不間斷電源專利技術(shù)綜述

王亞麗 劉 俠

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450000）

1 不間斷電源的基本概念

電源供電的可靠性是保證整個(gè)硬件計(jì)算機(jī)及通信網(wǎng)絡(luò)正常安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，因而不間斷電源（UPS）通常是一些核心機(jī)房、數(shù)據(jù)中心等重要負(fù)荷必須考慮設(shè)計(jì)的問(wèn)題［1-2］。UPS（Uninterruptable Power System）是不間斷、不斷電電源的含義，其硬件電路通常包含有儲(chǔ)能裝置、整流裝置、逆變裝置、變壓部分、穩(wěn)壓部分和控制部分，共同實(shí)現(xiàn)為負(fù)載提供不斷電的電力供給［3-4］。UPS的工作過(guò)程主要是：當(dāng)市電正常接入時(shí)，由市電經(jīng)UPS給負(fù)荷供電，并且同時(shí)對(duì)UPS內(nèi)的儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電，該儲(chǔ)能設(shè)備優(yōu)選為電池，當(dāng)市電供電異常故障或中斷時(shí)，控制部分監(jiān)測(cè)該異常并實(shí)現(xiàn)電源的自動(dòng)切換，此時(shí)由UPS內(nèi)部的電池經(jīng)相應(yīng)的電力變換為負(fù)載供電，保證負(fù)載的不斷電正常運(yùn)行［5-6］。

UPS主要特性：高供電可靠性，UPS通常包括冗余的兩套供電系統(tǒng)，可分主、備用供電，而備用又可以分為冷備用和熱備用，這兩套系統(tǒng)通過(guò)切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)切換，該切換開(kāi)關(guān)可采用晶體管、固態(tài)切換開(kāi)關(guān)或靜態(tài)開(kāi)關(guān)等，開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間比較短，為負(fù)載提供了有力的供電［7］。高電能質(zhì)量，利用數(shù)字計(jì)算機(jī)控制和帶有功率因數(shù)校正（PFC）的升壓模塊輸出電能，能夠獲得較好的電壓質(zhì)量，并且采用石英晶體振蕩來(lái)控制逆變器的頻率，輸出頻率穩(wěn)定度高，電壓失真度較小。高供電效率，低損耗，UPS的逆變器采用脈寬調(diào)制技術(shù)，比如PWM、SVPWM等，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出，同時(shí)采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，器件自身?yè)p耗也比較少，供電效率可達(dá)到90%以上。發(fā)生故障的可能性小，維修比較容易，采用先進(jìn)的可控IGBT驅(qū)動(dòng)型SPWM技術(shù)，單機(jī)的年平均無(wú)故障工作時(shí)間超過(guò)20萬(wàn)h。

2 不間斷電源的技術(shù)發(fā)展路線

近年來(lái)，對(duì)不間斷電源技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；輸出波形、功率；運(yùn)行方式；功率器件；后備時(shí)間。UPS不間斷電源起源于美國(guó)，1903年第一臺(tái)艾默生UPS不間斷電源在美國(guó)洛杉磯問(wèn)世，我國(guó)第一臺(tái)生產(chǎn)的UPS不間斷電源在1978年下線，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，UPS電源慢慢在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展，至今有30多年的歷史。 通常我們把靜態(tài)UPS按照主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為后備式（后備式）、在線式、delta變換型和雙變換式。

1983年，美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮閁S19830548944A（申請(qǐng)日：1983年11月07日）中提出了后備式不間斷電源的主電路及其方案，在市電故障時(shí)，利用備用電池通過(guò)變壓器來(lái)提供直流輸出，實(shí)現(xiàn)備用供電，這是比較早的后備式不間斷電源。

1990年，英國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮镚B9005516A（申請(qǐng)日：1990年3月12日）中提出了在線式不間斷電源的主電路及其方案，在后備式不間斷電源的基礎(chǔ)上加入了在線逆變器，當(dāng)市電工作時(shí)，市電通過(guò)整流器和逆變器向負(fù)載供電，同時(shí)利用充電器對(duì)電池充電；當(dāng)市電故障時(shí)，電池通過(guò)直流變換和逆變器對(duì)負(fù)載供電，逆變器在線工作并引入脈沖寬度調(diào)制控制，提高了電能質(zhì)量。

