【摘要] UPS是一种以整流器、充电器、电池组、逆变器、监控器等装置组成的、能够为电气负载提供恒压恒频电源的储能设备。它是保障电力供应和优化配电质量的有效手段，并逐渐发展成为质量稳定、性能可靠的自动化局部供电中心。目前，采用多组UPS冗余并联和在线维护(热插拔)技术，大大增强了电源的可靠性。蓄电池是UPS的心脏，必须对蓄电池长期跟踪测试。优化充、放电方法，实行状态管理。

不间断电源系统UPS(Uninterruptible PowerSystem )，是 种以整流器、充电器、电池组、逆变器、监控器等装置组成的、能够为电气负载提供恒压恒频电源的储能设备。UPS作为保障电力供应和优化配电质量的有效手段，已经得到了广泛的应用，并逐渐发展成为质量稳定、性能可靠的自动化局部供电中心。

1 UPS的工作原理

UPS按其设计原理与工作方式可分为在线式UPS、离线式UPS 和在线互动式UPS。

1.1 在线式UPS不论市电是否正常，它都一直按照“市电输入 整流一逆变 输出”的顺序进行，即由逆变器提供电源，同时对蓄电池组进行充电。只有在逆变器过载或故障时才改由旁路(市电)输出，其工作原理如图1所示。

在线式UPS 的逆变器通常与用电设备同时运行，在供电状态下可以改善电能质量并防止因电压、收稿日期：2005—11一l8频率波动对负载产生干扰，从而避免负载遭到低品质电力的侵害。一旦市电中断，UPS中的逆变器能够直接利用机内蓄电池组所提供的电能来维持负载的正常运转，供电转换时间近似为O，真正实现了不间断供电。因此，对重要用电负载采用在线式UPS供电方式是非常必要的。但是，由于在线式UPS的逆变器和电池组长期处于工作状态中，使用寿命相对较短，设备更换也较为频繁，所以该类UPS尽管供电质量高，但综合造价都比较昂贵。

图1 在线式UPS供电系统

1.2 离线式UPS亦称为后备式UPS，正常供电时，市电通过开关s输出给负载，同时通过充电器把电能转变为化学能储存在蓄电池内。一旦电力中断或市电输入电压、频率超出UPS的允许范围，就可以通过高速继电器在极短的时间内开启自身的储备电源，经逆变器向负载提供电能，其工作原理如图2所示。

图2 离线式UPS供电系统

离线式UPS的特点是设备转换效率高，系统易于维护，因此价格相对比较低廉，受到了大多数用户的青睐，并在此基础上又发展出EPS(事故应急电源系统)技术。

1.3 在线互动式UPS结合了在线式UPS供电质量高和离线式UPS设备效率高的特点，可以根据负载的具体条件确定供电方式，其工作原理如图3所示。

图3 在线互动式UPS供电系统

2 UPS技术的应用

公共电网连接着成千上万各种各样的负载，其中带有感性、容性、开关电源等特性的用电负载不仅从电网中获得电能，还会反过来对电网本身造成影响，造成市电电压波形畸变或频率漂移，恶化公共电网的供电品质。此外，意外发生的自然和人为事故，如地震、雷击、发电机工作状态不稳定、输变电系统断路或短路等，都会危害到电力的正常供应，从而影响负载的正常工作。电网中经常发生并对负载工作产生干扰或破坏的故障主要有电涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、线路噪声、频率偏移、持续低电压、市电中断等。

为了有效防止电网故障对国民经济造成损失，UPS技术应运而生，并随着现代电力电子科技的进步不断推陈出新，逐渐发展成为以高度可靠、性能齐全、高度智能化为主要特点的局部供电中心。一般来说，UPS具备以下技术特性，以确保用电负载的正常工作：

(1)可靠性高，设备检修和维护方便。

(2)抗干扰性高，能够主动适应不同品质的电源和负载。

(3)设备具有防雷击及抗浪涌的功能。

(4)系统过载能力强，可以承受比较大的瞬态冲击电流。

(5)具备智能化监控功能，实现系统自动调节和自我保护。

3 UPS设备维护

3.1 UPS的冗余技术和在线维护(热插拔)

早期的UPS电源采用主备方式，其备用电源的容量和主电源相同，造成电源成本增加，而且在主备转换时还会造成电能中断。目前蓄电池组和开关整流器的并联及热插拔(Ⅳ+l冗余供电方式)已经取代主备方式，成为UPS电源的基本运行方式，使得电源的可靠性能大幅度提高。Ⅳ+1冗余供电方式不仅降低了电源的成本，并且保证了供电过程不中断。这种冗余供电方式的实质是通过并联平行操作的电源模块提供分布式电源，所有的模块并联运行并平均负担当前的负载，电源阵列比额定容量多配置1个功率模块，当1个模块出现故障时，特设的电路将故障模块从负载上断开，其他模块将立即支持所有负载，使其连续不问断地供电。替换模块后，UPS的控制电路和蓄电池仍然可以在线运行。这种灵活的模块化设计，使用户可以自行堆叠电池模块，以增加UPS的输出功率，延长供电时间，大大增强了电源的可靠性。

