EPS應(yīng)急電源的興起和現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)

1、EPS應(yīng)急電源的興起和現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)  韋德電子有限公司    工程部摘要:應(yīng)急電源EPS的工作原理,以及如何使用戶(hù)能夠理性的去選擇產(chǎn)品。文中詳細(xì)分析了EPS的構(gòu)造和工作原理以及帶負(fù)載時(shí)的工作特性和運(yùn)行參數(shù)。關(guān)鍵詞:應(yīng)急電源;EPS;應(yīng)急電源工作原理;EPS特性      EPS應(yīng)急電源已被廣泛應(yīng)用于建筑電氣領(lǐng)域和特殊應(yīng)急供電場(chǎng)合。隨著社會(huì)發(fā)展，越是信息化、現(xiàn)代化，就越依賴(lài)于電力。突然的斷電必然會(huì)給人們正常的生活秩序和學(xué)習(xí)帶來(lái)影響，尤其是對(duì)于生產(chǎn)、生活中特別重要的負(fù)荷，一旦中斷供電，將會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。然而，

2、電力故障具有突發(fā)性，不以人們的意志為轉(zhuǎn)移，即使電網(wǎng)設(shè)施再先進(jìn)，意外的斷電也在所難免。目前，城市供電系統(tǒng)的安全對(duì)策一般是采用并網(wǎng)供電，為城市電力提供可靠的電源保護(hù)。但從企業(yè)及工業(yè)、民用建筑使用情況來(lái)看，僅僅靠公用電網(wǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須具備應(yīng)急供電系統(tǒng)（EPS），其重要性是在事故發(fā)生的情況下確保提供所需的應(yīng)急電力，以有效降低因?yàn)閿嚯姸斐傻膿p失，為人們生產(chǎn)和生活安全提供保障。因此，EPS也被稱(chēng)為“城市生命線(xiàn)系統(tǒng)”的重要組成部分。 1.1    EPS應(yīng)急電源的分類(lèi)     目前市場(chǎng)上的EPS應(yīng)急電源品牌眾多，大家在設(shè)計(jì)上所采用的控制方式和控制手段不盡相同，但針

3、對(duì)所帶負(fù)載的種類(lèi)大致可以歸納為以下三種：一是主要用于應(yīng)急照明和事故照明的單相EPS相應(yīng)我公司的WY系列；二是用于應(yīng)急照明、事故照明之外，還有應(yīng)用于空調(diào)、電梯、卷簾門(mén)、排氣風(fēng)機(jī)、水泵等電感性負(fù)載或兼而有之的混合供電的三相系列EPS相應(yīng)我公司W(wǎng)YS系列；三是直接給電動(dòng)機(jī)供電的變頻系列EPS相應(yīng)我公司W(wǎng)YS/B系列。    1.2    EPS應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)要求         EPS應(yīng)急電源可以說(shuō)是近兩年才迅猛發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，相比于發(fā)展成熟的UPS而言，有相同之處，也有不同之處。其相同點(diǎn)在于都具備在市電故障(中

4、斷)情況下繼續(xù)向負(fù)載提供交流電源的功能，均采用了IGBT逆變技術(shù)和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)。不同之處是UPS除了提供不間斷供電外，還兼?zhèn)涓纳剖须娖焚|(zhì)的功能，而EPS應(yīng)急電源則主要解決市電故障時(shí)的應(yīng)急供電問(wèn)題；UPS主要是為IT行業(yè)設(shè)備提供用電保障，EPS應(yīng)急電源則適用于各種行業(yè)；UPS供電模式要求切換時(shí)間很短(010ms)，EPS應(yīng)急電源則相對(duì)較寬(04s)；UPS主要帶計(jì)算機(jī)類(lèi)負(fù)載，而EPS應(yīng)急電源所帶負(fù)載混雜；UPS對(duì)于運(yùn)行環(huán)境要求較高，EPS應(yīng)急電源則要求能適應(yīng)各種環(huán)境；UPS以一般用戶(hù)監(jiān)控為主，EPS應(yīng)急電源主要用于應(yīng)急供電，要求與消防聯(lián)動(dòng)；UPS以維護(hù)信息傳輸暢通為主要目的，EPS應(yīng)急

