當前不間斷電源的幾種類型分析及蓄電池的選取

摘 要：UPS，全稱為Uninterruptible Power System，即不間斷電源。是一種利用電池或者飛輪儲存能量的能量儲存裝置。它的主要作用是，當出現(xiàn)常見的電力傳輸干擾時，UPS能起到穩(wěn)壓的作用，消除電力傳輸中存在的如瞬時高壓，瞬時低壓，頻率偏移等現(xiàn)象，使得用電器得到高品質(zhì)供電，從而避免了因電網(wǎng)電壓波動所導致的對用電器的損壞。而當市電供應(yīng)中斷時，UPS作為電源，可以持續(xù)向用戶繼續(xù)供應(yīng)平穩(wěn)的電壓，幫助用戶渡過電力中斷階段，或者給與用戶一定時間，保存計算機數(shù)據(jù)以及安全關(guān)閉用電器?；谝陨献饔?，UPS被廣泛應(yīng)用于單體計算機，大型計算機網(wǎng)絡(luò)，精密儀器，以及通訊，造紙，發(fā)電，交通，醫(yī)療等行業(yè)。

關(guān)鍵詞：不間斷電源 幾種類型 分析 蓄電池 選取

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0105-02

1 不間斷電源簡述

早期的UPS利用大型旋轉(zhuǎn)的飛輪儲存能量，市電通過電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，而當市電供應(yīng)中斷時，旋轉(zhuǎn)的飛輪連接發(fā)電機則可以對用電器繼續(xù)供電。這種形式的UPS被稱為旋轉(zhuǎn)型UPS，它利用了電能-動能-電能的轉(zhuǎn)化。這是UPS較早的形式，它的缺點主要是設(shè)備龐大，以飛輪動能的形式儲存能量，能量密度低，同時飛輪旋轉(zhuǎn)能量耗損大，設(shè)備效率較低。隨著電池技術(shù)，電力電子技術(shù)的發(fā)展，蓄電池被應(yīng)用于UPS作為儲能裝置，這種類型的UPS被稱為靜止型UPS。它主要由蓄電池組、整流器、逆變器以及UPS監(jiān)控系統(tǒng)組成。本文將主要分析靜止型UPS不同類型的工作原理和特征以及蓄電池的選取。

2 不間斷電源的分類及特征

根據(jù)工作方式的不同，UPS可分為后備式、在線互動式以及在線式三種。

2.1 后備式（stand-by）

后備式UPS是設(shè)計最簡單，成本最低的不間斷電源，能對市電供應(yīng)中斷及短時電壓波動起保護作用，主要應(yīng)用于小型通訊設(shè)備或單體計算機，工作效率可達95%。該設(shè)備中整流器、蓄電池組以及逆變器與市電供應(yīng)并聯(lián)，當市電供應(yīng)中斷時，需要4～10 ms轉(zhuǎn)換開關(guān)閉合，由蓄電池組繼續(xù)為用戶供電。由于從供電中斷到開關(guān)閉合需要幾毫秒的轉(zhuǎn)換時間，因此此類UPS無法對極短時間內(nèi)的電壓干擾起保護作用。逆變器的功率應(yīng)與用戶用電器功率相一致，使用電器在市電供應(yīng)中斷時仍可正常工作。由于對蓄電池組進行充電的過程可在市電供應(yīng)正常時緩慢進行，所以整流器的功率可相對較低，從而達到節(jié)約設(shè)備成本的目的（如圖1）。

2.2 在線互動式（Line Interactive）

在線互動式UPS的工作原理和后備式UPS類似。市電供應(yīng)正常時，交流電經(jīng)整流器整流后變?yōu)橹绷麟娭苯庸?yīng)給直流用電器，電池同時被充電。而當市電供應(yīng)中斷時，蓄電池可繼續(xù)為直流用電器供電。此類型UPS的好處是，工作效率更高，可達95%～98%，同時轉(zhuǎn)換時間短，僅需2～4 ms。在線互動式UPS適用于單體計算機，較大型通訊設(shè)備，而對于高敏感儀器，尚不足以起到保護作用（如圖2）。

2.3 在線式（Online）

第三種類型的UPS被稱為在線式UPS。市電供應(yīng)正常時，交流電先通過整流器變?yōu)橹绷麟?，供電池充電，與此同時電池放出直流電，經(jīng)過逆變器供應(yīng)給用戶，電池處于持續(xù)充放電過程中。在線式UPS最大的缺點是，因整流器和逆變器在持續(xù)工作狀態(tài)下始終存在能量耗損，此類UPS工作效率較前兩類相比較低，可達90%，同時價格也是三類不間斷電源中最高的。由于此類UPS基本上可解決所有電力供應(yīng)時常伴隨而來的電壓波動，頻率偏移等問題，可使用戶在每一分每一秒都能得到極度安全平穩(wěn)的高品質(zhì)供電，因而常被應(yīng)用于大型服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信及造紙等工業(yè)領(lǐng)域（如圖3）。

3 蓄電池的選取

3.1 蓄電池對比及選取

靜止型UPS將電能以化學能的形式儲存在UPS的蓄電池組中，具有能量密度高，耗損小，設(shè)備穩(wěn)定等優(yōu)點。不同蓄電池的選取，對UPS的性能及價格有很大影響。表1中選取了幾種國際市場中重要的蓄電池進行對比。

