不间断电源系统选型及其性能评估!

随着电子技术的不断发展，人们对供电系统可靠性的要求也在不断提高，不间断电源(UPS)的应用也越来越多。目前UPS系统的类型和功能很多，具体场合需要什么类型和配置的UPS系统受到广泛关注。选择UPS系统后如何评价UPS系统的性能也成为关注的焦点。本文从选型和性能评价两个方面进行论述。系统选择
1.1选择UPS系统考虑的因素和步骤。
选择UPS系统的具体类型和配置取决于以下因素:①功率要求；②功率因数；③成本；④大小和重量；⑤电网环境；⑥可靠性；⑦保护；⑧电能质量要求水平；⑨电池组的尺寸。
选择UPS系统的过程包括七个步骤:①确定UPS系统的要求；②计算UPS系统的功率；③选择UPS系统的类型；④选择UPS系统的配置；⑤UPS系统安全；⑥UPS系统的可用性；⑦UPS系统的经济性。图1是UPS系统的选择流程图。
图1 UPS系统选择流程图
1.2确定UPS系统的要求
UPS系统的选择很大程度上取决于系统的应用。用于医疗、军事、民航、通讯等场合的重要设备，不能容忍任何供电中断。此时需要UPS系统提供不间断的电源，直到公共电网供电恢复。对于各类数据中心来说，UPS系统必须在整个设备断电之前，为数据设备提供一个短暂的电源时间段进行备份等操作。电力公司的商业停电历史记录可以更好地提供关于UPS系统选择的统计数据。
1.3计算UPS系统的功率
需要负载容量、功率因数、浪涌电流、负载电压、相数和频率、待机时间等规格来确定UPS系统的大小。对于单相系统，负载能力可按(UI)/1000计算；对于三相系统，负载容量可计算为(1.73UI)/1000。根据负载的性质，负载功率因数应在0.7 ~ 1的范围内。电池的大小取决于负载大小和负载安全关断所需的持续时间，电池容量随着放电率的增加而减小，所以电池容量决定了电池的大小。
1.4选择UPS系统的类型。
UPS系统类型的选择取决于电源系统的质量、保护、效率、体积和重量。不同类型的UPS系统有不同的特点。表1显示了不同类型的UPS系统的特征。

表1不同类型UPS系统的特征
1.5选择UPS系统的配置。
防护等级和负载功率决定了UPS系统的类型和配置。基于变压器的UPS更适合大功率应用，由于电流隔离，它们更适合在恶劣的电网环境下保护更敏感的设备(如医疗设备和数据中心)。无变压器UPS系统更便宜，体积更小，适合小功率应用，更适合电网环境更好的应用。
复杂的控制系统会增加UPS系统的成本。所以UPS系统的选择取决于性能和成本的平衡，同时还要考虑最适合的环境等其他因素的可接受水平。表2显示了不同UPS拓扑的特性。

表2不同配置UPS系统特征
1.6 UPS系统安全
在选择UPS系统的时候，最应该关注的是安全性。为了安全起见，我们必须遵循政府和商业机构采用的规范和标准。电池组的操作需要特别小心。
1.7 UPS系统的可用性
因为UPS系统需要在任何市电中断的情况下提供不间断的电源，所以系统的可用性和可靠性非常关键。UPS系统的可用性由公式(1)定义

类型(1)
其中:AUPS为UPS系统的可用性；MTBF是平均故障间隔时间；MTTR是平均修复时间。并联引入冗余单元可以提高UPS系统的可靠性，其中每个单元可以为共同负载提供不间断的电源。
1.8 UPS系统的经济性
UPS系统的成本取决于系统的类型、配置、保护、备份时间和附加功能。大多数具有自动监测、快速切换和控制功能的复杂系统需要额外的部件，这增加了系统的复杂性和成本。成本分析只能在前六个步骤结束时完成。UPS系统的性能评估
对于分析UPS系统的性能至关重要的参数包括输入功率因数、输出电压的总谐波失真(THD)、瞬态响应时间和从公共电网模式到待机模式的传输时间，反之亦然。因此，建议UPS系统的性能指标满足规定的标准。表3显示了IEEE标准ANSI/IEEE 446-1995定义的三相UPS系统的性能规格。

表3三相UPS系统的性能规格
在Matlab/Simulink环境下，搭建了2kV在线UPS系统，对本文提出的性能评价参数进行了建模和仿真。分别给出了输入电压、线性和非线性负载、变化负载、输出电压动态偏差和状态切换的电压和电流波形，并通过仿真结果对输出结果进行了分析。图2显示了输入电压和电流波形。

图2输入电压和输入电流波形
输入电流和输入电压的相位几乎相同，以使THD最小。根据IEEE标准ANSI/IEEE 446—1995，额定负载下最小功率因数为0.8，优先用于输入整流器谐波含量小于5%的UPS系统。
UPS系统逆变器的输出电压和电流要调节好，非线性和不平衡负载的THD小于5%。此外，逆变器对负载的突然变化表现出良好的响应。
图3显示了UPS系统逆变器的输出电压和电流。根据标准，线性和非线性负载的THD小于3%(IEEE标准4%，每谐波3%)。

图3 UPS变频器的输出电压和电流波形
图4示出了逆变器分别对从0到100%的负载变化和从100%到0的负载变化的阶跃响应。图5是增加和去除变化的线性负载的输出电压的动态偏差。控制器的动态特性不应超过IEC 62040-3—1999标准的1类，输出电压变化±5%。
从电网模式到备用电源模式的传输时间对于评价UPS系统的性能非常重要。线上UPS系统的传输时间可以忽略不计，而线上互动和线下UPS系统在UPS运行模式变化过程中有切换时间。

图4逆变器对负载变化的UPS阶跃响应

图5输出电压的动态偏差
图6和图7分别是从电网模式到备用模式和从备用模式到电网模式的阶跃变化的波形。仿真结果表明，电网状态的变化对UPS输出状态没有影响，实现了无缝切换，切换时间为ms级。

图6从电网模式到待机模式的电压和电流波形

图7从待机模式到电网模式3的电压和电流波形
本文根据UPS系统的应用情况，介绍了选择UPS系统的七个步骤，并从功率因数、成本、体积重量、电网环境、可靠性、保护、电能质量、电池组尺寸等方面详细阐述了UPS系统的选择要求。从输入功率因数、输出电压总谐波失真、瞬态响应时间和从公共电网模式到备用模式的传输时间等方面分析了UPS系统的性能要求。
仿真结果表明，功率因数、输出电压THD、瞬态响应时间和电网状态切换时间等参数能够真实反映UPS系统的运行性能。