5、電源以防范重大災(zāi)難事故為主要目的?？梢孕蜗蟮乇扔?，UPS以“救數(shù)據(jù)”為主，而EPS以“救人”為主。一般EPS功率較大，機(jī)內(nèi)的逆變器處于備用狀態(tài)。         鑒于EPS應(yīng)急電源的主要設(shè)計(jì)思想是在市電突然中斷時(shí)提供安全可靠的應(yīng)急電力供應(yīng)，有效避免發(fā)生災(zāi)害時(shí)的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失為原則。因此，在設(shè)計(jì)EPS時(shí)應(yīng)著重考慮其安全性、可靠性、適用性及合理性。主要有：     1）斷電轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在毫秒級(jí)(25ms)，以保證供電的及時(shí)性；     2）負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)，包括電容性、電感性、混合型負(fù)載，而且過(guò)載能力和抗沖擊能力強(qiáng)；

6、     3）有多路輸出，防止輸出單一形成的故障；     4）有消防聯(lián)動(dòng)和遠(yuǎn)程控制信號(hào)，可手動(dòng)與自動(dòng)相互轉(zhuǎn)換；     5）環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適用于各種惡劣環(huán)境，有防止高低溫、濕熱、鹽霧、灰塵、震動(dòng)及鼠咬等措施；     6）使用壽命長(zhǎng)，有電池快速充電能力和管理能力；     7）節(jié)能，運(yùn)行效率高，運(yùn)行成本低；     8）有無(wú)人值守、自動(dòng)操作功能；     9）報(bào)警功能齊全，能及時(shí)提供各種異常狀況的報(bào)警；     10）有強(qiáng)啟動(dòng)功能，

7、避免電池環(huán)節(jié)保護(hù)后無(wú)法啟動(dòng)；     11）無(wú)煙霧、無(wú)噪音、無(wú)公害等；     12）維護(hù)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低。     1.3    EPS應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)原理1）應(yīng)急照明和事故照明類(lèi)照明型的EPS一般以單相為主，主要為應(yīng)急照明場(chǎng)合（商場(chǎng)、娛樂(lè)場(chǎng)所、辦公場(chǎng)所、交易場(chǎng)所等）提供集中供電，如圖2所示。當(dāng)輸入電源正常時(shí)，市電一路通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置輸出給日常照明，另一路通過(guò)充電器給電池組充電，當(dāng)控制器檢測(cè)到市電中斷或異常(偏低或偏高)時(shí)，向逆變器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，并控制互投轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)至逆變器輸出。當(dāng)然，對(duì)于EPS的接法不同，還可以把EP

8、S當(dāng)作二路電源、三路電源使用。    圖2    照明EPS的供電系統(tǒng)     2）應(yīng)急照明及混合型負(fù)載類(lèi)此類(lèi)型EPS一般適用于負(fù)載性質(zhì)比較復(fù)雜的場(chǎng)合，譬如既有照明型負(fù)載，又有動(dòng)力型負(fù)載，所以一般以三相居多，如圖3所示。適用場(chǎng)合為賓館、高層建筑、醫(yī)院、大型商場(chǎng)等。     圖3    混合負(fù)載型EPS供電系統(tǒng)     3）電機(jī)專(zhuān)用的變頻起動(dòng)類(lèi)此種類(lèi)型EPS主要為電機(jī)類(lèi)負(fù)載而設(shè)計(jì)，避免因電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的大電流沖擊而損壞設(shè)備。被廣泛應(yīng)用于大功率電動(dòng)機(jī)負(fù)載，比如電梯、消防水泵、大型