1995年，德國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮镈E19546420A（申請(qǐng)日：1995年12月12日）提出了delta變換型不間斷電源的主電路及其方案，在在線不間斷電源的基礎(chǔ)上加入了主電路靜態(tài)開(kāi)關(guān)及旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)，市電可通過(guò)主電路和旁路向負(fù)載供電，同時(shí)由于補(bǔ)償變壓器和輸入濾波器的加入，使得其在供電質(zhì)量和可靠性上更有優(yōu)勢(shì)。

2000年，美國(guó)愛(ài)克賽公司在專利申請(qǐng)US200005633462A（申請(qǐng)日：2000年5月2日）中提出了帶功率因數(shù)校正的不間斷電源，即雙變換式不間斷電源，主電路通過(guò)加入開(kāi)關(guān)管使其具有功率因數(shù)校正的功能，提高了電源功率因數(shù)，消除電網(wǎng)諧波，易于實(shí)現(xiàn)UPS的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

3 不間斷電源技術(shù)重要申請(qǐng)人的技術(shù)路線

目前，國(guó)外一些重要的做UPS的電氣公司有：美國(guó)伊頓山特、艾默生、愛(ài)克賽、意大利雷諾士、先控、德國(guó)百納德、西門(mén)子、法國(guó)梅蘭日蘭、日本東芝和日立等。例如山特推出了在線式Castle系列的不間斷電源，該電源屬于雙變換在線式型，且通過(guò)數(shù)字化主動(dòng)式PFC使其在穩(wěn)壓輸出范圍、頻率范圍、輸入雜訊的濾除和市電模式與電池模式零轉(zhuǎn)換時(shí)間等方面有大幅度提高；西門(mén)子推出了在線式E系列的不間斷電源，該電源也屬于雙變換在線式型，采用雙變換技術(shù)，具有多機(jī)并聯(lián)功能，主要針對(duì)環(huán)境比較差的場(chǎng)合，能夠提高高質(zhì)量的電能質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)不間斷電源的發(fā)展稍晚于國(guó)外，其主要的UPS電氣公司有：廣東易事特電源股份有限公司、華為技術(shù)有限公司、廣東志成冠軍集團(tuán)有限公司、合肥陽(yáng)光電源和科華不間斷電源等。廣東易事特電源推出的智能高頻UPSEA900系列采用高頻逆變控制技術(shù)和DSP數(shù)字化控制技術(shù)，使不間斷電源更小型化；志成冠軍推出了CPTH系列高頻數(shù)字化不間斷電源，采用了PFC功能保證了電能質(zhì)量且使用了A+X完全并聯(lián)的方式進(jìn)行了擴(kuò)容，增強(qiáng)了可靠性。目前，國(guó)內(nèi)外不間斷電源技術(shù)朝著技術(shù)高頻化、冗余并聯(lián)化、數(shù)字化和智能網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。

技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新來(lái)源于專利，有關(guān)不間斷電源的專利也不斷增加。其中，重要的申請(qǐng)人伊頓山特的申請(qǐng)量有190篇：US4751606A（申請(qǐng)日：1987年2月22日）給出了簡(jiǎn)單的帶固態(tài)開(kāi)關(guān)的電池后備的不間斷電源拓?fù)洌浑S著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)電能質(zhì)量的要求，US6069412A（申請(qǐng)日：1993年3月29日）給出了進(jìn)行功率因數(shù)校正的不間斷電源；US5745356A（申請(qǐng)日：1996年 6月 25日）和US6396170B1(申請(qǐng)日：2000年3月29日)給出了有關(guān)不間斷電源并聯(lián)冗余技術(shù)；US2002122322A1（申請(qǐng)日：2001年3月2日）、US2004085785A1（申請(qǐng)日：2002年11月1日）、US2004148547A1（申請(qǐng)日2003年1月28日）給出了不間斷在計(jì)算機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用；US2005201127A1（申請(qǐng)日：2004年3月9日）、US2007216228A1（申請(qǐng)日：2006年3月17日）、US2007210652A1（申請(qǐng)日：2006年11月20日）和US2009158056A1（申請(qǐng)日：2007年12月14日）給出了多模式、嵌套式和并聯(lián)式冗余不間斷電源。

