xiàn)式UPS電源以及在線(xiàn)互動(dòng)式UPS電源3種。其中，后備式UPS電源主要采用抗干擾分級(jí)調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)，市場(chǎng)價(jià)格較低，適用于重要場(chǎng)所。當(dāng)電源供電或電壓發(fā)生變化時(shí)，后備式UPS電源可以向負(fù)載提供高頻干擾的穩(wěn)壓電源，改善供電電壓的波動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)供電發(fā)生中斷或者電壓降到170 V以下時(shí)，蓄電池通過(guò)逆變器為負(fù)載提供穩(wěn)定的交流電。但電力系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，電池的逆變供電將有4～10 ms的反應(yīng)時(shí)間，因此不適合用于供電要求較高的設(shè)備設(shè)施[1]。

當(dāng)在線(xiàn)式UPS電源在電力系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)，UPS電源能夠立即作出供電反應(yīng)，減少開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間，使得電網(wǎng)和蓄電池之間的切換時(shí)間接近為零，從而消除電網(wǎng)帶來(lái)的影響。這類(lèi)UPS電源的安全可靠性較高，主要應(yīng)用在銀行和證券等重要單位。而在線(xiàn)互動(dòng)式UPS電源結(jié)合了后備式UPS電源效率高和在線(xiàn)式UPS電源供電質(zhì)量可靠的特點(diǎn)，在使用過(guò)程中始終處于準(zhǔn)備狀態(tài)，所以電流切換的時(shí)間非常短，可以保證電壓輸出相對(duì)穩(wěn)定。但需要注意的是，互動(dòng)式UPS電源使用的是雙向變換器，充電狀態(tài)效果不佳，因此導(dǎo)致穩(wěn)頻效果不佳，不適合做常延時(shí)UPS電源。

2 UPS電源的技術(shù)性能

2.1 重復(fù)控制技術(shù)

UPS電源由逆變器和其他部分共同構(gòu)成，是一種具有電量?jī)?chǔ)能的恒壓恒頻固態(tài)電源。由于具有重復(fù)控制技術(shù)，因此在電壓下降到零的過(guò)程中，也能夠起到控制效果，抑制其他電流造成的干擾。重復(fù)控制技術(shù)用于UPS電源，構(gòu)成了一種性能高且成本低的波形控制系統(tǒng)，可高精度控制重復(fù)軌跡，做到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和收斂速度穩(wěn)定，改善電源輸出的電壓波形質(zhì)量。

2.2 并聯(lián)技術(shù)

UPS電源安置在重要場(chǎng)所時(shí)對(duì)電池容量的需求量極大。但UPS電源提供的電量極容易受到外界環(huán)境的干擾出現(xiàn)損耗問(wèn)題，造成所提供的電量無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際的需求。為解決這一問(wèn)題，技術(shù)研究者采用并聯(lián)技術(shù)，使得電力系統(tǒng)中全部逆變器使用的電壓頻率和幅值等數(shù)據(jù)始終保持一致，從而提高電力系統(tǒng)的容錯(cuò)性能。

2.3 整流技術(shù)

UPS電源的功率過(guò)大，所以經(jīng)常會(huì)采用整流技術(shù)進(jìn)行調(diào)整。其操作非常便捷，控制方法也相對(duì)成熟，但諧波電流相對(duì)過(guò)大會(huì)影響運(yùn)行的安全性。因此，為確保電流的穩(wěn)定，需要采用濾波器進(jìn)行整流，從而保證電流穩(wěn)定運(yùn)行。

3 UPS供電技術(shù)的改進(jìn)策略

本研究中以某數(shù)據(jù)中心UPS電源設(shè)備為例。該機(jī)房由3套UPS電源設(shè)備共同組成，每套由1臺(tái)不間斷電源、1臺(tái)隔離變壓器以及3臺(tái)蓄電池構(gòu)成。由于UPS不間斷電源容易發(fā)生超溫和過(guò)流報(bào)警等問(wèn)題，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2]。因此本文改進(jìn)該數(shù)據(jù)中心的UPS電源設(shè)備線(xiàn)路，保證設(shè)備本身的安全穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足設(shè)備在應(yīng)急狀態(tài)下的供電安全。數(shù)據(jù)中心UPS電源設(shè)備線(xiàn)路如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心UPS電源設(shè)備線(xiàn)路圖

3.1 改進(jìn)散熱設(shè)備

改進(jìn)UPS散熱設(shè)備，將極大地提高UPS的散熱能力。該數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)中原UPS散熱設(shè)備的整體長(zhǎng)度為200 mm，橫截面積為125 mm×125 mm。在125 mm的高度共有32片散熱片，由于散熱片相對(duì)集中，因此片與片之間的距離僅有2 mm左右，造成散熱效果不佳，長(zhǎng)期使用極容易產(chǎn)生灰塵堵塞的問(wèn)題。本文通過(guò)改進(jìn)散熱設(shè)備，將原有長(zhǎng)度增加至280 mm，橫截面積仍然保持為125 mm×125 mm。在125 mm的高度上共有24片散熱片。同時(shí)在散熱設(shè)備上將安裝IGBT模塊，中心距離由45 mm增加到75 mm，增強(qiáng)IGBT的散熱功能。改進(jìn)后散熱設(shè)備的風(fēng)道更加順暢，風(fēng)阻將進(jìn)一步降低，散熱的總能力將顯著提升，預(yù)計(jì)散熱效果提升40%。改進(jìn)后的散熱設(shè)備機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的散熱設(shè)備機(jī)構(gòu)圖

