電容儲能AUPS與傳統(tǒng)電池儲能UPS性能對比研究

摘要：以鉛酸電池作為儲能元件的傳統(tǒng)型UPS不間斷電源廣泛應(yīng)用于電信、金融、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，在電網(wǎng)失電情況下為各類負載提供持續(xù)的電力供應(yīng)。在我國電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益完善、電力供應(yīng)自動化程度提高、供電可靠性有高度保障的情況下，在節(jié)能、減排、環(huán)保的趨勢下，文章對基于鉛酸電池的傳統(tǒng)UPS電源的供電方式進行了探討。

關(guān)鍵詞：電容儲能；電池儲能；鉛酸電池；UPS；AUPS；儲能元件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM911 文章編號：1009-2374（2016）27-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.010

UPS不間斷電源（Uninterruptible Power System）是一種含有儲能裝置、以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源，其廣泛應(yīng)用于電信、金融、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、鐵路、民航等領(lǐng)域。在我國電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益完善的形勢下，有必要對基于鉛酸電池的傳統(tǒng)UPS電源的供電方式進行重新探討。

UPS電源從工作原理上分為在線式（On-Line）及后備式（Off-Line）兩種，在絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中都以在線式UPS為主，因此本文重點對在線式UPS進行討論。

1 傳統(tǒng)UPS電源原理介紹

在線式UPS（On-Line）運行時，市電和用電設(shè)備是隔離的，市電不會直供電給用電設(shè)備，而是分為兩路：一路通過UPS內(nèi)部電路向蓄電池充電；另一路通過UPS內(nèi)部的整流、逆變電路，向負載供電。當電網(wǎng)出現(xiàn)斷電時，蓄電池所儲存的電能通過UPS內(nèi)部的逆變電路，向負載持續(xù)供電，直到電網(wǎng)恢復正常才轉(zhuǎn)回充電狀態(tài)。

在線式UPS的整流逆變電路始終處于工作狀態(tài)，通過電路將外部交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，輸出給用電負載，當市電斷電及恢復時，對于負載來說，供電可以保持持續(xù)，不存在切換時間問題。圖1是在線式UPS的工作原理圖：

2 UPS電源的典型應(yīng)用

在大多數(shù)UPS應(yīng)用中，尤其是通訊、金融、互聯(lián)網(wǎng)、民航、鐵路等對供電連續(xù)性要求極高的場合，考慮到電池儲能供電時間及成本，往往同時配備了柴油發(fā)電機組，在電網(wǎng)斷電時，啟動柴油發(fā)電機組，以保證可以長時間對負載供電。圖2是采用市電及油機的雙路供電系統(tǒng)。

圖2中將負載分為一般負載和重要負載，其中服務(wù)器、監(jiān)控、消防為供電重要負載，由UPS供電，制冷、照明等其他負載由電網(wǎng)直接供電。當電網(wǎng)市電斷電后，監(jiān)控系統(tǒng)啟動柴油發(fā)電機組，在柴油發(fā)電機組啟動完成前的短時間內(nèi)，UPS通過電池持續(xù)向重要負載供電，而普通負載則會短時間斷電；當發(fā)電機組啟動完成后，ATS自動切換，UPS由柴油機組供電，電池重新處于充電狀態(tài)，而普通負載則重新開始由發(fā)電機組提供電力。

3 傳統(tǒng)UPS存在的問題

3.1 傳統(tǒng)UPS電源的能耗分析

傳統(tǒng)UPS的損耗主要產(chǎn)生于其內(nèi)部整流機逆變電路，對于直流直接連接電池組的UPS電源，還會產(chǎn)生額外電池充放電損耗。

3.2 蓄電池儲能型UPS的維護及環(huán)境污染問題

電池是UPS系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，日常維護對其使用壽命有很大影響，大容量UPS一般均為多組電池串聯(lián)工作，經(jīng)過一段時間的運行后，每組電池電壓會有較大偏差，因此定期進行均衡充電維護是必要的。有的UPS設(shè)計會使電池產(chǎn)生紋波電流，造成電池不必要的過熱，會縮短電池使用壽命。一般情況下，大容量UPS電源配備的蓄電池，3年左右放電容量會有顯著下降，此時應(yīng)更換蓄電池。

鉛酸蓄電池如果不進行有效回收利用，會對環(huán)境、土壤造成極大的污染，在我國廢舊鉛酸蓄電池回收率低，尤其是回收及再利用過程中對環(huán)境造成的二次污染非常嚴重，在廢舊蓄電池回收、拆解、再利用環(huán)節(jié)，我國急需設(shè)立法律、法規(guī)，加強監(jiān)管。