由圖1所列數(shù)據(jù)不難看出，鋰離子電池因其高能量密度、更長的使用壽命以及更高的充放電效率而得到越來越多的關(guān)注，尤其適合作為電源應(yīng)用于可移動設(shè)備，如筆記本電腦，手機，插電式混合動力汽車等。但目前價格仍然十分昂貴，且充放電過程存在安全隱患。鎳氫電池技術(shù)成熟，但價格高、降價空間低且充放電效率低是制約其應(yīng)用于UPS的主要因素。鈉硫電池同樣作為高性能電池，其價格明顯低于鎳氫電池和鋰離子電池，與此同時此類電池還擁有較長的使用壽命。但工作溫度需達300 ℃以上，決定了其并不適合應(yīng)用在UPS設(shè)備中作為儲能裝置。與上述三種蓄電池相比，鉛酸電池因其低廉的價格和穩(wěn)定的性能而被廣泛應(yīng)用于UPS設(shè)備中。盡管鉛酸電池能量密度較低，但是十分適合應(yīng)用于固定設(shè)備中。同時多數(shù)UPS作為備用電源，并不需要大量全充放電循環(huán)次數(shù)。綜上所述，鉛酸電池以其低廉的價格和穩(wěn)定的性能作為主要優(yōu)勢，在UPS市場中占據(jù)主導地位。

3.2 鉛酸電池工作原理

鉛酸電池的正負極均由柵架和填充在上面的活性物質(zhì)構(gòu)成，正極板上是二氧化鉛，負極板上的活性物質(zhì)是金屬鉛，電解液為濃度30%的硫酸。放電時，負極板上的鉛和硫酸氫根離子作用生成硫酸鉛，氫離子和兩個電子，同時正極板上的二氧化鉛得到由負極產(chǎn)生，且流經(jīng)外電路的兩個電子，并和氫離子，硫酸氫根離子共同作用，生成硫酸鉛和水。正負極反應(yīng)方程式為：

負極：

正極：

總反應(yīng)式：

3.3 鉛酸電池的老化及維護

鉛酸電池的老化主要由以下幾個方面引起。首先是放電時兩極板上的鉛和二氧化鉛都分別反應(yīng)生成硫酸鉛

體積：1∶2.4

體積：1∶1.94

電池內(nèi)部體積膨脹產(chǎn)生機械形變，從而導致活性物質(zhì)脫落，電池老化。其次是放電過程中電池內(nèi)部硫酸化，產(chǎn)生了體積較大的硫酸鉛晶體，難以被溶解，電池容量損失。

在圖2中，假設(shè)灰色區(qū)域表示硫酸鉛晶體，由圖可以清晰看出當體積較小的硫酸鉛晶體與體積較大硫酸鉛晶體總體積相同時，表面積之比為2∶1。因此，充電時體積較小的硫酸鉛晶體更容易和反應(yīng)物接觸從而溶解，而體積較大的硫酸鉛晶體難以溶解，進而造成電池充放電不可逆，電池老化。上述為造成鉛酸電池老化的主要原因，除此之外，正極板被腐蝕以及伴隨電池充電同時發(fā)生的電解水反應(yīng)造成的水損失都會造成電池的老化。事實上，現(xiàn)在大多數(shù)UPS所采用的是閥控式免維護鉛酸電池，即在電池頂端加上一個可控制閥門，使得充電過程中正極因電解水而產(chǎn)生的氧氣不再直接排出電池，而是可以自由擴散到負極，和負極產(chǎn)生的氫氣作用再次生成水。這種閥控式免維護鉛酸電池極大的減少了電池充放電循環(huán)帶來的水損失，省去了對電池定期補水的維護。日常存放鉛酸電池應(yīng)盡量避免低電量存放，這樣會加速電池內(nèi)部硫酸化的過程，從而加速了電池老化。更應(yīng)避免在周圍環(huán)境溫度較低時對電池深度放電，這樣有可能會引起電解液結(jié)凍進而損壞電池。同時對閥控式免維護鉛酸電池也不應(yīng)過度充電，有可能引發(fā)的熱失控同樣會直接損毀電池。對于鉛酸電池來說，在定流定壓充電之后如能以小電流繼續(xù)充電對鉛酸電池是極為有益的。因為小電流能使電池內(nèi)部較大體積的硫酸鉛晶體再次溶解，進而恢復(fù)電池容量。對于存放多年或者已經(jīng)老化的鉛酸電池來說，采用小電流充電能重新喚起電池的活性。

4 結(jié)語

不間斷電源作為電力能源儲存裝置，被廣泛應(yīng)用于家庭，學校及工業(yè)領(lǐng)域。由于目前在市電供應(yīng)中存在的電壓波動，電力中斷，頻率偏移等現(xiàn)象仍無法避免，同時家庭用戶對市電供應(yīng)穩(wěn)定性以及工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω咂焚|(zhì)供電的需求都在不斷增加，使得不間斷電源擁有廣闊的應(yīng)用前景。未來隨著可再生能源發(fā)電比重的不斷提升以及傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的逐步轉(zhuǎn)變，不間斷電源還可作為電能儲存裝置對電網(wǎng)起到雙向調(diào)節(jié)作用，可以預(yù)見，不間斷電源具有廣闊的發(fā)展前景。

注釋

[1]數(shù)據(jù)來源： www.isea.rwth-aachen.de.