一種商業(yè)化分布式不間斷供電方法

謝力華，陳厚巖，卿湘文

（深圳市伊力科電源有限公司，廣東 深圳 518102）

0 引 言

與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比，我國(guó)的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）技術(shù)還存在很多不足之處，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，一些UPS電源技術(shù)的相關(guān)企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出較高質(zhì)量的UPS產(chǎn)品[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，在我國(guó)UPS電源領(lǐng)域中充分應(yīng)用了數(shù)字控制技術(shù)，并且數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)成為主流的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)能夠保證并且控制整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)微化的處理[2]。

不間斷電源對(duì)一些公司和重要機(jī)構(gòu)的作用是非常大的，如醫(yī)院、鐵路、和政府部門。如果沒(méi)有UPS的幫助，一旦斷電將帶來(lái)不可估量的損失和后果[3]。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，普通用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也不斷提高，一般的用戶是不選擇使用UPS的，除非用戶對(duì)電能的要求比較高或者依賴比較重，這就提高了用戶的使用門檻，過(guò)濾掉了一大批潛在的用戶[4]。為此本文提出了一種分布式不間斷供電模式，使不間斷電源更加商業(yè)化更加平民化。

1 UPS構(gòu)成

UPS由整流器、逆變器、隔離變壓器、旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)、逆變靜態(tài)開(kāi)關(guān)、檢修旁路開(kāi)關(guān)、電池組等組成[5]。

整流器將交流電全波整流，濾波轉(zhuǎn)換為直流電，向逆變器提供直流電源，同時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行充電[6]。

逆變器是將從整流器或者電池組獲得的直流電轉(zhuǎn)換為所需的電壓和頻率的交流電，輸出阻抗小，具有較大功率裕量和快速響應(yīng)特性，由于采用高頻調(diào)制限流技術(shù)及快速短路保護(hù)技術(shù)，使逆變器可安全可靠地工作[7,8]。

隔離變壓器實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)和輸出測(cè)的電氣隔離，對(duì)輸入端起到良好的濾波和保護(hù)作用，在UPS電路設(shè)計(jì)中不管是主路輸入還是旁路輸入都應(yīng)設(shè)置隔離變壓器[9]。

靜態(tài)開(kāi)關(guān)是將1對(duì)反向并聯(lián)的快速晶閘管連接起來(lái)，作為UPS在執(zhí)行有旁路電源供電至逆變器供電切換操作時(shí)的元件，由于快速晶閘管的連通時(shí)間為微秒級(jí)，一次可以對(duì)負(fù)載實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間接近于零的不間斷供電[10]。

2 分布式不間斷供電模式的總體設(shè)計(jì)

本文出于使不間斷電源趨于商業(yè)化、平民化，使用戶可以自行根據(jù)實(shí)際的需要靈活獲取不間斷供電的能力，提出一種分布式不間斷供電模式，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。針對(duì)于1棟樓，配置1個(gè)總的直流儲(chǔ)能單元，儲(chǔ)能單元可以為電池或者是超級(jí)電容單元，將直流配電接至多個(gè)分布點(diǎn)，并在每個(gè)分布單元配置一定容量的DC/AC雙向逆變器，直流配電端連接至雙向逆變器的DC端，AC端連接至市電端。

圖1 總體設(shè)計(jì)

當(dāng)市電供給充足時(shí)，雙向逆變器不工作，用電設(shè)備由市電直接供電，當(dāng)市電突然掉電時(shí)，用戶可以自行選擇是否使用儲(chǔ)能單元供電，若用戶選擇使用儲(chǔ)能單元供電則儲(chǔ)能單元就會(huì)通過(guò)雙向逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為用戶所需要的交流電，為用電設(shè)備供電。并且在每個(gè)雙向逆變器的前側(cè)配置1個(gè)直流電能計(jì)量表，在每個(gè)用戶的交流市電位置配置1個(gè)交流電能計(jì)量表，這樣可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算用戶在市電供電時(shí)和儲(chǔ)能單元供電時(shí)的用電量，方便儲(chǔ)能單元在交流失電時(shí)能夠合理分配每個(gè)用戶的用電量。

3 不間斷供電模式的分析與優(yōu)化

若想實(shí)現(xiàn)不間斷供電趨于商業(yè)化、平民化，必須滿足用戶，根據(jù)介入設(shè)備的要求進(jìn)行選擇，如圖2所示，用戶可以通過(guò)選擇來(lái)控制每1個(gè)用電設(shè)備對(duì)應(yīng)的雙向逆變單元的工作方式，用電設(shè)備之間互不影響。用戶可選擇的逆變器工作方式有供電質(zhì)量選擇、備電時(shí)長(zhǎng)選擇，選擇是否為儲(chǔ)能單元充電以及充電時(shí)間段的模式、計(jì)費(fèi)模式。通過(guò)這些模式的選擇，用戶可以靈活高效地使用電能，并且通過(guò)分布式的供電方式節(jié)約了電能的消耗。

