電力系統(tǒng)中UPS 技術(shù)研究分析

孫艷鳳，張金虎

（國網(wǎng)天津市電力公司薊州供電分公司，天津 301900）

0 引 言

高質(zhì)量與高可靠性是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）技術(shù)的主要特性，能夠有效確保電力系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)作，從而保障電力系統(tǒng)的安全性及可靠性。因此，UPS 技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，且應(yīng)用前景廣闊，開展電力系統(tǒng)中UPS技術(shù)的研究分析具有一定的現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值。

1 UPS 類型

隨著科技的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)性能逐漸提高，UPS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用深度與廣度也逐漸增加。該技術(shù)不僅可以有效保障電力系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性，還可以盡可能降低相關(guān)突發(fā)事件的發(fā)生概率[1]。基于運(yùn)行原理分析，UPS 技術(shù)主要分為后備式UPS、在線式UPS 以及在線互動(dòng)式UPS。

1.1 后備式UPS

后備式UPS 主要采用抗干擾分級調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)，具有市場價(jià)格低、滿足重要場所供電需求的優(yōu)勢。如果電源電壓或者電流發(fā)生較大波動(dòng)，后備式UPS 會向各電力負(fù)載輸出高頻干擾的穩(wěn)壓電源，以改善電力系統(tǒng)供電電壓不穩(wěn)情況。如果實(shí)際電壓數(shù)值降低至170 V 或者發(fā)生供電中斷狀況，后備式UPS 可以通過蓄電池逆變器為負(fù)載提供可靠、穩(wěn)定、持續(xù)的交流電。然而，搭載后備式UPS 的電力系統(tǒng)仍存在部分缺陷，如在實(shí)際應(yīng)用過程中不能用于供電標(biāo)準(zhǔn)較高的設(shè)備，原因是電池逆變供電通常需要4 ～10 ms的反應(yīng)時(shí)間。

1.2 在線式UPS

與后備式UPS 相比，在線式UPS 供電保障功能的實(shí)效性更為優(yōu)異。當(dāng)電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中突然發(fā)生相關(guān)電力故障時(shí)，在線式UPS 會立即完成持續(xù)性的供電操作，通過減少開關(guān)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供電與在線式UPS 供電的切換。一般情況下，其切換時(shí)間無限趨近于0，能夠消除電網(wǎng)所帶來的影響。基于該特點(diǎn)，在線式UPS 具有較高的安全性與可靠性，適用于對電力穩(wěn)定性要求較高的用電場所，如證券單位、銀行單位等。

1.3 在線互動(dòng)式UPS

在線互動(dòng)式UPS 融合在線式UPS 的高可靠性、高安全性以及后備式UPS 電源的高效性優(yōu)勢，在實(shí)際搭載期間能夠始終保持供電準(zhǔn)備狀態(tài)，因此電力切換用時(shí)間較短，能夠確保電壓的輸出穩(wěn)定性。但是，在線互動(dòng)式UPS采用雙向變換器，充電性能相對較低，在實(shí)際供電期間穩(wěn)頻效果不佳，并不適合作為長延時(shí)UPS 使用。

2 UPS 的運(yùn)行原理

UPS 的運(yùn)行原理為利用逆轉(zhuǎn)器、模擬化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制，從而確保電壓、電流的持續(xù)、穩(wěn)定輸出并有效存儲電力能源，對電力系統(tǒng)起到臨時(shí)保護(hù)、維穩(wěn)的作用。另外，UPS 不僅可以在電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)或電流波動(dòng)時(shí)提供穩(wěn)定供電，還可以解決用電高峰時(shí)期電力供應(yīng)不足問題。依據(jù)UPS系統(tǒng)使用功能可以將其分為整流器、儲能構(gòu)建、變換器以及開關(guān)控制4 個(gè)方面。其中，整流器的主要功能是通過控制外電變化輸出幅度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓效果，在當(dāng)外部環(huán)境電力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)確保輸出電壓幅值穩(wěn)定；儲能構(gòu)件的基本組成單位為電池組，相當(dāng)于整流器外接的儲能容器，可以在一定限度上消除整流器對瞬時(shí)脈沖的影響；變換器的作用是增強(qiáng)線路頻率的穩(wěn)定性；開關(guān)控制能夠?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)人員、管理人員提供更加便利的控制方式，實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際用電需求動(dòng)態(tài)調(diào)整UPS性能。

3 UPS 技術(shù)研究分析

3.1 重復(fù)控制技術(shù)

