范光輝

摘 要：不間斷電源現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用，我國(guó)很多學(xué)者對(duì)其展開了研究，使得不間斷電源獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。文章主要從不間斷電源的定義、基本原理和分類以及在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)方面作了分析，對(duì)全面了解不間斷電源在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：不間斷電源；應(yīng)用；電力系統(tǒng)；發(fā)展

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）15-0091-02

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，而不間斷電源也是在這種環(huán)境被應(yīng)用進(jìn)來(lái)的。不間斷電源的主要優(yōu)勢(shì)是在電網(wǎng)不正常運(yùn)轉(zhuǎn)或是在發(fā)生故障時(shí)，仍然能夠?yàn)樨?fù)載提供不間斷的高性能電源。正因?yàn)檫@種優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。當(dāng)然，我國(guó)不間斷電源的發(fā)展離不開國(guó)家行業(yè)政策的支持，所以了解行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)具有必要意義。

1 不間斷電源的行業(yè)定義

不間斷電源，又作UPS（Uninterruptible Power Supply），指的是能夠提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷電能供應(yīng)的電力電子設(shè)備。主要的組成部分是逆變器、整流器，以電池為主要的儲(chǔ)能裝置，不僅能夠?yàn)橛脩籼峁﹤溆秒娫匆苑乐怪匾O(shè)備因電能中斷而遭受損失，并且可改善電能質(zhì)量，使設(shè)備免受高低電壓、突波、雜訊、頻率不穩(wěn)及電磁的干擾，滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量的需求。

2 不間斷電源的基本原理和分類

前述已經(jīng)提到了UPS的主要構(gòu)成，對(duì)于一般的UPS結(jié)構(gòu)，除了整流器和逆變器之外，還有升壓部分，控制部分、充電部分以及電池部分。UPS的基本工作原理如圖1所示。

UPS電源還搭載了微處理器，它可以將輸入、輸出、電池、壞境等數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算，并且控制整流器、逆變器以及靜態(tài)開關(guān)等裝置，對(duì)外部的指令進(jìn)行響應(yīng)。而整流和充電單元的主要功能是整流控制信號(hào)和及時(shí)充電的作用，電池組和直流的總線是并聯(lián)運(yùn)行的，所以整流器可以對(duì)電池完成充電。當(dāng)然，電池電壓如果比浮充電壓更低時(shí)，整流器處在恒流模式，微處理器就要對(duì)充電電流反饋和用戶設(shè)置的電池容量進(jìn)行計(jì)算分析。

應(yīng)用UPS的目的就是能夠?yàn)橐恍┭b置提供穩(wěn)定的電源，這也就是我們劃分UPS種類的依據(jù)之一。按照逆變器的工作方式來(lái)分UPS分為后備式（或稱離線式OFFLINE）和在線式（ONLINE）兩種。后備式UPS的逆變器在UPS正常工作時(shí)處于后備狀態(tài)，只有在市電異常時(shí)才起到逆變作用，而在線式UPS的逆變器無(wú)論在市電模式還是電池模式一直都在工作狀態(tài)。后備式UPS功率比較小、價(jià)格便宜，主要用在對(duì)電源質(zhì)量不高的地方，比如個(gè)人電腦；在線式UPS輸出的電源精度高，價(jià)格也比較高，主要用在對(duì)電源質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，比如機(jī)房。

按照UPS的后備時(shí)間UPS可以分為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)和長(zhǎng)延時(shí)機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)后備時(shí)間比較短，一般只有幾分鐘，長(zhǎng)延時(shí)機(jī)可以根據(jù)需要配置電池延長(zhǎng)UPS的后備工作時(shí)間。

