隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對供電系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）的應(yīng)用場合不斷增多。目前UPS系統(tǒng)種類和功能繁多，特定的場合需要哪種類型和配置的UPS系統(tǒng)被廣泛關(guān)注；選定UPS系統(tǒng)后如何評估UPS系統(tǒng)性能也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文從選型和性能評估兩個(gè)方面展開論述。

1 UPS系統(tǒng)選型

1.1 選擇UPS系統(tǒng)考慮的因素和步驟

選擇特定類型和配置的UPS系統(tǒng)取決于以下幾個(gè)因素：①功率要求；②功率因數(shù)；③成本；④尺寸和重量；⑤電網(wǎng)環(huán)境；⑥可靠性；⑦保護(hù)；⑧電能質(zhì)量要求等級；⑨電池組的大小。

選擇UPS系統(tǒng)的過程包括7個(gè)步驟：①確定UPS系統(tǒng)的需求；②計(jì)算UPS系統(tǒng)的功率；③選擇UPS系統(tǒng)的類型；④選擇UPS系統(tǒng)的配置；⑤UPS系統(tǒng)的安全性；⑥UPS系統(tǒng)的可用性；⑦UPS系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。圖1為UPS系統(tǒng)的選擇流程圖。

圖1 UPS系統(tǒng)選擇流程圖

1.2 確定UPS系統(tǒng)的需求

UPS系統(tǒng)的選擇在很大程度上取決于系統(tǒng)的應(yīng)用場合。應(yīng)用在醫(yī)療、軍事、民航、通信等場合的重要設(shè)備不容許有任何供電中斷的情況出現(xiàn)，此時(shí)就需要UPS系統(tǒng)提供不間斷的電源直到公共電網(wǎng)恢復(fù)供電。對各類數(shù)據(jù)中心而言，在整個(gè)設(shè)備掉電前UPS系統(tǒng)必須提供短時(shí)間的電源以供數(shù)據(jù)設(shè)備進(jìn)行備份等操作。電力公司的商業(yè)停電歷史記錄可以更好地提供有關(guān)UPS系統(tǒng)選擇的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.3 計(jì)算UPS系統(tǒng)的功率

需要諸如負(fù)載容量、功率因數(shù)、浪涌電流、負(fù)載電壓、相數(shù)和頻率以及備用時(shí)間的規(guī)范來確定UPS系統(tǒng)的大小。對于單相系統(tǒng)，負(fù)載容量可以計(jì)算為(UI)/1000；對于三相系統(tǒng)，負(fù)載容量可以計(jì)算為(1.73UI)/1000。負(fù)載功率因數(shù)應(yīng)在0.7～1的范圍內(nèi)，具體取決于負(fù)載的性質(zhì)。電池大小取決于負(fù)載大小和負(fù)載安全關(guān)閉所需的持續(xù)時(shí)間，電池容量隨著放電速率的增加而降低，因此電池容量決定了電池尺寸的大小。

1.4 選擇UPS系統(tǒng)的類型

UPS系統(tǒng)類型的選擇取決于系統(tǒng)的電源質(zhì)量、保護(hù)、效率、體積大小和重量。不同類型的UPS系統(tǒng)有著不同的特點(diǎn)。表1給出了不同類型的UPS系統(tǒng)的特征。

表1 不同類型UPS系統(tǒng)的特征

1.5 選擇UPS系統(tǒng)的配置

保護(hù)等級和負(fù)載的功率決定了UPS系統(tǒng)的類型和配置?；谧儔浩鞯腢PS更適合大功率應(yīng)用，由于電流隔離，它們更適合在電網(wǎng)環(huán)境較差的情況下為更敏感的設(shè)備（如醫(yī)療設(shè)備和數(shù)據(jù)中心）提供保護(hù)。無變壓器UPS系統(tǒng)更便宜，尺寸更小，適用于低功率應(yīng)用，它們更適合在電網(wǎng)環(huán)境較好的情況下應(yīng)用。

復(fù)雜的控制系統(tǒng)會(huì)增加UPS系統(tǒng)的成本。因此，UPS系統(tǒng)的選擇取決于性能和成本之間的平衡，同時(shí)還要考慮到最適合環(huán)境等其他因素的可接受水平。表2展示了不同UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性。

表2 不同配置UPS系統(tǒng)特性

1.6 UPS系統(tǒng)的安全性

在選擇UPS系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該最重視安全性。為安全起見，必須遵循政府和商業(yè)機(jī)構(gòu)采用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。電池組的操作需要特別小心。

1.7 UPS系統(tǒng)的可用性

由于UPS系統(tǒng)需要在任何市電中斷的情況下提供不間斷電源，系統(tǒng)的可用性和可靠性顯得非常關(guān)鍵。UPS系統(tǒng)的可用性由式（1）定義

