隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)的日益普及，一般的高科技產(chǎn)品和設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量提出了越來越嚴(yán)格的要求。

例如，工業(yè)自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信處理系統(tǒng)、航空管理系統(tǒng)和精密測(cè)量系統(tǒng)都需要交流電網(wǎng)提供電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、無浪涌和無尖峰交流功率。

這是因?yàn)楫?dāng)電源突然中斷或電源質(zhì)量嚴(yán)重超過設(shè)備（系統(tǒng)）的標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，輕則會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)運(yùn)行異常和產(chǎn)品不合格，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生故障或造成不可估量的損失。

然而，由于風(fēng)、雨、閃電等自然災(zāi)害的影響，以及一些用戶負(fù)荷、人為因素和其他事故的影響，普通公用電網(wǎng)提供的交流電不能完全滿足負(fù)荷要求。

為了保證負(fù)載供電的連續(xù)性，提供滿足負(fù)載要求的高質(zhì)量電源，滿足一些重要負(fù)載對(duì)電源的嚴(yán)格要求。

自20世紀(jì)60年代以來，出現(xiàn)了一種新型的交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS），與昂貴的設(shè)備相比，其配置相對(duì)便宜。使用UPS電源保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備是非常值得的。

近年來，UPS電源發(fā)展迅速，已成為電力、軍工、航空、航天和現(xiàn)代辦公等領(lǐng)域必不可少的電源設(shè)備。

電池在UPS電源中起著非常重要的作用。鉛酸電池技術(shù)成熟，目前占比較高。隨著鋰離子電池的普及，鋰離子電池逐漸成為UPS系統(tǒng)的一員。

新能源在21世紀(jì)迅速發(fā)展，UPS鋰電池將在未來顛覆UPS行業(yè)。

 

1.UPS電源的定義和功能

1.1 UPS的定義

所謂的不間斷電源/系統(tǒng)（UPS）是指當(dāng)交流電網(wǎng)的輸入異常時(shí)，可以繼續(xù)向負(fù)載供電而不影響供電質(zhì)量的供電設(shè)備。

通常有兩種類型的UPS，根據(jù)其向負(fù)載提供交流還是直流，即交流不間斷電源系統(tǒng)和直流不間斷電源，但人們通常將交流不間斷供電系統(tǒng)稱為UPS。

1.2 UPS的功能

理想的交流電源輸出電壓是純正弦波，即沒有諧波疊加在正弦波上，也沒有瞬時(shí)擾動(dòng)。

然而，由于許多內(nèi)部原因和外部干擾，實(shí)際電網(wǎng)的波形不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其電壓也由于電路阻抗的限制而不穩(wěn)定。

造成干擾的原因有很多，例如發(fā)電廠本身的交流功率輸出不是純正弦波、公用電網(wǎng)中大型電機(jī)的啟動(dòng)、開關(guān)電源的應(yīng)用、各種開關(guān)的操作、雷電、風(fēng)雨等，都可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。

作為一種交流不間斷電源設(shè)備，UPS向大型系統(tǒng)供電具有兩個(gè)主要功能：

首先，當(dāng)主電源中斷時(shí)，它可以繼續(xù)為負(fù)載提供交流電源；第二，當(dāng)市電電源沒有中斷，但電源質(zhì)量不能滿足負(fù)載要求時(shí)，應(yīng)具有電壓和頻率凈化等交流電源的凈化效果。

凈化功能是指當(dāng)電網(wǎng)向用戶提供的交流電力不是理想的正弦波，而是頻率、電壓和波形異常時(shí)。

UPS電源可以將不滿足負(fù)載要求的電能處理為完全滿足負(fù)載要求。主電源在以下方面異常（如圖所示）。

① 電壓尖峰：峰值電壓達(dá)到6000V，持續(xù)時(shí)間為0.01-10ms的電壓尖峰。其原因通常是靜電放電、雷擊、電弧放電和大型電氣設(shè)備的開關(guān)操作。

 

 

② 電壓瞬變：脈沖電壓，峰值電壓可達(dá)20kV，持續(xù)時(shí)間1~100ps。主要原因和可能的損壞與電壓尖峰相似，但數(shù)量不同。

③ 電線噪聲：指電磁干擾（EMI）、射頻干擾（RFI）和其他高頻干擾。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，繼電器動(dòng)作和廣播會(huì)造成電線噪聲干擾。電網(wǎng)導(dǎo)線噪聲會(huì)影響負(fù)載控制電路。