按照UPS外形結(jié)構(gòu)UPS可以分為塔式UPS、機(jī)架式UPS、以及含機(jī)柜的模塊化UPS。

按照UPS對(duì)市電的相數(shù)要求可以分為單相機(jī)和三相機(jī)。三相機(jī)功率比較大，一般都在10 kVA以上。

按照供電渠道的不同將UPS劃分為以下幾種工作模式，即：市電模式、電池模式、旁路模式、維護(hù)模式。

市電模式：市電正常時(shí)UPS的正常工作模式。

電池模式：市電異常時(shí)UPS的正常工作模式。

旁路模式：UPS異常的供電模式。

維護(hù)模式：UPS出現(xiàn)故障，需要不斷電進(jìn)行UPS維修時(shí)的供電模式。

3 不間斷電源在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

在使用電池的時(shí)代之前，UPS不間斷電源曾經(jīng)使用飛輪和內(nèi)燃機(jī)為負(fù)載提供電能供應(yīng)，這種不間斷電源被稱為飛輪式或旋轉(zhuǎn)式不間斷電源。飛輪式UPS不間斷電源由整流器、直流電動(dòng)機(jī)、飛輪、柴油機(jī)（或汽油機(jī)）及發(fā)電機(jī)等組成。在電網(wǎng)供電的情況下，由整流器提供的直流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，并且?guī)Оl(fā)電機(jī)為負(fù)載供電。由于飛輪的慣性作用，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以保持均衡，此時(shí)UPS不間斷電源起過(guò)濾電網(wǎng)干擾的作用。當(dāng)電網(wǎng)斷電后，飛輪繼續(xù)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，替代原有電網(wǎng)為負(fù)載供電。由于飛輪式UPS不間斷電源使用內(nèi)燃機(jī)提供電力，會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，同時(shí)體積也較大，因此被用于應(yīng)急情況和一些自然狀況惡劣的場(chǎng)合，通常情況下，不間斷電源會(huì)使用蓄電池來(lái)提供電力。

隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，不間斷電源隨之產(chǎn)生并得到了不斷的發(fā)展，自1984第一臺(tái)UPS從香港進(jìn)到中國(guó)，UPS在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展經(jīng)歷了30多年，UPS也不斷地從國(guó)外進(jìn)口到國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，進(jìn)而出口外銷。

在技術(shù)上，不間斷電源隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展也不斷地提高，UPS從最初的后備式電源發(fā)展到在線式不間斷電源，從最初的低頻機(jī)發(fā)展到后來(lái)的高頻機(jī)，從開始的單機(jī)運(yùn)行，發(fā)展到第二代雙機(jī)熱備份。第三代的n+x并聯(lián)冗余，到目前發(fā)展到無(wú)線并機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，以及利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的檢測(cè)與操控。從功率大小來(lái)看，從最初的500 VA發(fā)展到1 100 kVA。目前模塊化UPS也得到了廣泛的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)，不斷電進(jìn)行UPS維護(hù)，確保在UPS發(fā)生故障的情況下用戶的設(shè)備可以正常運(yùn)行。UPS隨著貼片技術(shù)和DSP技術(shù)的應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)上不斷地得到發(fā)展UPS從最初的分立元件，發(fā)展到后來(lái)的集成塊，CPU的應(yīng)用，從體積上不斷減小，從重量上也不斷地減輕，從而節(jié)省了生產(chǎn)成本、運(yùn)輸成本以及使用成本。從用戶群體看，早期的用戶主要是銀行、郵電、證券稅務(wù)等部門，后來(lái)發(fā)展到政府、企業(yè)、事業(yè)等單位，以及個(gè)人用戶等等。

3.1 不間斷電源的行業(yè)發(fā)展壞境分析

3.1.1 不間斷電源行業(yè)政策發(fā)展分析

因?yàn)椴婚g斷電源的巨大發(fā)展?jié)摿?，?guó)家為不間斷電源的發(fā)展制定了許多相關(guān)的政策，制定了《電力需求管理辦法》，主要是泛指通過(guò)價(jià)格、行政等手段，幫助電力用戶提高電力資源利用效率，改進(jìn)用電方式，實(shí)現(xiàn)科學(xué)用電、節(jié)約用電、有序用電所開展的相關(guān)活動(dòng)。而《農(nóng)村電網(wǎng)改造升級(jí)項(xiàng)目管理辦法》明確對(duì)農(nóng)村的電路改造升級(jí)提出了相關(guān)的政策，并且針對(duì)運(yùn)行農(nóng)網(wǎng)設(shè)施局部或整體就地或異地建設(shè)、增容、更換設(shè)備等做出了相關(guān)的規(guī)定。

國(guó)家發(fā)改委辦公廳關(guān)于當(dāng)前推進(jìn)高技術(shù)服務(wù)發(fā)展有關(guān)工作作了工作重點(diǎn)指示，主要包括四個(gè)方面：

①信息服務(wù)，發(fā)展面向市場(chǎng)的高性能計(jì)算和云計(jì)算服務(wù)和下一代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)、促進(jìn)軟件服務(wù)化發(fā)展和引導(dǎo)數(shù)字文化產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

②生物技術(shù)服務(wù)。

③研發(fā)設(shè)計(jì)服務(wù)。

④技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)。

后來(lái)又相繼出臺(tái)了一些規(guī)定，這些政策非常有利于行業(yè)的發(fā)展，也為行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。從專利的申請(qǐng)人分布情況來(lái)看，艾默生、科華恒盛和易事特分別以17.6%，14.3%和12.0%位于前三位，APC以11.3%的份額位列第四。

3.1.2 不間斷電源行業(yè)技術(shù)環(huán)境分析

我國(guó)的UPS專利申請(qǐng)狀況從1994～2014年大致可以分為三個(gè)階段：1994～1998年為緩慢發(fā)展階段，1999～2006年較為快速的發(fā)展階段，2006～2014年為爆發(fā)式增長(zhǎng)階段，2014年，我國(guó)UPS相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量達(dá)到三百余項(xiàng)。專利申請(qǐng)的分布情況如圖2所示。