式 （1）

式中：AUPS為UPS系統(tǒng)的可用性；MTBF為平均無故障時(shí)間；MTTR為平均修復(fù)時(shí)間。通過并機(jī)引入冗余單元可以提高UPS系統(tǒng)的可靠性，其中每個(gè)單元能夠?yàn)楣餐呢?fù)載提供不間斷電源。

1.8 UPS系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

UPS系統(tǒng)的成本取決于系統(tǒng)的類型、配置、保護(hù)、備份時(shí)間和額外的附加功能。具有自動(dòng)監(jiān)控、快速切換和控制功能的大多數(shù)復(fù)雜系統(tǒng)需要額外的組件，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。成本分析只能在前6個(gè)步驟結(jié)束時(shí)完成。

2 UPS系統(tǒng)的性能評估

對于分析UPS系統(tǒng)的性能至關(guān)重要的參數(shù)包括輸入功率因數(shù)、輸出電壓的總諧波失真（total harmonic distortion, THD）、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間以及從公用電網(wǎng)模式到備用模式的傳輸時(shí)間，反之亦然。因此，建議UPS系統(tǒng)的性能指標(biāo)符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。表3顯示了由IEEE標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE 446—1995定義的3相UPS系統(tǒng)性能規(guī)格。

表3 3相UPS系統(tǒng)性能規(guī)格

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了2kV的在線式UPS系統(tǒng)，對本文提出的性能評估參數(shù)進(jìn)行了建模仿真，分別給出了輸入電壓、線性和非線性負(fù)載、變化的負(fù)載、輸出電壓動(dòng)態(tài)偏差和狀態(tài)切換的電壓電流波形，通過仿真結(jié)果對輸出結(jié)果進(jìn)行分析。圖2為輸入的電壓和電流波形。

圖2 輸入電壓和輸入電流波形

輸入電流和輸入電壓相位幾乎一致，使THD最小，根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE 446—1995，在額定負(fù)載下最小功率因數(shù)為0.8，并且對于輸入整流器諧波含量小于5%的UPS系統(tǒng)是優(yōu)選的。

UPS系統(tǒng)逆變器的輸出電壓和電流應(yīng)調(diào)節(jié)好，非線性和非平衡負(fù)載的THD小于5%。此外，逆變器應(yīng)對負(fù)載的突然變化表現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)。

圖3為UPS系統(tǒng)逆變器的輸出電壓和電流，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，線性和非線性負(fù)載的THD小于3%（IEEE標(biāo)準(zhǔn)4%，每個(gè)諧波3%）。

圖3 UPS逆變器的輸出電壓、電流波形

圖4為逆變器分別對負(fù)載從0變化到100%和負(fù)載從100%變化到0的階躍響應(yīng)。圖5為用于添加和去除變化線性負(fù)載的輸出電壓的動(dòng)態(tài)偏差?？刂破鞯膭?dòng)態(tài)特性不應(yīng)超過IEC 62040-3—1999標(biāo)準(zhǔn)的分類1，輸出電壓變化5%。

從電網(wǎng)模式到備用供電模式的傳輸時(shí)間對于評估UPS系統(tǒng)的性能非常重要。在線UPS系統(tǒng)的傳輸時(shí)間可忽略不計(jì)，而在線交互式和離線UPS系統(tǒng)在UPS運(yùn)行模式的變化期間有切換時(shí)間。

圖4 UPS逆變器對負(fù)載變化的階躍響應(yīng)

圖5 輸出電壓的動(dòng)態(tài)偏差

圖6和圖7分別為從電網(wǎng)模式到備用模式和從備用模式到電網(wǎng)模式的階躍變化的波形。仿真表明，電網(wǎng)狀態(tài)的變化對UPS輸出狀態(tài)無影響，實(shí)現(xiàn)了無縫切換，并且切換時(shí)間實(shí)現(xiàn)了ms級。

圖6 電網(wǎng)模式到備用模式的電壓和電流波形

圖7 備用模式到電網(wǎng)模式的電壓和電流波形

3 結(jié)論

本文根據(jù)UPS系統(tǒng)應(yīng)用場合介紹了選擇UPS系統(tǒng)的7個(gè)步驟，從功率因數(shù)、成本、尺寸和重量、電網(wǎng)環(huán)境、可靠性、保護(hù)、電能質(zhì)量、電池組的大小等方面詳細(xì)闡述了UPS系統(tǒng)選型的要求；從輸入功率因數(shù)、輸出電壓的THD、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間以及從公用電網(wǎng)模式到備用模式的傳輸時(shí)間分析了UPS系統(tǒng)的性能要求。

仿真結(jié)果表明，功率因數(shù)、輸出電壓THD、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和電網(wǎng)狀態(tài)切換時(shí)間等參數(shù)能真實(shí)地反映UPS系統(tǒng)運(yùn)行性能。