UPS及EPS的應(yīng)用技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

2.3.4 EPS領(lǐng)域的現(xiàn)狀

隨著科技的不斷發(fā)展，眾多的智能大廈拔地而起，人們?cè)趯?duì)其居住環(huán)境提出了更高要求的同時(shí)，也提出了電力保障和消防安全問題。但EPS的起步較發(fā)電機(jī)和UPS要晚，人們對(duì)其認(rèn)識(shí)的程度還不夠，所以在眾多的應(yīng)急供電場(chǎng)合，還是以發(fā)電機(jī)和UPS為主要應(yīng)急供電方式來實(shí)現(xiàn)EPS的功能。就提供應(yīng)急供電能力而言，這兩種方式已暴露出許多不足之處。

1）用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源是目前大部分工程所采用的，也是最常見的應(yīng)急備用電源，由于柴油發(fā)電機(jī)的容量較大，可并機(jī)運(yùn)行且連續(xù)供電時(shí)間長(zhǎng)，所以已經(jīng)有較長(zhǎng)的應(yīng)用歷史。然而，無論發(fā)電機(jī)的起動(dòng)速度有多快，從停電后使發(fā)電機(jī)接到起動(dòng)信號(hào)開始，至發(fā)電機(jī)電壓、頻率等達(dá)到穩(wěn)定可以供電時(shí)為止，至少需要數(shù)十s至數(shù)min，這段時(shí)間，所有用電設(shè)備均停止工作，就可能造成少數(shù)設(shè)備的損壞或出現(xiàn)生命財(cái)產(chǎn)的安全問題。而EPS的啟動(dòng)一般不會(huì)超過25ms，所以不會(huì)影響設(shè)備的正常工作。

另一方面，柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)用在應(yīng)急供電場(chǎng)合，有諸多不利之處，主要有：

（1）在高層建筑中，柴油發(fā)電機(jī)組一般放在地下室，設(shè)計(jì)難度大，造價(jià)高，配備進(jìn)風(fēng)、冷卻、排煙、減震、消音等設(shè)施都需要充分考慮；

（2）存在火災(zāi)隱患。其油罐像一個(gè)極為危險(xiǎn)的“炸彈”，萬一失火，后果不堪設(shè)想；

（3）日常維護(hù)比較頻繁，工作量大；

（4）柴油發(fā)電機(jī)噪音大，產(chǎn)生公害；

（5）排煙中有大量的二氧化硫，污染嚴(yán)重，影響環(huán)保。

以負(fù)載容量為200kW為例，將EPS與柴油發(fā)電機(jī)組的性價(jià)比作一個(gè)比較。選用EPS時(shí)，其額定功率與負(fù)載功率比為1：1即可，其總價(jià)約為60萬元左右。而選用柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，其額定功率與負(fù)載功率比應(yīng)為1.3～1.5：1，對(duì)200kW的負(fù)載，柴油發(fā)電機(jī)組需250kVA規(guī)格，該機(jī)組價(jià)格為40萬元左右，但是除機(jī)組本身價(jià)格之外，還需外加其他輔助裝置費(fèi)用約16～29萬元，現(xiàn)以20萬元計(jì)算，即選用柴油發(fā)電機(jī)組總價(jià)為60萬元左右。所以，二者價(jià)格相差不多。從中也不難看出，如果EPS容量小于200kW時(shí)，其價(jià)格要小于柴油發(fā)電機(jī)組的綜合造價(jià)。目前消防應(yīng)急供電場(chǎng)合的負(fù)載總?cè)萘恳话阍?00kW以下，從投資的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮，EPS較柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)得多。

2）用UPS作為應(yīng)急電源EPS從原理結(jié)構(gòu)上和UPS大同小異。在線式UPS不論市電是否正常，它都一直由逆變器供電，即按照“市電輸入→整流→逆變→輸出”的順序進(jìn)行，只有在逆變器故障或過載時(shí)才改由旁路輸出，如圖5所示。而EPS，當(dāng)市電正常時(shí)，市電通過開關(guān)S輸出給負(fù)載，同時(shí)充電器對(duì)電池充電。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到市電停電時(shí)，逆變器工作，使開關(guān)S切換至逆變輸出狀態(tài)，向負(fù)載提供電能，如圖6所示。

圖5 UPS供電系統(tǒng)

圖6 EPS供電系統(tǒng)

從以上供電系統(tǒng)圖可以看出，UPS是一種雙變換結(jié)構(gòu)的不間斷電源，主要為負(fù)載提供穩(wěn)定的高質(zhì)量電能，不受市電電網(wǎng)的影響，而且其轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在10ms以內(nèi)，所以，UPS被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、醫(yī)療設(shè)備及精密電子儀器等不能中斷供電的場(chǎng)所。但正因?yàn)閁PS不僅擔(dān)負(fù)著應(yīng)急供電外，還擔(dān)負(fù)著改善電力品質(zhì)的任務(wù)，所以其逆變器要連續(xù)不斷地工作，使用壽命相對(duì)較短，一般為5～8年，尤其是電池的更換較為頻繁。另一方面，UPS的逆變器長(zhǎng)期處于工作中，自身的損耗較大，而且對(duì)使用環(huán)境要求很高，只能放在計(jì)算機(jī)房或空調(diào)房間里。