④ 陷波：指對(duì)正常電壓波形的開關(guān)干擾（或其他干擾），持續(xù)時(shí)間小于半個(gè)周期，與正常極性相反，也包括半個(gè)周期內(nèi)的完全電壓損失。

⑤ 凹陷或變暗：指電源電壓的有效值在額定值的80%到85%之間，持續(xù)時(shí)間超過一到幾個(gè)周期。

大型設(shè)備的啟動(dòng)、大型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)以及大型電力變壓器與電網(wǎng)的連接將導(dǎo)致電壓驟降。

⑥ 電壓浪涌：指電源電壓的有效值超過額定值的110%，并持續(xù)超過一到幾個(gè)周期。電壓浪涌主要是由于幾個(gè)大型電氣設(shè)備關(guān)閉時(shí)電網(wǎng)突然卸載造成的。

⑦ 欠電壓：指低于額定電壓一定百分比的穩(wěn)定低電壓。其原因包括大型設(shè)備啟動(dòng)和使用、主電源線開關(guān)、大型電機(jī)啟動(dòng)和線路過載等。

⑧ 過電壓：指超過額定電壓一定百分比的穩(wěn)定高壓。這通常是由接線錯(cuò)誤、電廠或發(fā)電站調(diào)整錯(cuò)誤以及附近重型設(shè)備停機(jī)引起的。

對(duì)于單相電源，可能是三相負(fù)載不平衡或中線接地不良造成的。

⑨ 諧波失真：表示電源電壓相對(duì)于線性正弦波電壓的偏差。通常用總諧波失真（THD）表示。

一方面，發(fā)電設(shè)備的功率輸出不是純正弦波，另一方面，非線性負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的影響。

⑩ 停電：電網(wǎng)停止供電至少兩個(gè)周期至幾個(gè)小時(shí)。這是由主線斷路器跳閘、主電源中斷和電網(wǎng)故障引起的。

? 頻率變化：電網(wǎng)頻率偏差超過2Hz（<48Hz或>52Hz），這主要是由于應(yīng)急發(fā)電機(jī)或頻率不穩(wěn)定的電源運(yùn)行不穩(wěn)定。

上述污染或干擾對(duì)計(jì)算機(jī)和其他敏感設(shè)備造成的危害并不相同。電源中斷可能會(huì)導(dǎo)致硬件損壞。

 

電壓驟降可能會(huì)導(dǎo)致硬件提前老化和文件數(shù)據(jù)丟失。過電壓、欠電壓和電壓浪涌可能會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器、邏輯電路，并可能導(dǎo)致不可預(yù)知的軟件故障。電線噪聲和瞬態(tài)電壓會(huì)損壞邏輯電路和文件數(shù)據(jù)。

 

2.UPS電源類型

UPS自成立以來發(fā)展迅速。早期的UPS電源是一種動(dòng)態(tài)不間斷電源。當(dāng)電源正常時(shí)，電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電。

這種交流電為負(fù)載供電，并使巨大的飛輪高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生變化時(shí)，飛輪的巨大慣性不會(huì)對(duì)電壓的瞬時(shí)變化做出響應(yīng)，因此輸出電壓的穩(wěn)定性得到保證。

在電網(wǎng)斷電的情況下，飛輪的慣性驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)繼續(xù)向負(fù)載供電，同時(shí)啟動(dòng)連接到飛輪的備用發(fā)電機(jī)組。

備用發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪，從而驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電。

然而，在上述方案中，當(dāng)具有動(dòng)能存儲(chǔ)的飛輪切斷電源時(shí)，延長(zhǎng)電源時(shí)間必然受到限制。為了進(jìn)一步延長(zhǎng)供電時(shí)間，稍后將采用圖中所示的結(jié)構(gòu)。

整流器之后，電池一直充電，另一路由直流電機(jī)供電。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率穩(wěn)定性。

當(dāng)市電中斷時(shí)，交流發(fā)電機(jī)依靠?jī)?chǔ)存在電池組中的能量繼續(xù)運(yùn)行，從而達(dá)到不間斷負(fù)載供電的目的。