而國(guó)內(nèi)廣東易事特電源股份有限公司有關(guān)不間斷電源的專利申請(qǐng)有175件：最早的專利申請(qǐng)CN300891227A（申請(qǐng)日：2007年11月16日）給出了在線式不間斷電源UPSEA900R的外觀設(shè)計(jì)；CN102005811A（申請(qǐng)日：2010年12月28日）和CN201904642U（申請(qǐng)日：2010年12月28日）給出了利用磷酸鐵鋰電池的不間斷電源；CN102790418A（申 請(qǐng) 日 ：2012年 8月 10日）、CN102856976A（申 請(qǐng) 日 ：2013年 1月 2日）、CN102890461A（申請(qǐng)日：2013年1月23日）給出了多機(jī)并聯(lián)、多充電器，多電池情況下控制的不間斷電源等。深圳市華為電氣技術(shù)有限公司有關(guān)不間斷電源的專利申請(qǐng)有154件：比較早的專利申請(qǐng)CN1281290A（申請(qǐng)日：2000年6月9日）給出了一種調(diào)制比的瞬時(shí)值比例積分微分控制方法的不間斷電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓波形的實(shí)時(shí)控制，使低成本、高性能的數(shù)字控制成為可能；專利申請(qǐng)CN104539042A給出了一種帶有雙向功率變換單元的UPS，該雙向功率變換單元只有在切換裝置動(dòng)作的過(guò)程中短時(shí)間支撐直流母線的母線電壓，可以降低體積和成本。廣東志成冠軍集團(tuán)有限公司有關(guān)不間斷電源的專利申請(qǐng)有59件，主要關(guān)于不間斷電源不同型號(hào)的外觀設(shè)計(jì)及多制式模塊化的不間斷電源：最早的專利申請(qǐng)CN1360381A（申請(qǐng)日：2000年12月22日）給出了一種大容量UPS，逆變單元的控制引入了微處理器和可編程控制芯片，并利用SPWM信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，在一定程度上，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了控制精度和可靠度；專利申請(qǐng)CN1423389A（申請(qǐng)日：2003年6月11日）給出了一種總線控制的并聯(lián)不間斷電源，實(shí)現(xiàn)N+1冗余并聯(lián)運(yùn)行，提高了UPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性；專利申請(qǐng)CN203788027U（申請(qǐng)日：2014年4月24日）給出了一種利用光伏能源實(shí)現(xiàn)節(jié)能的在線UPS系統(tǒng)，利用光伏能源和蓄電池的綜合供電，克服了UPS單一依賴電網(wǎng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了能源優(yōu)化利用。

4 總結(jié)

由專利申請(qǐng)的脈絡(luò)可以看出，國(guó)內(nèi)外對(duì)UPS的研究非?；钴S，并且未來(lái)UPS技術(shù)發(fā)展方向?qū)⒊悄芑刂?、高頻小型化、高變換效率、模塊化和人性化發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。

［1］劉錢(qián)希森.小型UPS原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

［2］李成章.新型UPS不間斷電源原理與維修技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1995.

［3］王其英.UPS不間斷電源剖析與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1996.

［4］張乃國(guó).UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［5］H.Pinheiro，P.Jain.Comparison of UPS Topologies Based on High Frequency Transformers for Powering the Emerging Hybrid Fiber-coaxial Networks［C］.IEEE-INTELEC’99，1999：9-12.

［6］舒為亮.并聯(lián)型數(shù)字化不間斷電源系統(tǒng)研究［D］.華中科技大學(xué)，2005.

［7］顏嘵河，施三保，夏澤中.不間斷電源技術(shù)綜述［J］.煤礦機(jī)械，2006（9）：6-8.