UPS專為IT行業(yè)的計(jì)算機(jī)類和通訊類負(fù)載而設(shè)計(jì)，其負(fù)載適應(yīng)能力不及EPS，舉例說明，如果應(yīng)急供電場(chǎng)合含有交流感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)一類的感性負(fù)載，那么在UPS的設(shè)計(jì)選型和使用中就會(huì)出現(xiàn)很大問題。由于交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流通常是其額定電流的5～7倍，而UPS的過載能力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：過載125％時(shí)，A類為10min，B類為1min，C類為30s；過載150％時(shí)10s。如果想要UPS能承受電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的沖擊能力，勢(shì)必要增大UPS的額定容量，這無疑將加大投資，還未必能徹底解決問題。因此，選用UPS作為應(yīng)急電源，工作既不可靠，還得花費(fèi)大量資金。

3 UPS/EPS的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 UPS的控制技術(shù)

中小型UPS的AC／DC和DC／AC變換大多數(shù)仍采用模擬控制電路，AC／DC變換器的控制芯片大多數(shù)已集成化，使用簡(jiǎn)單，工作可靠。DC／AC變換器的控制有兩種基本方式，一種是單閉環(huán)控制，另一種是雙閉環(huán)控制。前者控制電路簡(jiǎn)單，但難于實(shí)現(xiàn)輸出端短路自動(dòng)恢復(fù)。后者控制有電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器的輸出為電流調(diào)節(jié)器的給定，因此，限制電流給定幅值也就限制了逆變器的最大輸出電流。

當(dāng)前，數(shù)字控制已成為新型UPS控制技術(shù)發(fā)展的主流，數(shù)字控制器具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的檢測(cè)、故障診斷和隔離，易于實(shí)現(xiàn)遙控遙測(cè)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)UPS的并聯(lián)和熱插拔，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的監(jiān)控和管理。也就是說，計(jì)算機(jī)的介入使UPS具備了智能化，可以使其運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。

3.1.1 DSP的應(yīng)用

采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的數(shù)字PWM技術(shù)，是數(shù)字控制技術(shù)的核心，用于保證UPS輸出電壓的質(zhì)量，即保證輸出電壓、頻率和輸出電壓波形滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。數(shù)字控制的另一個(gè)重要功能是實(shí)現(xiàn)UPS的初始自檢和運(yùn)行自檢，進(jìn)行故障保護(hù)和故障隔離，這是模擬控制器無法勝任的。由于數(shù)字控制器的靈活性，使UPS控制器的硬件電路可以標(biāo)準(zhǔn)化，從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)、使用和維修，也大大提高了工作可靠性。

3.1.2 控制電路的全微處理器化

UPS電路是由以下幾部分組成的：主電路、驅(qū)動(dòng)電路、監(jiān)控顯示及控制保護(hù)電路和通信界面電路。其中監(jiān)控、顯示及控制保護(hù)電路和通信界面電路，可以運(yùn)用數(shù)字化設(shè)計(jì)技巧簡(jiǎn)化其電路，并解決原類比電路需要調(diào)整、具有溫漂及參數(shù)調(diào)整不易的缺欠。采用的方法是：

1）全微處理器化利用微處理器來執(zhí)行監(jiān)控、顯示及控制保護(hù)電路和通信界面電路的功能；

2）半微處理器化利用類比電路處理快速反饋保護(hù)電路，而由處理器處理慢速反饋、報(bào)警、顯示及通信界面的功能。

3.2 蓄電池技術(shù)

蓄電池是UPS的心臟，不管UPS電路多么先進(jìn)，其性能最終取決于它的電池，一旦電池失效，再好的UPS也無法提供不間斷供電。

目前，UPS一般都使用免維護(hù)密封鉛酸蓄電池，由于采用陰極吸收式密封技術(shù)，克服了普通蓄電池需要定期補(bǔ)水的缺點(diǎn)，具有“免維護(hù)”、使用方便、不污染環(huán)境、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。它使用高氫過電位的板柵材料，減少了電池在存放和充電過程中的氣體分解。正極表面的超細(xì)玻璃纖維膜，阻止了活性物質(zhì)脫落，提高了電池的壽命。安全閥的使用使蓄電池很少產(chǎn)生氣體，又可使已產(chǎn)生的氧氣被負(fù)極鉛所吸收，使蓄電池?zé)o水的損失，達(dá)到了密封免維護(hù)的目的。