4 以電容器為儲能部件的AUPS介紹

隨著新材料及電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，摒棄傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，采用新型超級電容器作為儲能部件的先進性不間斷電源（AUPS）正迅速在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

超級電容電池通過極化電解質(zhì)來儲能，屬于雙電層電容的一種。由于其儲能的過程并不發(fā)生化學反應(yīng)，因此這種儲能過程是可逆的，正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)10萬次。超級電容內(nèi)阻小、允許充放電電流大，使用壽命超過20年，容量幾乎沒有衰減。超級電容功率密度高，相當于普通電池的數(shù)10倍，其原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。

4.1 AUPS先進型不間斷電源的工作原理

AUPS先進型不間斷電源包括超級電容、整流逆變器、電子旁路、機械旁路等部分，如圖3所示：

目前電網(wǎng)供電電壓精度在絕大多數(shù)場合已能完全滿足負載要求，而AUPS最快相應(yīng)時間僅需要1.2m/s，因此其工作于待機方式，即可實現(xiàn)電網(wǎng)至逆變器的無擾動切換，對各種敏感負載都沒有任何影響。當檢測到電網(wǎng)電壓跌落超過10%，則在1.2m/s內(nèi)迅速啟動，通過超級電容向負載供電，當電網(wǎng)恢復時，再切換到電子旁路，還原至待機狀態(tài)。

AUPS的核心部件是內(nèi)部的整流逆變器，與鉛酸蓄電池儲能不同的是，AUPS逆變器不需要考慮紋波電流的影響，超級電容直接與逆變器的直流母線連接。

4.2 AUPS先進型不間斷電源的典型應(yīng)用

系統(tǒng)采用市電及油機雙路供電，關(guān)鍵負載由AUPS供電。當市電正常時，AUPS處于待機檢測狀態(tài)，電子旁路工作，全部負載均由市電提供電力。當電網(wǎng)失電后，AUPS迅速啟動，在1.2m/s內(nèi)由超級電容向關(guān)鍵負載供電，并等待油機的啟動，一般情況下，在10s多時間內(nèi)，油機可啟動完畢，達到同步，此時AUPS開啟電子旁路，逆變器退出工作。

4.3 AUPS電源的功耗

一般AUPS均設(shè)計工作在后備工作方式，在這種待機工作狀態(tài)下，整機只有控制電路及電子旁路消耗電能，不需要冷卻風扇散熱。其中電子旁路采用雙向可控硅，正常工作壓降是1.2V，在400VAC下，功耗占比約0.6%，由于不需要強迫冷卻風機，控制部分耗電量約為0.2%，總功耗約為0.8%。相比于傳統(tǒng)UPS電源，節(jié)能效果非常顯著。

4.4 AUPS的可靠性分析

傳統(tǒng)蓄電池儲能UPS電源的可靠性主要取決于其內(nèi)部逆變器和儲能蓄電池，逆變器長期24h工作，設(shè)備發(fā)熱量大、溫升高，需要強迫風冷散熱，其故障率遠高于AUPS的雙向可控硅，而鉛酸蓄電池更是UPS的最薄弱環(huán)節(jié)，存在容量衰減、放電循環(huán)次數(shù)限制、放電深度不均、漏液、短路、斷路等許多安全隱患，且每三年左右就需要更換，而超級電容器完全不存在上述問題，在20年內(nèi)，即成套設(shè)備壽命期內(nèi)都不要更換，具有更高的安全可靠性。

5 AUPS與UPS的性能對比

6 結(jié)語

綜上所述，本文針對傳統(tǒng)鉛酸蓄電池儲能的UPS不間斷電源及以超級電容儲能的AUPS先進性不間斷電源的特性，研究了其電路原理及典型應(yīng)用、設(shè)備功耗、壽命、可靠性、環(huán)保等關(guān)鍵問題，結(jié)果表明，在目前電網(wǎng)供電設(shè)施完善、供電質(zhì)量有效保障的情況下，在絕大多數(shù)應(yīng)用場合，尤其是大容量應(yīng)用下，采用超級電容儲能的AUPS無論在能耗、壽命、可靠性及環(huán)保方面都具有顯著的優(yōu)勢，因此在開放Ⅱ類運行的機場的燈光站，建議采用AUPS代替UPS。

參考文獻

[1] 侯振義，王義明.UPS電路分析與維修[M].北京：科 學出版社，2001.

[2] 李成章.現(xiàn)代UPS電源及電路圖集[M].北京：電子工 業(yè)出版社，2001.

作者簡介：肖勇，男，湖南人，供職于桂林兩江國際機場，中級職稱，研究方向：建筑電氣。

（責任編輯：黃銀芳）