這種動(dòng)態(tài)UPS為設(shè)備供電時(shí)，噪音大，且具有效率低、開關(guān)時(shí)間長(zhǎng)、重量大等缺點(diǎn)，尚未得到廣泛應(yīng)用。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，使用各種電器的靜態(tài)UPS迅速取代了早期的動(dòng)態(tài)UPS，系統(tǒng)中的電池存儲(chǔ)存儲(chǔ)能量并提供靜態(tài)UPS電源，通過靜態(tài)逆變器保持負(fù)載電源的連續(xù)性。

與動(dòng)態(tài)UPS相比，靜態(tài)UPS以更低的噪聲和更高的效率為負(fù)載供電，并且體積更小、重量輕、操作方便、備份時(shí)間長(zhǎng)。本文中描述的UPS電源是靜態(tài)UPS。

 

 

根據(jù)輸出容量，UPS類型可分為小容量（10kV·A以下）UPS、中容量（10-100kV·A）UPS和大容量（100kV·A以上）UPS。

根據(jù)輸入輸出電壓相數(shù)，可分為單輸入單輸出UPS、三輸入三輸出UPS和三輸入單輸出UPS；根據(jù)輸出波形的不同，UPS的類型有：方波UPS、梯形波UPS和正弦波UPS；

但人們習(xí)慣于根據(jù)UPS電路結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，可分為無源備用UPS、線路交互式UPS和在線式UPS。

 

2.1無源備用UPS

當(dāng)交流輸入正常時(shí)，通過電壓調(diào)節(jié)器向負(fù)載提供無源備用UPS電源。當(dāng)交流輸入異常時(shí)，UPS的電池通過逆變器向負(fù)載供電。

無源備用UPS是最初的靜態(tài)UPS。它提供市電，由充電器、電池、逆變器和變壓器抽頭電壓調(diào)節(jié)器組成。下圖顯示了備用UPS的工作原理。

 

 

（1） 正常操作模式

當(dāng)輸入交流電壓和頻率在允許范圍內(nèi)時(shí)，使用低通濾波器適當(dāng)?shù)厮p來自電網(wǎng)的高頻干擾，然后將電路分成兩個(gè)通道以控制后續(xù)階段的正常操作。

① 通過充電器為電池充電，以支持UPS在電源中斷時(shí)為負(fù)載供電的正常運(yùn)行。

② 通過位于交流旁路通道中的“變壓器抽頭調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器電源”，大幅波動(dòng)的市電電壓得以穩(wěn)定。

然后，在UPS邏輯控制電路的作用下，穩(wěn)定電源通過轉(zhuǎn)換開關(guān)向負(fù)載供電。

此時(shí)，逆變器僅處于空載運(yùn)行狀態(tài)，不輸出能量，嚴(yán)格來說，逆變器不工作。

（2） 儲(chǔ)能運(yùn)行模式

當(dāng)輸入交流電壓或頻率異常時(shí)，在UPS邏輯控制電路的作用下，UPS為負(fù)載供電的過程如下。

① 充電器停止工作。

② 當(dāng)切斷交流旁路電源通道時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)將負(fù)載連接到逆變器的輸出端，從而實(shí)現(xiàn)從市電電源到逆變器電源的轉(zhuǎn)換。

③ 逆變器吸收儲(chǔ)存在電池中的直流電，并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的交流電流（如50Hz/220V），以維持對(duì)負(fù)載的供電。根據(jù)負(fù)載，逆變器輸出電壓可以是正弦波或方波。

 

根據(jù)無源備用UPS的工作原理，其性能特點(diǎn)如下：

① 電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高

② 當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，逆變器僅處于空載運(yùn)行狀態(tài)，整機(jī)效率可達(dá)98%。

③ 由于它大部分時(shí)間都是向電網(wǎng)供電，UPS輸出能力強(qiáng)，對(duì)負(fù)載電流峰值系數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過載等沒有嚴(yán)格要求。

④ 輸出電壓穩(wěn)定性精度差，但能滿足負(fù)載要求。

⑤ 輸出具有轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)主電源中斷時(shí)，輸出功率具有短時(shí)間的不連續(xù)性，并且受到開關(guān)電流能力和動(dòng)作時(shí)間的限制，難以增加輸出容量。