9、風(fēng)機(jī)等。與其他EPS的不同之處是此類(lèi)EPS一般只有單路輸出，如圖4所示。當(dāng)三相輸入市電正常時(shí)經(jīng)整流后給逆變器提供直流電，同時(shí)經(jīng)充電器對(duì)電池組充電；當(dāng)三相輸入斷電或異常時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)由電池組給變頻器提供直流電。當(dāng)需要電機(jī)負(fù)載工作時(shí)，送給變頻器啟動(dòng)信號(hào)(運(yùn)行信號(hào)、遠(yuǎn)程控制信號(hào)等)，變頻器會(huì)立即輸出。從050Hz變頻，供給電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻起動(dòng)，當(dāng)其頻率到達(dá)50Hz后保持正常運(yùn)行。    圖4    電機(jī)專(zhuān)用型EPS的供電系統(tǒng)     1.4    EPS應(yīng)急電源領(lǐng)域的現(xiàn)狀        

10、 隨著科技的不斷發(fā)展，眾多的智能大廈拔地而起，人們?cè)趯?duì)其居住環(huán)境提出了更高要求的同時(shí)，也提出了電力保障和消防安全問(wèn)題。但EPS的起步較發(fā)電機(jī)和UPS要晚，人們對(duì)其認(rèn)識(shí)的程度還不夠，所以在眾多的應(yīng)急供電場(chǎng)合，還是以發(fā)電機(jī)和UPS為主要應(yīng)急供電方式來(lái)實(shí)現(xiàn)EPS的功能。就提供應(yīng)急供電能力而言，這兩種方式已暴露出許多不足之處。     1）用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源是目前大部分工程所采用的，也是最常見(jiàn)的應(yīng)急備用電源，由于柴油發(fā)電機(jī)的容量較大，可并機(jī)運(yùn)行且連續(xù)供電時(shí)間長(zhǎng)，所以已經(jīng)有較長(zhǎng)的應(yīng)用歷史。然而，無(wú)論發(fā)電機(jī)的起動(dòng)速度有多快，從停電后使發(fā)電機(jī)接到起動(dòng)信號(hào)開(kāi)始，至發(fā)電機(jī)電壓、頻率等

11、達(dá)到穩(wěn)定可以供電時(shí)為止，至少需要數(shù)十s至數(shù)min，這段時(shí)間，所有用電設(shè)備均停止工作，就可能造成少數(shù)設(shè)備的損壞或出現(xiàn)生命財(cái)產(chǎn)的安全問(wèn)題。而EPS的啟動(dòng)一般不會(huì)超過(guò)25ms，所以不會(huì)影響設(shè)備的正常工作。     另一方面，柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)用在應(yīng)急供電場(chǎng)合，有諸多不利之處，主要有：     （1）在高層建筑中，柴油發(fā)電機(jī)組一般放在地下室，設(shè)計(jì)難度大，造價(jià)高，配備進(jìn)風(fēng)、冷卻、排煙、減震、消音等設(shè)施都需要充分考慮；     （2）存在火災(zāi)隱患。其油罐像一個(gè)極為危險(xiǎn)的“炸彈”，萬(wàn)一失火，后果不堪設(shè)想；     （3）日常維護(hù)比較頻

12、繁，工作量大；     （4）柴油發(fā)電機(jī)噪音大，產(chǎn)生公害；     （5）排煙中有大量的二氧化硫，污染嚴(yán)重，影響環(huán)保。         以負(fù)載容量為200kW為例，將EPS與柴油發(fā)電機(jī)組的性?xún)r(jià)比作一個(gè)比較。選用EPS時(shí)，其額定功率與負(fù)載功率比為1：1即可，其總價(jià)約為60萬(wàn)元左右。而選用柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，其額定功率與負(fù)載功率比應(yīng)為1.31.5：1，對(duì)200kW的負(fù)載，柴油發(fā)電機(jī)組需250kVA規(guī)格，該機(jī)組價(jià)格為40萬(wàn)元左右，但是除機(jī)組本身價(jià)格之外，還需外加其他輔助裝置費(fèi)用約1629萬(wàn)元，現(xiàn)以20萬(wàn)元計(jì)算，即選用柴油發(fā)電機(jī)

