新一代UPS的技術(shù)動向 （下）
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
（接上）
現(xiàn)代概念的UPS強調(diào)的不僅僅是對其保護的負載提供純正的正弦電壓，而且越來越注重對公共電網(wǎng)的環(huán)境保護意識，尤其是中大功率的UPS，在諧波污染、無功損耗等方面對電網(wǎng)的影響更加突出，這方面有著嚴(yán)格的指標(biāo)要求。
傳統(tǒng)的UPS整流器、充電器大多采用晶閘管相控整流電路外加輸入側(cè)的無源濾波器，最高可使輸入功率因數(shù)提高到0.9，電流諧波THD＜5%，再想提高輸入功率因數(shù)、降低諧波含量其濾波器的體積和成本難以令人接受。因此，對中大功率的三相UPS可以在其網(wǎng)側(cè)設(shè)置由電力電子電路構(gòu)成的有源濾波器來吸收諧波和無功進行補償。近年來，12脈波整流器在中大功率的三相UPS中得到較多的采用。通過多相整流及其變壓器的作用，在無輸入濾波器的情況下可以使網(wǎng)側(cè)電流THD＜9%，輸入功率因數(shù)提高到0.92左右。但是，系統(tǒng)的成本比較高、體積比較大，控制也比較復(fù)雜。
解決UPS整流器無功問題的另一個措施是采用不可控整流電路外加直流側(cè)電容濾波。這種電路的網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)可達到0.99以上，同時也省掉了繁雜的可控整流電路的控制驅(qū)動部分。但是，網(wǎng)側(cè)的諧波卻
要使UPS整流器對電網(wǎng)的影響小，最好采用高頻整流技術(shù)。高頻整流器通過高頻PWM控制，可使輸入電流與輸入電壓同相位，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1；又由于高頻化，網(wǎng)側(cè)只需要高頻濾波器，該濾波器的體積可以非常小，只要載波的頻率足夠高，就可以利用線路雜散電感和很小的電容進行濾波，實現(xiàn)輸入電流正弦化。當(dāng)然，在UPS中采用高頻整流器也不是十全十美，直流電壓高出電網(wǎng)電壓的峰值，要么增加蓄電池串聯(lián)數(shù)量，結(jié)果使故障率增高；要么采用降壓變壓器，結(jié)果使整機的效率降低，而且采用高頻整流器的技術(shù)難度比高頻逆變器的技術(shù)難度要高，控制不當(dāng)極易造成器件的損壞，但無論如何，采用高頻整流器將成為今后UPS整流器的主要發(fā)展方向之一，高頻整流器的一些性能指標(biāo)將會得到改進與提高。
此外，在UPS結(jié)構(gòu)上進行改進，避免傳統(tǒng)的整流加逆變的串級級聯(lián)模式，也可以克服功率龐大的相控整流器對電網(wǎng)的干擾和影響，甚至可以對電網(wǎng)起到一定的調(diào)節(jié)作用。例如，曾經(jīng)一度被冷落的三端口式UPS若采用PWM高頻變換器技術(shù)，既可以實現(xiàn)輸入電流的正弦化和輸出電壓的穩(wěn)壓作用，又對電網(wǎng)的諧波干擾非常小，系統(tǒng)的運行效率也很高，只是在穩(wěn)定輸出交流電壓的前提下對功率因數(shù)進行校正比較困難。采用類似于電力潮流控制器的串聯(lián)功率變換器加并聯(lián)功率變換器結(jié)構(gòu)的UPS，在降低對電網(wǎng)干擾方面既可以實現(xiàn)輸入電流的正弦化又可以使輸入功率因數(shù)為1或為所需的任意值，系統(tǒng)運行效率也較高，此種UPS接入電網(wǎng)不僅不會造成電網(wǎng)的無功電流的增加，而且還可以適量地對電網(wǎng)無功進行調(diào)節(jié)。但是這兩種結(jié)構(gòu)的UPS都存在固有的不足，即一旦電網(wǎng)頻率超出UPS輸出頻率指標(biāo)要求范圍就只有進入蓄電池供電的逆變運行狀態(tài)。
