| 摘要：UPS(不间断电源)是为用户关键设备提供高品质供电的电源保障类设备，它在外部有电时通过自身的整流、逆变及隔离变压器对电源进行“净化”，同时当外部电源意外中断时自动切换到蓄电池逆变供电，让用户的关键负载不受外部市电波动的影响，从而得到高质量的电源保障。因此UPS在通讯、工业、医疗、数据中心、金融与证券、机场、地铁、石油石化、化工、海工、航天航空、军工、核电等领域得到广泛应用。 |
UPS(不间断电源)是为用户关键设备提供高品质供电的电源保障类设备，它在外部有电时通过自身的整流、逆变及隔离变压器对电源进行“净化”，同时当外部电源意外中断时自动切换到蓄电池逆变供电，让用户的关键负载不受外部市电波动的影响，从而得到高质量的电源保障。因此UPS在通讯、工业、医疗、数据中心、金融与证券、机场、地铁、石油石化、化工、海工、航天航空、军工、核电等领域得到广泛应用。
根据应用领域不同，用户对UPS性能要求不同，因而市场上有不同需求级别类型的UPS产品，最常见的分级是商业级UPS和工业级UPS。其中商业级UPS应用的数量最多，国内外主要UPS厂家几乎都生产商业级UPS，如伊顿、科华恒盛、艾默生、施耐德等。工业级UPS的需求数量要低于商业级UPS，但用户对UPS的可靠性、安全性、稳定性和设计寿命等方面有着更高的要求。专注工业级UPS主流品牌有固特、AEG、北宁、克劳瑞德以及国内综合电源解决方案提供商科华恒盛等，同功率下，工业级UPS的价格要高于商业级UPS。
在船舶、海洋石油平台应用中，需要UPS电源保护的设备大致有以下几类：
l 与安全和巡航相关的系统，如导航系统、海事通讯系统和应急照明系统等。
l 业务和管理需要电源保障，如科考实验设备、计算机及网络系统等用于其重要业务管理的关键设备。
l 为船舶、海洋石油平台作业定制的特殊系统，如探测、钻井、监控系统、自动化控制系统等，对出现电源中断等故障将无法弥补的重要装置同样需要UPS提高可靠电源保护。
l 商业应用系统，如船上商场、餐厅、娱乐场所的EPOS销售设备、现场监控设备、应急照明系统等。
海工UPS属于工业级UPS的一种特殊应用。之所以说特殊，是因为它跟一般陆地上施工要求、应用环境、电源制式等有所差别不同，主要体现在一下几个方面：
n 海洋船舶、海洋石油平台用的是柴油发电机组供的电，用户设备端电源没有零线和地线，采用的是IT接地系统。
n 设备所处环境容易晃动，垂直和水平方向均有可能产生较大范围的晃动。
n 海洋性气候环境，存在潮湿、盐雾、油雾、霉菌侵蚀，对UPS内各器件的抗腐蚀性要求高。安装空间有限。
n UPS在安装施工期间存储条件有限，需多次搬运、吊装等过程。
n 设备维修、维护人员上海洋船舶、海洋石油平台维护检修不易。
针对这些特殊的应用环境，在UPS设计和选型时需要考虑以下几关键要素：
一、 适应三相三相制配电系统，输入和输出完全电气隔离，中性点绝缘不带N线的开关控制。
首先船舶、海洋平台的供电系统是由柴油发电机组提供的电源，末端设备用电一般是3相3线380-480V或单相2线220-240V(或110-115V)，频率50Hz或60Hz，采用IT接地方式，船体为地。这与陆上三相五线制，TN-C的接地系统有所不同。
实现电气隔离，简单、可靠的方法采用变压器进行电气隔离，在UPS主机的配置中输入、输出和旁路中配置隔离变压器，UPS单机示意图如下图所示：
图示 三进单出带旁路隔离稳压UPS单相图
这样UPS无论工作在哪个状态(正常市电工作状态、电池逆变工作状态和旁路供电状态)，其输出都是处于带隔离变压器输出(电源侧与输出侧没有直接的电气联结，只是利用电磁感应传递电能)。输出采用隔离变压器，对现场操作人员也是相对安全的，在操作人员意外触碰到输出其中一极，由于没有形成回路，不会触电，只有在用户在同时触碰到2极时才会触电。
UPS输出和输出必须同时通断L线、N线。在船舶、海油石油平台上电气设备的绝缘要求高，在UPS交流馈线配电、UPS直流母线中要安装绝缘检测，实时了解绝缘状态。中性点绝缘不带N线，这要求UPS内部旁路断路器、交流输出断路器不允许采用陆上UPS N线不进开关的做法(商业级UPS采用输入和输出N线共同接在一个端子排上)，海工UPS必须所有输入、输出和旁路接线必须进开关，这样做的目的是为了同时通断L线、N线，因为对船舶和海洋平台的IT接地方式供电系统来说没有N线，UPS隔离变压器输出2极相对甲板(地)都是有电压差。
二、 关于整流方式选择。
按整流工作方式，UPS有工频6脉冲整流、工频12脉冲整流和高频IGBT整流机型。各种机型各有各的特点，主要特点对比如下：