13、組總價(jià)為60萬(wàn)元左右。所以，二者價(jià)格相差不多。從中也不難看出，如果EPS容量小于200kW時(shí)，其價(jià)格要小于柴油發(fā)電機(jī)組的綜合造價(jià)。目前消防應(yīng)急供電場(chǎng)合的負(fù)載總?cè)萘恳话阍?00kW以下，從投資的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮，EPS較柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)得多。     2）用UPS作為應(yīng)急電源EPS從原理結(jié)構(gòu)上和UPS大同小異。在線(xiàn)式UPS不論市電是否正常，它都一直由逆變器供電，即按照“市電輸入整流逆變輸出”的順序進(jìn)行，只有在逆變器故障或過(guò)載時(shí)才改由旁路輸出，如圖5所示。而EPS，當(dāng)市電正常時(shí)，市電通過(guò)開(kāi)關(guān)S輸出給負(fù)載，同時(shí)充電器對(duì)電池充電。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到市電停電時(shí)，逆變器工作，使開(kāi)關(guān)S切換至逆

14、變輸出狀態(tài)，向負(fù)載提供電能，如圖6所示。     圖5    UPS供電系統(tǒng)     圖6    EPS供電系統(tǒng)     從以上供電系統(tǒng)圖可以看出，UPS是一種雙變換結(jié)構(gòu)的不間斷電源，主要為負(fù)載提供穩(wěn)定的高質(zhì)量電能，不受市電電網(wǎng)的影響，而且其轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在10ms以?xún)?nèi)，所以，UPS被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、醫(yī)療設(shè)備及精密電子儀器等不能中斷供電的場(chǎng)所。但正因?yàn)閁PS不僅擔(dān)負(fù)著應(yīng)急供電外，還擔(dān)負(fù)著改善電力品質(zhì)的任務(wù)，所以其逆變器要連續(xù)不斷地工作，使用壽命相對(duì)較短，一般為58年，尤其是電池的更換

15、較為頻繁。另一方面，UPS的逆變器長(zhǎng)期處于工作中，自身的損耗較大，而且對(duì)使用環(huán)境要求很高，只能放在計(jì)算機(jī)房或空調(diào)房間里。     UPS專(zhuān)為IT行業(yè)的計(jì)算機(jī)類(lèi)和通訊類(lèi)負(fù)載而設(shè)計(jì)，其負(fù)載適應(yīng)能力不及EPS，舉例說(shuō)明，如果應(yīng)急供電場(chǎng)合含有交流感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)一類(lèi)的感性負(fù)載，那么在UPS的設(shè)計(jì)選型和使用中就會(huì)出現(xiàn)很大問(wèn)題。由于交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流通常是其額定電流的57倍，而UPS的過(guò)載能力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：過(guò)載125時(shí)，A類(lèi)為10min，B類(lèi)為1min，C類(lèi)為30s；過(guò)載150時(shí)10s。如果想要UPS能承受電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的沖擊能力，勢(shì)必要增大UPS的額定容量，這無(wú)疑將加大投資，還未必能徹底解

16、決問(wèn)題。因此，選用UPS作為應(yīng)急電源，工作既不可靠，還得花費(fèi)大量資金。 2   UPS/EPS的發(fā)展趨勢(shì) 2.1    UPS/EPS的控制技術(shù)         中小型UPS/EPS的ACDC和DCAC變換大多數(shù)仍采用模擬控制電路，ACDC變換器的控制芯片大多數(shù)已集成化，使用簡(jiǎn)單，工作可靠。DCAC變換器的控制有兩種基本方式，一種是單閉環(huán)控制，另一種是雙閉環(huán)控制。前者控制電路簡(jiǎn)單，但難于實(shí)現(xiàn)輸出端短路自動(dòng)恢復(fù)。后者控制有電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器的輸出為電流調(diào)節(jié)器的給定，因此，限制電流給定幅值也就限制了逆變器的

17、最大輸出電流。     當(dāng)前，數(shù)字控制已成為新型UPS/EPS控制技術(shù)發(fā)展的主流，數(shù)字控制器具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的檢測(cè)、故障診斷和隔離，易于實(shí)現(xiàn)遙控遙測(cè)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)UPS的并聯(lián)和熱插拔，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的監(jiān)控和管理。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)的介入使UPS具備了智能化，可以使其運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。     2.1.1    DSP的應(yīng)用         采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的數(shù)字PWM技術(shù)，是數(shù)字控制技術(shù)的核心，用于保證UPS/EPS輸出電壓的質(zhì)量，即保證輸出電壓、頻率和輸出電壓波