總之，在降低對電網(wǎng)的干擾影響方面可采取的技術(shù)措施和電路結(jié)構(gòu)種類比較多，其中對于小功率的UPS主要采用PFC整流器和高頻PWM整流器及其相應(yīng)的控制技術(shù)，對于大中功率的UPS采用高頻PWM整流器尚有開關(guān)損耗不易解決的問題，采用串聯(lián)功率變換器加并聯(lián)功率變換器結(jié)構(gòu)則比較適合于三相大功率UPS，具有較廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。
4.新一代UPS
4.1全數(shù)字化的UPS
功率MOSFET及IGBT的問世為UPS開拓出一條光輝燦爛之路，使UPS技術(shù)步入嶄新的時代——全數(shù)字化時代。
首先，UPS的輸入部分取消了用于與市電隔離的工頻變壓器或為降壓用的自耦變壓器,而采用SPWM技術(shù)實現(xiàn)整流高頻化（AC/DC）。一方面減少直流側(cè)濾波器尺寸，改善直流側(cè)調(diào)節(jié)性能,提高市電電壓允許變化范圍；另一方面在控制技術(shù)中采用數(shù)字信號處理器DSP （DIGITAL SIGNAL PROCESSOR）控制，使輸入電流正弦化，并與市電電壓同相，從而實現(xiàn)UPS高輸入功率因數(shù)（PF≈1），消除對市電的諧波“污染”，達到環(huán)保目的，大幅度減少無功損耗，明顯降低了運行成本。
其次，取消了UPS逆變器中的工頻變壓器，用高頻變壓器來實現(xiàn)UPS與市電的隔離，而UPS的輸出級采用SPWM變換方式(不用變壓器直接逆變)輸出工頻電壓。逆變器中的功率MOSFET或IGBT工作頻率在20KHZ以上，因此輸出濾波器小而簡單，而且輸出的正弦波非常光滑。
對于UPS內(nèi)部的蓄電池組采取高頻變換降壓方式（DC/DC）充電，當(dāng)市電停電，UPS轉(zhuǎn)換為由蓄電池給逆變器供電時亦采取高頻變換降壓方式（DC/DC）實現(xiàn)。
在逆變器控制電路中采用正弦波直接反饋技術(shù)，使其調(diào)節(jié)高速化，遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)式模擬反饋技術(shù)，再加上小的輸出濾波器和20KHZ以上的SPWM調(diào)制，使UPS動態(tài)響應(yīng)特性非常好。在逆變器保護電路中采用性能優(yōu)良的過流保護技術(shù)，使逆變器不僅具有較強的過載能力，允許100％負載不平衡（指三相逆變器），而且具有強有力的自身保護。也正是在上述條件保證下，拋棄了傳統(tǒng)式逆變器輸出變壓器，不僅噪音低而且效率高。全數(shù)字化UPS是新一代UPS，它除具有高質(zhì)量、高可靠、高指標(biāo)、多功能等特點。
4.2智能化UPS
UPS的智能化包括系統(tǒng)運行狀態(tài)自動識別和控制、系統(tǒng)故障自診斷、蓄電池自動監(jiān)測管理、智能化內(nèi)部信息檢測與顯示等。UPS的異地遠程監(jiān)控包括系統(tǒng)專用遠程監(jiān)控控制盤、RS232/485通信口與監(jiān)控PC機間的交互控制、將UPS系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)交互控制等。
UPS的智能化主要是通過系統(tǒng)的控制軟件實現(xiàn)的。在系統(tǒng)運行狀態(tài)識別與控制方面，通過內(nèi)部傳感器和狀態(tài)邏輯及時識別系統(tǒng)所處的運行狀態(tài)，判定系統(tǒng)運行程序和運行是否正常，主要包括以下幾個方面：
4.2.1根據(jù)負載被切換到旁路的時間和次數(shù)以及切換時的輸入輸出參數(shù)等判定系統(tǒng)的運行模式即旁路運行還是主機運行、充電運行還是放電運行等。
4.2.2根據(jù)系統(tǒng)運行的狀態(tài)參數(shù)識別外部指令，決定執(zhí)行外部指令的方式，包括系統(tǒng)功能和運行參數(shù)的調(diào)整。
4.2.3快速準(zhǔn)確的判定系統(tǒng)的故障狀態(tài)并采取相應(yīng)的故障處理措施，如封閉功率變換器、輸出故障參數(shù)報警等。
4.2.4歷史事件的記錄并根據(jù)歷史記錄和當(dāng)前運行參數(shù)預(yù)測蓄電池的后備時間等。
4.2.5智能化的人機對話控制操作面板包括圖形顯示等。