12脉冲整流AC/DC：采用12脉冲相控整流方式，通过DSP软件控制下图中2组6个脉冲的导通时序及DSP的闭环控制来保证整流器输出电压的稳定，同时电池与整流器直接并联(或通过二极管隔离)，方便充电电流的扩容及控制，同时软件具备整流器输出过压、过流、过充保护，确保整流器工作安全可靠。电气示意图如下：
图示：三相12脉冲整流示意图
关于谐波改良对策：
6脉冲整流交流侧电流傅里叶级数展开为：
可得知：电流中含6K±1(k为正整数)次谐波，即5、7、11、13…等各次谐波。
12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端、增加移相变压器后在增加一组6脉冲整流器，使直流母线电流由12个可控硅整流完成。2个整流桥，其中桥2网侧线电压比桥I超前30°，电流比桥I超前30°，桥1的网侧电流傅立叶级数展开为：
桥2的网侧电流傅立叶级数展开为：
故合成的网侧线电流
两个整流桥产生的5、7、17、19、…次谐波相互抵消，注入电网的只有12k±1(k为正整数)次谐波，即11、13、23、25等各次谐波。因此我们可以得到结论：6脉整流器谐波含量最大为5次谐波、12脉整流器强度最大为11次谐波。
6脉整流器5次谐波最大，可加装5次滤波器来抑制谐波;12脉整流器11次谐波最大，可加装11次滤波器来抑制谐波。常见的LC滤波原理如右图所示。
某品牌大功率UPS加装滤波器后谐波对比表如下：
需要特别指出的是：6脉冲+5次谐波滤波器的配置可以达到9%左右的谐波要求，但是由于5次谐波滤波器的电容容值较大，在UPS负载较轻(<15%负载量)时，整流器输入电流会超前输入电压，如果发电机的励磁绕组采用自励方式，很容易产生电枢正反馈效应，发电机输出电压会异常升高，导致发电机进入保护状态而停机。因此6脉冲+5次谐波滤波器方案不建议在UPS负载较轻时使用。而单独的12脉整流器也可达到10%左右的电流谐波指标，但是没有大电容的LC电路，避免了与发电机的励磁正反馈效应。
以实测某品牌200KVA UPS采用12脉冲+11次滤波器输入谐波在不同负载率下的绝对值：
|
负载百分比 |
输入谐波THDi% |
总谐波电流 |
|
100% |
4.5% |
15.7A |
|
75% |
5.6% |
13.5A |
|
50% |
8.1% |
12.3A |
|
30% |
13.1% |
11.9 |
影响电网的是谐波电流的绝对值，而不是谐波电流的百分比。在满载情况下，谐波电流绝对值最大;在半载及轻载情况下，谐波电流绝对值均不超过100%满载谐波电流绝对值。12脉冲+11次谐波滤波器具有输入电流总谐波小，同时还可避免有源滤波器“误补偿”、系统效率低等缺点。在投资额充许的情况下，尽量选用12脉整流器加11次滤波器的UPS配置。此种配置满足信息产业部UPS行业标准输入电流谐波成份I类要求(YD/T1095-2000)和国际电工委员会IEC61000-3-4的指标要求。
三、 逆变器DC/AC及逆变器黑启动功能
工频机的逆变器设计相对简单，因为其逆变输出带有升压变压器，无需通过Boost电路升压后再逆变(高频机的做法是要先将母线电压通过DC-DC升压后再逆变，这样输出才能达到所需的额定电压值)，只要将直流母线通过全桥或半桥逆变，然后输出给隔离变压器，隔离变压器进行升压达到所需的额定电压值。
主电路采用单相IGBT全桥逆变器的拓扑结构，逆变器必须能在额定负载下可靠启动。输出配合变压器结构的设计，输出波形特性好。主电路拓扑如下：
这种拓扑结构简单实用，元器件少，虽然系统效率比较低，但其故障率低。
UPS“黑启动”功能
考虑到用户在无市电情况下，利用电池组开启UPS逆变输出，即UPS“黑启动”功能。UPS的整流器具有缓启动功能，正常开启后，UPS直流母线上的电解电容由整流器充电。若没有市电，整流器无法开启时，直接由电池给电容器充电，在充电瞬间电容2端电压很小(接近0)，流入电流很大，相当于短路，可能会造成直流熔断器熔断。因此，在没有市的情况下，要开启UPS逆变器，需设计一个RC回路，即给电池充电回路中加1个限流电阻(百欧姆级即可)，组成RC充电回流，这样UPS主流母线的电解电容才能够安全完成预充电，预充电完成后将UPS电池组开关闭合，逆变器即可安全开启，UPS开始输出。船舶、海洋平台在建造期间，用电是不稳定的，在一些时候，现场人员为调试后端设备，可能会在无外部电源的情况下，临时启用UPS，若UPS无设计“黑启动”功能，用户操作开启电池逆变可能会造成UPS的损坏。另外在船舶停靠修整期间，或海上平台撤离后返回平台再次开机时，也可能会遇到这种情况。
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