UPS 主要組成部分為逆變器，是一種具有儲存電能性質(zhì)的恒壓恒頻固態(tài)電源。重復(fù)控制技術(shù)能夠確保在UPS 蓄電池電壓降低至0 時(shí)，對電壓起到較強(qiáng)的控制效果，從而減少其他電流所產(chǎn)生的干擾。重復(fù)控制技術(shù)使UPS成為成本低、性能強(qiáng)的波形控制系統(tǒng)，能夠高精度控制重復(fù)軌跡，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而優(yōu)化電源實(shí)際輸出期間的電壓波形[2]。

3.2 并聯(lián)技術(shù)

通常情況下，使用UPS 技術(shù)的場所往往存在對電池容量較高的需求，但就UPS 自身性質(zhì)而言，其在運(yùn)行期間易受外界干擾而造成電力損耗，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)UPS 所提供的電量無法滿足相關(guān)場所的實(shí)際用電需求。在此方面，可以采用UPS 的并聯(lián)技術(shù)，使電力系統(tǒng)中所有的逆變器幅值、電壓頻率等相關(guān)參數(shù)保持一致，提高電力系統(tǒng)在運(yùn)行期間的容錯(cuò)率。

3.3 整流技術(shù)

由于UPS 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用期間存在功率過大的問題，需要結(jié)合具體情況運(yùn)用整流技術(shù)將其功率控制在合理范圍，確保供電穩(wěn)定性。整流技術(shù)的應(yīng)用較為便捷，控制方式也相對成熟，但是諧波電流數(shù)值過大會影響電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性。為此，相關(guān)技術(shù)人員可以結(jié)合實(shí)際情況，采用濾波器實(shí)現(xiàn)整流技術(shù)，加強(qiáng)電流穩(wěn)定性與可靠性。

4 UPS 檢修技術(shù)分析

UPS 技術(shù)能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，但是需要重視UPS 日常保養(yǎng)維護(hù)，避免因UPS 老化或保養(yǎng)、維修不到位而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 防塵與定期除塵

對于UPS 而言，若長期不對其外表進(jìn)行打掃可能造成灰塵沉積現(xiàn)象，此時(shí)若其所處環(huán)境濕度較高，會造成UPS 主控板短接，進(jìn)而導(dǎo)致UPS 主機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行異常，甚至?xí)l(fā)出異常警告。另外，大量灰塵堆積會造成UPS 散熱不暢，在一定限度上縮短了UPS 的實(shí)際使用壽命。因此，需要相關(guān)技術(shù)人員或保養(yǎng)人員根據(jù)UPS 存放位置、電力負(fù)載端性能與數(shù)量、供電需求和標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)因素，為UPS進(jìn)行合理的防塵處理，同時(shí)進(jìn)行周期性清灰工作[3]。需注意，在清灰過程中應(yīng)避免主機(jī)接件、插件等相關(guān)位置出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。

4.2 檢修電源

UPS 檢修工作重視電池運(yùn)行狀態(tài)、電池蓄能情況等相關(guān)參數(shù)，因此需要定期對UPS 電池展開檢修工作，周期性校驗(yàn)電池性能。當(dāng)電池性能出現(xiàn)異常或不足時(shí)，需要對其進(jìn)行及時(shí)維修或更變，避免因UPS電池性能不足而造成供電量不足問題。此外，在UPS電池檢修期間需要檢測電池兩端電壓、溫度等，同時(shí)做好清潔工作，防止出現(xiàn)電池腐蝕、松動(dòng)等問題。

4.3 系統(tǒng)故障與特殊故障檢修

當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)查明并收集故障原因、故障影響以及故障情況等，以便后期系統(tǒng)檢修維護(hù)。若故障定性為系統(tǒng)故障，應(yīng)進(jìn)一步篩查故障原因，區(qū)分故障具體類型，如負(fù)載故障、主機(jī)故障、電池組故障以及UPS 系統(tǒng)故障等。若故障定性為特殊故障，應(yīng)詳細(xì)徹查故障原因，以預(yù)防與消除故障。需注意，UPS 主機(jī)被擊穿、斷保險(xiǎn)火災(zāi)燒毀器件等都是特殊故障。