4.2.6并機系統(tǒng)的熱待機到帶載運行的自動判定與轉(zhuǎn)換。所有這些都簡化了外部操作程序，有效的防止了系統(tǒng)的誤操作對系統(tǒng)自身和負載所帶來的危害，提高了UPS的可靠性。UPS的智能化的另一個方面是通過運行于PC機內(nèi)的監(jiān)控軟件實現(xiàn)的。通過RS232C等接口將UPS與PC機串口連接，并在PC機上運行相關(guān)平臺的UPS監(jiān)控軟件，由PC機定時發(fā)送查詢指令，UPS則在規(guī)定的時間內(nèi)返回運行參數(shù)信息。由PC機進一步對UPS的運行狀態(tài)、故障的具體部位等進行判斷，并在必要時對UPS發(fā)出指令進行運行干預(yù)和提醒現(xiàn)場維護人員。
4.3UPS網(wǎng)絡(luò)化
在計算機網(wǎng)絡(luò)及通信事業(yè)迅猛發(fā)展的推動下，當(dāng)今的UPS已在大量引進微處理監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成為一種能在UPS和計算機網(wǎng)絡(luò)之間建立起雙向通信調(diào)控管理功能。UPS的網(wǎng)絡(luò)化有兩方面的含義。一是UPS及其監(jiān)控系統(tǒng)與其所保護的負載——計算機或局域網(wǎng)絡(luò)間的交互作用。當(dāng)電源出現(xiàn)異常時，UPS內(nèi)部的微控制器會及時把異常信息發(fā)送給它所保護的計算機或局域網(wǎng)，并由監(jiān)控軟件在相應(yīng)計算機上發(fā)出告警信息，提醒操作員或網(wǎng)絡(luò)管理員及時處理，并在UPS供電時間結(jié)束前自動中止計算機或局域網(wǎng)的運行，并將現(xiàn)場信息自動存盤，通過MODEM向有關(guān)人員發(fā)出EMAIL、BP-CALL等。在這個意義上UPS是其保護的網(wǎng)絡(luò)的一個接點。另一方面的含義是把UPS當(dāng)作廣域網(wǎng)絡(luò)的一個獨立節(jié)點并裝上通訊適配器，給UPS分配獨立的IP地址。這樣，網(wǎng)管員或被授權(quán)人可在網(wǎng)絡(luò)的任何地方通過網(wǎng)絡(luò)象管理計算機一樣對UPS的情況進行實時遠程監(jiān)控，利用這種控制功能用戶可在計算機網(wǎng)絡(luò)終端上實時監(jiān)控UPS的運行參數(shù)（例如：輸入、輸出的電壓、電流和頻率，UPS電池組的充電、放電和電壓值顯示，UPS的輸出功率及有關(guān)的故障、報警信息）。此外，用戶還可在計算機網(wǎng)絡(luò)終端上對UPS的輸出執(zhí)行定時的自動開機、自動關(guān)機操作。在自動完成將程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入磁盤操作之后，再自動“關(guān)閉操作系統(tǒng)”。這樣有序的關(guān)機操作，將確保用戶的軟件和數(shù)據(jù)的安全可靠?！?BR>
UPS生產(chǎn)廠家也可以直接通過網(wǎng)絡(luò)了解分布在世界各地的UPS的運行情況，便于向用戶提供系統(tǒng)診斷和維修等的售后服務(wù)，提高了服務(wù)的快速性和準(zhǔn)確性。為實現(xiàn)上述控制功能，在目前市售的先進的UPS上可向用戶提供RS232，DB9、RS485通信接口。對于要求能執(zhí)行計算機網(wǎng)控管理功能的UPS來說，還應(yīng)配置簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 SNMP （SINGLE NETWORK MANAGEMENT PROTOCOL）卡，才能配套運行。
5.結(jié)語
UPS使用MOSFET及IGBT功率元件，使其走向高頻化、小型化、高效率，也延長了蓄電池的壽命；采用冗余技術(shù)，進一步增強了UPS的容量和可靠性，而網(wǎng)絡(luò)智能化UPS技術(shù)不僅提供完全可靠的網(wǎng)絡(luò)電源管理，也為節(jié)能提供了一
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