從圖2中可以看出，雖然我國(guó)的UPS技術(shù)發(fā)展空間還很大，但是因?yàn)樾袠I(yè)政策的鼓勵(lì)，我國(guó)本土的UPS技術(shù)實(shí)力越來(lái)越強(qiáng)，與世界500強(qiáng)公司的差距逐漸變小。從我國(guó)UPS相關(guān)專利申請(qǐng)人技術(shù)分布情況來(lái)看，H02J，I3-02是各家企業(yè)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)，艾默生在H02J和I3-02兩方面的專利均較多，科華恒盛的專利主要集中分布在I3-02方面。

3.2 不間斷電源行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r分析

2014年，我國(guó)UPS銷售總額約為89億元，同比增長(zhǎng)3.1%，具體數(shù)據(jù)見表2，增速較上年進(jìn)一步放緩，受大數(shù)據(jù)對(duì)ICT行業(yè)的影響，4G建設(shè)的需求以及寬帶中國(guó)項(xiàng)目的刺激，我國(guó)信息設(shè)備用UPS電源的需求將快速增長(zhǎng)，根據(jù)相關(guān)推算，2015年我國(guó)UPS市場(chǎng)規(guī)模有望突破100億元。

4 UPS的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，對(duì)未來(lái)我國(guó)的UPS行業(yè)的發(fā)展指明了方向，這也是新形勢(shì)下UPS行業(yè)發(fā)展的最大動(dòng)力，其最新的動(dòng)態(tài)有以下幾點(diǎn)。

4.1 智能化和網(wǎng)絡(luò)化

將RS232接口、RS485接口，SNMP卡和MODEM等應(yīng)用于UPS，使得系統(tǒng)具有了非常優(yōu)秀的性能?？梢詫?duì)一些相關(guān)的模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，而且可以通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行自我診斷，自動(dòng)判斷UPS是否存在故障，如果存在故障則根據(jù)相關(guān)的需求進(jìn)行自我保護(hù)。將UPS和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)集成到一起，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)于UPS的遠(yuǎn)程管理和控制，這也是未來(lái)無(wú)間斷電源的發(fā)展方向。

4.2 數(shù)字化

以前的UPS的主要控制方式是模擬控制的方法，所以其局限性也非常明顯，主要有：

①因?yàn)殡娐返慕Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以元器件很多，其差異性造成了電源無(wú)法完全一致。

②如果想改變?cè)瓉?lái)的控制方法，只能通過(guò)修改硬件控制板，這樣不但周期長(zhǎng)而且工作量很大。

③硬件電路的固化導(dǎo)致了更加先進(jìn)的控制方法很難在這樣的電路上實(shí)現(xiàn)。

但是要想發(fā)展高檔的微處理器就必須使其實(shí)現(xiàn)先進(jìn)算法和智能算法。正因?yàn)檫@些弊端的存在，也就為高速、更加廉價(jià)的數(shù)字化處理器的發(fā)展提出了要求。數(shù)字化的控制方式的優(yōu)勢(shì)在于能夠避免模擬信號(hào)的畸變、失真等現(xiàn)象，也便于調(diào)試和自我診斷，正因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，在線UPS也是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

4.3 綠色化

傳統(tǒng)的UPS電源存在一定的諧波干擾和污染，對(duì)于其穩(wěn)定性和可靠性以及環(huán)境的傷害還是很大的。所以，綠色無(wú)污染的UPS是未來(lái)發(fā)展的方向，其提出可以加強(qiáng)抗電磁干擾能力，有助于降低輻射干擾，最重要的是可以大大提高對(duì)電能的利用率。

4.4 并聯(lián)冗余技術(shù)

如何提高UPS電源的可靠性和穩(wěn)定性一直是需要解決的難題，而傳統(tǒng)的UPS只是依靠單臺(tái)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能，這并不能達(dá)到很高的可靠性，而新型的解決方法就是冗余式并機(jī)方式，其優(yōu)勢(shì)性能在近年的應(yīng)用當(dāng)中逐漸凸顯出來(lái)，主要表現(xiàn)在：

①可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)電源的總體容量。

②這種系統(tǒng)本身具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。

③由于系統(tǒng)有多臺(tái)電源構(gòu)成，所以其維修和更換更加便捷。

4.5 高頻化

傳統(tǒng)的UPS電源存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力差，變壓器和電感的音頻噪聲高等缺點(diǎn)，這就催生了高頻電源的發(fā)展，高頻電源不僅可以使得笨重的隔離變壓器變得不必要，減小了裝置本身的體積和重量，而且可以減小甚至是消除電感的音頻噪聲。

5 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為UPS行業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求，同時(shí)也為其提出了技術(shù)保障。UPS電源的發(fā)展也可以促進(jìn)、推動(dòng)其它產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，研究更高檔的UPS電源在未來(lái)具有巨大的潛力。

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