因此，備用正弦波輸出UPS容量通常小于3kV·A，而備用方波輸出UFS容量通常小于1kV·A。

2.2在線UPS

當(dāng)交流輸入正常時(shí)，UPS的電池通過整流器和逆變器為負(fù)載供電。當(dāng)交流輸入異常時(shí)，UPS的電池通過逆變器為負(fù)載供電。

在線UPS也稱為雙變換在線UPS或串聯(lián)調(diào)節(jié)UPS。目前，大多數(shù)大容量UPS都采用這種結(jié)構(gòu)。

UPS電源通常由整流器、充電器、電池、逆變器等組成。它是一種主要由逆變器提供UPS電源的電源。圖顯示了工作原理。

 

 

（1） 正常操作模式

當(dāng)輸入交流電壓和頻率在允許范圍內(nèi)時(shí)，使用EMI/RFI濾波器適當(dāng)衰減來自電網(wǎng)的傳導(dǎo)電磁干擾和射頻干擾，然后將電路分為三個(gè)通道以控制后續(xù)階段的正常操作。

① 當(dāng)逆變器通道故障時(shí)，直接連接交流旁路電源通道作為備用電源。

② 通過充電器對(duì)UPS中的電池組進(jìn)行浮動(dòng)充電，以便當(dāng)電源中斷時(shí)，UPS的電池以足夠的能量為正常運(yùn)行供電。

③ 經(jīng)過整流器和大電容濾波器轉(zhuǎn)換成相對(duì)穩(wěn)定的直流電，然后逆變器將轉(zhuǎn)換成電壓和頻率穩(wěn)定的交流電，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)傳遞給負(fù)載。

（2） 儲(chǔ)能運(yùn)行模式

當(dāng)輸入交流電壓或頻率異常時(shí)，UPS在邏輯控制電路的作用下以以下模式為所有負(fù)載供電。

① 關(guān)閉充電器并停止對(duì)電池充電。

② UPS中的電池為逆變器供電，存儲(chǔ)在電池中的直流電被轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的交流電，用于保持負(fù)載電源的連續(xù)性。

（3） 旁路操作模式

在市電正常情況下，出現(xiàn)以下情況之一：

UPS輸出端子出現(xiàn)輸出過載或短路故障；由于環(huán)境溫度過高和冷卻風(fēng)扇故障，逆變器或整流器中的電源開關(guān)管溫度超過安全限值；

如果UPS電源中的逆變器出現(xiàn)故障，則UPS在邏輯控制電路的控制下通過直接切換到市電旁路來為負(fù)載供電。

 

 

（4） ECO操作模式

交流輸入通常，UPS通過靜態(tài)旁路模式為負(fù)載供電。當(dāng)交流輸入異常時(shí)，UPS切換逆變器的電源模式。

根據(jù)在線UPS電源的工作原理，其性能特點(diǎn)如下：

① 無論電源是否正常，負(fù)載的所有功率都由逆變器提供。因此，在電源故障時(shí)，UPS輸出不會(huì)中斷。

② 輸出功率質(zhì)量高。UPS逆變器采用高頻正弦脈寬調(diào)制和輸出波形反饋控制，以提供高電壓穩(wěn)定性、低波形失真、穩(wěn)定頻率和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)負(fù)載的高質(zhì)量電源。

③ 所有負(fù)載功率由逆變器提供，UPS的容量裕度有限，輸出容量不理想。

因此，對(duì)負(fù)載的輸出電流峰值系數(shù)、過載能力、輸出功率因數(shù)等提出了限制，輸出有功功率小于標(biāo)定的kV·A數(shù)，應(yīng)對(duì)沖擊負(fù)載的能力較差。

④ 整流器和逆變器承擔(dān)所有負(fù)載功率，機(jī)器效率低。

2.3線路交互式UPS

線路互動(dòng)式UPS是指當(dāng)交流輸入正常時(shí)，通過電壓調(diào)節(jié)器向負(fù)載供電，轉(zhuǎn)換器僅為電池充電；

當(dāng)交流輸入異常時(shí)，UPS的電池通過轉(zhuǎn)換器為負(fù)載供電。交互式UPS電源也稱為在線交互式UPS或并聯(lián)補(bǔ)償U(kuò)PS。