多组UPS冗余并联和热插拔技术的原理大体一致，但实现起来要比单台UPs复杂得多，这是因为交流电的变量比直流电要多，有相序、频率、相位、电压幅值和波形等5个变量，其中任意一个与市电电源不一致，都不能使UPS组投入电网。在投入电网后还必须不断地检测各台UPS输出的有功功率和无功功率，通过调节电压和相位等变量实现各UPS输出有功功率和无功功率的平均分配。

由此可见，UPS的并联和热插拔技术有3个要求：一是能够正常工作的UPS可以自动投入电网;二是并联运行的UPS之间有功功率和无功功率的均匀分l配;三是在不干扰电网的情况下快速切除故障UPS，实现系统的快速维护。

3.2 UPS蓄电池的检测和维护

蓄电池是UPS的心脏，不管UPS电路多么先进，其性能最终取决于它的电池，蓄电池的稳定性和在放电过程中能够提供给负载的实际容量对确保电力设备的安全运行具有十分重要的意义。

目前，国内的UPS一般采用阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)。实践证明，VRLA端电压与放电能力无相关性，VRLA和电池组在运行过程中，随着使用时间的增加必然会有个别或部分电池因内阻变大，呈退行性老化现象。整组电池的容量值并不是以平均值或额定值(初始值)为准，而是以状况最差的电池容量为准。当电池的实际容量下降到其本身额定容量的90% 以下时，电池便进入了衰退期，当电池容量下降到原来的80%以下时，电池便进入急剧衰退时期。由于衰退期很短，这时电池组已存在极大的事故隐患。

蓄电池的寿命主要取决于电池的充放电次数，随着充放电次数的增加，蓄电池的内阻增大，放电能力减少，当达到一定程度时，这种变化会急剧加快，造成电池老化失效。因此，对蓄电池进行长期跟踪测试，优化电池充、放电方法，并实行状态管理非常必要。目前蓄电池组充电一般采用的ABM(AdvflncedBattery Management)3阶段电池管理方案，将充、放电分成3个阶段：(1)恒流均衡充电，将电池容量充到90% ;(2)浮充充电，将电池容量充到100%，然后停止充电;(3)自然放电，在这个阶段里，电池利用自身的漏电流放电。一直到规定的电压下限，再重复上述的3个阶段。这种方式改变了以前充满电后，电池仍然处于不问断浮充的状态，有效延长了蓄电池的使用寿命。

4 UPS与EPS的比较

EPS技术是在UPS不断应用过程中迅猛发展起来的一个新兴产业，并随着现代社会对电力能源的依赖性不断增加，已经被广泛应用于建筑电气领域和有应急供电要求的特殊场合，以确保在发生电力事故的情况下提供必需的应急电力，有效降低因为断电而造成的损失，为人们生产和生活提供安全保障。因此，EPS也被称为“城市生命线系统”。EPS与发展相对成熟的UPS比较，两者的技术特点既有相同点，也有不同点。

4.1 相同点

UPS和EPS均采用了IGBT逆变技术和脉宽调制(PWM)技术，并且都具备在市电中断或故障的情况下继续向负载提供电源的功能。从工作原理来分析，EPS近似于离线式UPS，但更加重视系统的安全性、可靠性、适用性及合理性。

4.2 不同点

4.2.1 UPS除了提供不问断供电外，比较注重于改善供电质量，因此通常是选择逆变优先;而EPS则主要保证市电故障时的应急供电，以防范重大灾难事故为主要目的，比较注重节能，因此是选择市电优先。所以两者在工作原理和实际应用中各有侧重，在设备的整流/充电器以及逆变器的设计指标上也各有差异。

4.2.2 两者适用的安全规范明显不同。目前我国EPS的发展主要起源于电网突发故障时为确保电力保障和消防联动的需要，能够即时提供逃生照明和消防应急，保护用户的生命或身体免受伤害，并尽量减少经济损失。所以EPS要求具备消防联动以及远程监测和控制等功能，其产品技术要求接受公安部消防认证监督，安装完成后必须通过现场消防验收。而UPS主要用来保护用户的设备或业务免受经济损失，一般以用户自行监控为主，其产品技术仅要求接受信息产业部认证。

4.2.3 两者的安装和维护要求不同。由于EPS均为离线式使用，作为负载的最后一道供电保障，其可靠性的设计要求更高，不可以简单地理解为后备式UPS。如果EPS在市电故障时，不能通过蓄电池应急供电，则EPS如同虚设，造成的后果将不堪设想。因此EPS在设计、施工、验收和维护等各个环节都有着更加严格的技术要求。