3.2 改進(jìn)UPS電路。

3.2.1 改進(jìn)熱敏電阻

原有UPS的220 V輸入設(shè)備串入了熱敏電阻，主要功能是用來(lái)抑制因短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)電源所產(chǎn)生的電流。在UPS工作之初，熱敏電阻溫度較低，對(duì)啟動(dòng)電流產(chǎn)生抑制作用，但由于工作時(shí)間較長(zhǎng)，熱敏電阻的溫度將不斷升高，電阻值也將隨之降低。不僅嚴(yán)重影響UPS的散熱效果，而且還可能因設(shè)備失效而發(fā)生安全隱患。針對(duì)這種問(wèn)題，可以改進(jìn)熱敏電阻。在UPS工作之初，將熱敏電阻串聯(lián)在輸入線(xiàn)路中，達(dá)到抑制啟動(dòng)電流的作用，在UPS工作后，系統(tǒng)自動(dòng)屏蔽熱敏電阻，從而解決電流啟動(dòng)瞬間達(dá)到抑制啟動(dòng)電流的問(wèn)題[3]。熱敏電阻改進(jìn)后如圖3所示。

圖3 熱敏電阻改進(jìn)示意圖

3.2.2 改進(jìn)UPS輸入、輸出熔斷器

在電氣設(shè)計(jì)中常常會(huì)用到熔斷器。熔斷器主要有插入式、螺旋式以及密閉管式等類(lèi)型，主要用于低壓分支電路的短路保護(hù)。在本文中UPS的輸入和輸出熔斷器使用的是普通陶瓷類(lèi)型，其熔斷時(shí)間較長(zhǎng)，在發(fā)生短路后對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)能力不足。此外，由于熔斷器在UPS設(shè)備的內(nèi)部，因此一旦發(fā)生問(wèn)題不易檢修。將普通陶瓷熔斷器更換為快速熔斷器，安裝位置由內(nèi)部改為前面板中，既能夠保證在短路狀態(tài)下瞬時(shí)斷電，又能夠保證維修的安全[4]。

3.2.3 改進(jìn)UPS內(nèi)部插件

接插件使用范圍廣泛，只要涉及到電路的問(wèn)題都會(huì)牽扯到接插件。本例中UPS采用2.54 mm和3.96 mm的電路板插座。由于直插式印制電路板在使用過(guò)程中需要多次插拔，因此長(zhǎng)時(shí)間使用極容易出現(xiàn)腐蝕和磨損等問(wèn)題，造成在接插件的接觸部位和端接部位出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象。使得UPS工作異常，從而影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。為解決這一問(wèn)題，使連接更加可靠，本例采用4個(gè)螺釘鎖緊的鍍金插件，替換原有電路板中的26個(gè)插拔式插件，整體插件的數(shù)量由26個(gè)減少到4個(gè)，減少了22個(gè)。通過(guò)減少插件數(shù)量，將有效提高插件接觸的可靠性，防止因頻繁插接造成接觸不良問(wèn)題的發(fā)生。

3.2.4 改進(jìn)輔助電源設(shè)備

原UPS的輔助電源設(shè)備安置在電路的控制板區(qū)域。由于控制板部分區(qū)域溫度較高，在長(zhǎng)期供電過(guò)程中，元器件的整體性能將不斷下降，造成輸出紋波較大，對(duì)整體供電效果和信號(hào)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生不良影響。對(duì)此，本研究選擇優(yōu)良的輔助電源模塊作為改進(jìn)策略，整體電源包括交流220 V和直流240 V兩路輸入。在輸入電源進(jìn)行切換時(shí)，整體供電自由切換不斷電。此外，該輔助電源模塊采用全金屬材質(zhì)，具有極高的可靠性。

4 結(jié) 論

通過(guò)文中研究可以看出，UPS電源技術(shù)的性能和可靠性極為重要，在各類(lèi)大型場(chǎng)所和特殊區(qū)域的電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。采用UPS電源技術(shù)能夠保障電力系統(tǒng)的可靠性，消除電網(wǎng)因故障帶來(lái)的影響，在特殊區(qū)域通過(guò)改進(jìn)UPS電源技術(shù)，還能夠有效延長(zhǎng)電力設(shè)備的使用壽命，保證電路和電子檢測(cè)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定，提高設(shè)備的散熱性能和抗干擾能力，使電力系統(tǒng)運(yùn)行在比較安全的環(huán)境，滿(mǎn)足人類(lèi)社會(huì)用電的需求，推動(dòng)電力行業(yè)蓬勃健康發(fā)展。