圖2 分布式不間斷供電模式

3.1 供電質(zhì)量選擇

供電質(zhì)量分為3個(gè)檔位，分別為高檔、中檔和普通檔位，高檔對(duì)應(yīng)于DC/AC供電單元在線式供電模式，中檔對(duì)應(yīng)于DC/AC供電單元后備式供電模式，普通檔為直接市電供電模式，用戶根據(jù)所接入用電設(shè)備的重要性和供電要求選擇對(duì)應(yīng)的供電質(zhì)量。供電正常時(shí)默認(rèn)為普通檔即直接市電供電模式，此檔位將不具備掉電后供電的能力，所以當(dāng)市電掉電后需要用戶自行選擇雙向逆變單元的工作模式為用電設(shè)備繼續(xù)供電，這樣設(shè)計(jì)的原因是不會(huì)在用戶不知情的情況下就使用儲(chǔ)能單元通過(guò)雙向逆變單元給用戶供電，有利于取得用戶的信賴，有利于商業(yè)化分布式不間斷供電在普通用戶之間的推廣。

3.2 備電時(shí)長(zhǎng)選擇

用戶可根據(jù)接入用電設(shè)備的備電時(shí)間要求來(lái)設(shè)定備電時(shí)間，即當(dāng)市電掉電后，選擇高檔和中檔的用戶，DC/AC雙向逆變器將立即轉(zhuǎn)換至由儲(chǔ)能單元經(jīng)雙向逆變器DC-AC變換后為用戶提供不間斷的交流供電，從儲(chǔ)能單元經(jīng)逆變給用戶供電時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)供電時(shí)長(zhǎng)要超過(guò)（用戶待定的備電時(shí)間-X）提前設(shè)定的時(shí)間時(shí)，控制電路會(huì)通過(guò)聲光提示用戶備電時(shí)間即將不足，在供電時(shí)長(zhǎng)超過(guò)用戶待定的備電時(shí)間后，雙向變換器停止工作，用戶設(shè)備掉電，掉電以后用戶不能繼續(xù)選擇使用儲(chǔ)能單元供電。

3.3 選擇是否給儲(chǔ)能單元充電及充電時(shí)間區(qū)段

可以選擇允許充電和不允許充電。允許充電，則DC/AC雙向逆變器在市電正常時(shí)，且收到儲(chǔ)能單元需要充電的請(qǐng)示標(biāo)志后，雙向逆變器工作在AC-DC模式，將市電轉(zhuǎn)化為直流電，為儲(chǔ)能單元供電，并計(jì)量雙向逆變器為儲(chǔ)能單元充入的總電量。在選擇允許充電時(shí)，為使充電費(fèi)用少一些，可以進(jìn)一步設(shè)定儲(chǔ)能單元充電的時(shí)間段，如可定義在晚上電費(fèi)相對(duì)便宜時(shí)對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電。

3.4 計(jì)費(fèi)模式

用戶的計(jì)費(fèi)來(lái)源有2處，一處為交流電能表的計(jì)費(fèi)，此處的計(jì)費(fèi)按正常的市電進(jìn)行收取費(fèi)用；另一處為直流電能計(jì)費(fèi)，此處的計(jì)費(fèi)根據(jù)儲(chǔ)能單元充電電能EIN以及儲(chǔ)能單元放電電能Eout進(jìn)行區(qū)分計(jì)費(fèi)，充電電能在用戶選擇了“允許充電”的功能后生效，直流的計(jì)費(fèi)電能計(jì)算公式為Eout-kEIN，其中k為電能轉(zhuǎn)換系數(shù)。考慮到儲(chǔ)能單元的供電成本要高于市電供電的成本，k值取為小于1的系數(shù)，計(jì)算得到的計(jì)費(fèi)電能，即為要收取費(fèi)用的直流電能。

3.5 應(yīng)急供電模式購(gòu)買

在市電掉電后，用戶可以選擇應(yīng)急供電購(gòu)買，此時(shí)DC/AC雙向逆變器將儲(chǔ)能單元工作于DC-AC模式，為用戶提供緊急供電。緊急供電是確保用戶在市電掉電后儲(chǔ)能單元能夠立即通過(guò)雙向逆變器為用戶供電，確保用戶不間斷地使用電能。

3.6 儲(chǔ)能單元的充電

為增加儲(chǔ)能單元充電的途徑設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能單元的充電來(lái)源可以為光伏儲(chǔ)能，單獨(dú)充電機(jī)，以及用戶選擇的允許雙向逆變器給儲(chǔ)能單元充電，為此用戶可以自由選擇為儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電的方式。

4 結(jié) 論

在不間斷電源供電領(lǐng)域，不僅要充分考慮UPS的安全性、可靠性，還要兼顧UPS的經(jīng)濟(jì)性。普通用戶想要使用UPS提高用電質(zhì)量相當(dāng)不經(jīng)濟(jì)，通過(guò)本文提出的方法可以有效解決這一問(wèn)題，讓普通用戶能夠得到高質(zhì)量的用電體驗(yàn)。