5 UPS 技術(shù)的優(yōu)化策略分析

文章圍繞某數(shù)據(jù)中心內(nèi)的UPS 設(shè)備展開探討。該數(shù)據(jù)中心內(nèi)部共有3 套UPS，每套UPS 均由3 臺蓄電池、1 臺隔離變壓器以及1 臺不間斷電源組成。該數(shù)據(jù)中心內(nèi)的UPS存在過流報(bào)警、超溫報(bào)警等問題，對電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，因此需要結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化UPS 線路，在確保UPS 設(shè)備自身安全、穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急狀態(tài)時(shí)為數(shù)據(jù)中心各設(shè)備提供穩(wěn)定的應(yīng)急供電[4]。數(shù)據(jù)中心UPS設(shè)備線路，如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心UPS 設(shè)備線路

5.1 調(diào)整散熱設(shè)備

合理調(diào)整散熱設(shè)備可以在一定程度上增強(qiáng)UPS的散熱性能，并提升UPS 設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。該數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)中既有的UPS 散熱設(shè)備的橫截面積為125 mm×125 mm、長度為200 mm，在125 mm 的高度中共存在32 個(gè)散熱片。分析既有散熱設(shè)備結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，每個(gè)散熱片間距在2 mm 左右。散熱片過于集中不僅會造成散熱性能下降，還會在長期使用中產(chǎn)生灰塵堵塞散熱片現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)際情況，可以將散熱設(shè)備優(yōu)化為長度為280 mm、橫截面積為125 mm×125 mm 的結(jié)構(gòu)，同時(shí)將位于125 mm 高度中的散熱片數(shù)量消減至24個(gè)，并將絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊安裝至散熱設(shè)備，保證其中心距離增加至75 mm，以提升IGBT 的散熱性能[5]。調(diào)整后的散熱設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2 所示。減少散熱片數(shù)量，散熱片之間的空間隨之變大，不僅使風(fēng)道更加通暢，還降低風(fēng)速阻值，使散熱設(shè)備的散熱性能得到顯著提升。

圖2 調(diào)整后的散熱設(shè)備結(jié)構(gòu)

5.2 優(yōu)化熱敏電阻

既有的UPS 輸入設(shè)備搭載的熱敏電阻作用是屏蔽短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)電源而出現(xiàn)的電流。在UPS運(yùn)行初期，因熱敏電阻自身溫度較低，能夠有效屏蔽啟動(dòng)電流，但在UPS 長時(shí)間運(yùn)行后，熱敏電阻自身溫度會隨時(shí)間增長而逐漸增加，導(dǎo)致熱敏電阻阻值降低，不僅會影響UPS的散熱性能，還會造成一定程度的安全隱患。為此，可以結(jié)合實(shí)際情況，合理優(yōu)化熱敏電阻。在UPS 運(yùn)行初期，可以在輸入線路中串聯(lián)接入熱敏電阻，實(shí)現(xiàn)對UPS 啟動(dòng)電流的屏蔽效果。而在UPS 運(yùn)行一段時(shí)間后，可以在其中控系統(tǒng)中輸入自動(dòng)屏蔽熱敏電阻的指令，從而有效解決電流啟動(dòng)瞬時(shí)達(dá)到抑制啟動(dòng)電流的問題。

5.3 優(yōu)化UPS 輸入、輸出熔斷器

熔斷器屬于電力系統(tǒng)、電氣設(shè)計(jì)中較為常用的組件之一。熔斷器類型主要分為密閉管式、螺旋式以及插入式等，主要應(yīng)用于低壓分支電路，主要作用為短路保護(hù)。在該案例中，UPS 所使用的熔斷器類型為普通陶瓷型，不僅具有熔斷時(shí)間長的弊端，還存在出現(xiàn)短路后的保護(hù)效果不佳問題。另外，該熔斷器所在位置為UPS內(nèi)部，給其日常維修或更換造成諸多不便。因此，可以結(jié)合實(shí)際情況將既有的普通陶瓷型熔斷器優(yōu)化為快速熔斷器，并調(diào)整其安裝位置，為后續(xù)的更換、維修提供較大便利的同時(shí)，確保短路狀態(tài)下的瞬時(shí)斷電效果[6]。

6 結(jié) 論

UPS 是重要的備用電源設(shè)備，將UPS 技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)能夠有效避免因電網(wǎng)故障而帶來的不良影響，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載設(shè)備的長期穩(wěn)定供電，保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。不僅如此，UPS 技術(shù)能夠延長電力設(shè)備的使用壽命，增強(qiáng)電力設(shè)備的抗干擾能力。因此，需不斷改進(jìn)UPS 技術(shù)，以促進(jìn)電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。