與在線UPS相比，該UPS電源省去了整流器和充電器，并由一個(gè)可在整流器和逆變器狀態(tài)下工作的雙向轉(zhuǎn)換器和一個(gè)電池組成。

當(dāng)電源輸入正常時(shí)，雙向轉(zhuǎn)換器反向工作（即整流工作狀態(tài)），為電池組充電；

當(dāng)電源異常時(shí)，雙向轉(zhuǎn)換器立即轉(zhuǎn)換為逆變器工作狀態(tài)，將電池電能轉(zhuǎn)換為交流輸出。下圖顯示了工作原理。

 

 

（1） 正常操作模式

當(dāng)輸入交流電壓和頻率在允許范圍內(nèi)（例如，市電電壓在150V至276V之間）時(shí)，市電電源通過低通濾波器衰減來自市電電網(wǎng)的射頻干擾和傳導(dǎo)電磁干擾，并通過以下控制信道控制UPS的正常運(yùn)行。

當(dāng)市電電壓在176 v和264V之間時(shí)，在UPS邏輯控制電路的作用下，打開開關(guān)S0和UPS電源的市電輸出通道上的開關(guān)。因此，未調(diào)節(jié)的主電源直接發(fā)送到負(fù)載。

當(dāng)市電電壓在150~176V之間時(shí)，鑒于市電輸入電壓在低壓側(cè)，在UPS邏輯控制電路的作用下，開關(guān)S0同時(shí)處于斷路器狀態(tài)。

在輸入端閉合的升壓繞組開關(guān)S1，即在升壓處理之后的市電電源的低振幅，將通過開關(guān)向負(fù)載施加更高的電壓振幅。

當(dāng)市電電壓在264~276V之間時(shí)，為防止對(duì)負(fù)載造成損壞，輸出電壓過高在UPS邏輯控制電路的作用下，開關(guān)S0同時(shí)處于斷路器狀態(tài)。

輸入開關(guān)S2處的閉合降壓繞組，在電壓降低處理后，使主電源的高壓側(cè)上的振幅通過開關(guān)再次負(fù)載，實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)載的安全操作的目標(biāo)。

經(jīng)過處理后，市電電源不僅供應(yīng)負(fù)載電能，還充當(dāng)雙向逆變器的交流輸入功率。

雙向逆變器在整流狀態(tài)下運(yùn)行，從電網(wǎng)中吸收能量并將其存儲(chǔ)在電池組中，以在電網(wǎng)異常時(shí)提供足夠的直流電能。

（2） 儲(chǔ)能運(yùn)行模式

當(dāng)輸入交流電壓或頻率異常時(shí)（例如，市電輸入電壓低于150V或高于276V），內(nèi)部邏輯控制電路對(duì)UPS電源的關(guān)鍵部件執(zhí)行以下操作。

雙向轉(zhuǎn)換器從原始整流模式轉(zhuǎn)換為逆變器模式。

換言之，此時(shí)，系統(tǒng)不再對(duì)電池充電，而是吸收電池存儲(chǔ)的直流能量，通過正弦波逆變器將其轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的交流電輸出到負(fù)載。

 

根據(jù)交互式UPS的工作原理，其性能特點(diǎn)如下：

① 效率高，高達(dá)98%；

② 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高。

③ 輸入功率因數(shù)和輸出電流諧波分量取決于負(fù)載電流，UPS本身不會(huì)產(chǎn)生額外的輸入功率因數(shù)以及諧波電流失真。

④ 輸出能力強(qiáng)，負(fù)載電流峰值系數(shù)、浪涌系數(shù)、過載等無嚴(yán)格限制。

⑤ 轉(zhuǎn)換器直接連接到輸出端，在熱備份狀態(tài)下，輸出電壓峰值干擾具有濾波效果。

⑥ 大部分時(shí)間為市電供電，僅對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行輕微穩(wěn)定處理，輸出電能質(zhì)量較差。

⑦ 當(dāng)電網(wǎng)中斷時(shí)，由于交流旁路開關(guān)具有斷開時(shí)間，UPS輸出具有一定的電源中斷時(shí)間，但轉(zhuǎn)換時(shí)間比無源備用UPS短。