18、形滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求。數(shù)字控制的另一個(gè)重要功能是實(shí)現(xiàn)UPS/EPS的初始自檢和運(yùn)行自檢，進(jìn)行故障保護(hù)和故障隔離，這是模擬控制器無(wú)法勝任的。由于數(shù)字控制器的靈活性，使UPS控制器的硬件電路可以標(biāo)準(zhǔn)化，從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)、使用和維修，也大大提高了工作可靠性。     2.1.2    控制電路的全微處理器化         UPS/EPS電路是由以下幾部分組成的：主電路、驅(qū)動(dòng)電路、監(jiān)控顯示及控制保護(hù)電路和通信界面電路。其中監(jiān)控、顯示及控制保護(hù)電路和通信界面電路，可以運(yùn)用數(shù)字化設(shè)計(jì)技巧簡(jiǎn)化其電路，并解決原類(lèi)比電路需要調(diào)整、具

19、有溫漂及參數(shù)調(diào)整不易的缺欠。采用的方法是：     1）全微處理器化利用微處理器來(lái)執(zhí)行監(jiān)控、顯示及控制保護(hù)電路和通信界面電路的功能；     2）半微處理器化利用類(lèi)比電路處理快速反饋保護(hù)電路，而由處理器處理慢速反饋、報(bào)警、顯示及通信界面的功能。     2.2    蓄電池技術(shù)     蓄電池是UPS/EPS的心臟，不管UPS/EPS電路多么先進(jìn)，其性能最終取決于它的電池，一旦電池失效，再好的UPS/EPS也無(wú)法提供不間斷供電。         目前，UP

20、S/EPS一般都使用免維護(hù)密封鉛酸蓄電池，由于采用陰極吸收式密封技術(shù)，克服了普通蓄電池需要定期補(bǔ)水的缺點(diǎn)，具有“免維護(hù)”、使用方便、不污染環(huán)境、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。它使用高氫過(guò)電位的板柵材料，減少了電池在存放和充電過(guò)程中的氣體分解。正極表面的超細(xì)玻璃纖維膜，阻止了活性物質(zhì)脫落，提高了電池的壽命。安全閥的使用使蓄電池很少產(chǎn)生氣體，又可使已產(chǎn)生的氧氣被負(fù)極鉛所吸收，使蓄電池?zé)o水的損失，達(dá)到了密封免維護(hù)的目的。     一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續(xù)充電，電池連續(xù)充電大約要減少一半的使用壽命。目前國(guó)外使用一種ABM(Advanced Battery Managemen

21、t)三階段電池管理方案，即充電分成三個(gè)階段：第一階段是恒流均衡充電，將電池容量充到90；第二階段是浮充充電，將電池容量充到100，然后停止充電；第三階段是自然放電，在這個(gè)階段里，電池利用自身的漏電流放電，一直到規(guī)定的電壓下限，再重復(fù)上述的三個(gè)階段。這種方式改變了以前那種充滿(mǎn)電后，仍使電池處于一天24h的浮充狀態(tài)，因此延長(zhǎng)了電池的壽命。     金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，而且又無(wú)鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應(yīng)用于UPS/EPS可以收到小型輕量化的優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是售價(jià)太高。美國(guó)Alupower公司研發(fā)的高功率鉛空氣備用電源裝置(RPU)，運(yùn)行50h，功率從600W到

22、6000W，電壓有DC24V和48V兩種，其能量密度是鉛酸電池的十多倍，重量只有鉛酸電池的110，所占空間只有鉛酸電池的17，有望取代鉛酸蓄電池應(yīng)用于UPS/EPS。        3.3    EPS應(yīng)急電源的發(fā)展趨勢(shì)     由于EPS所帶負(fù)載類(lèi)型的復(fù)雜性和環(huán)境的相對(duì)固定性，針對(duì)不同場(chǎng)合、不同負(fù)載，可對(duì)EPS功能做得更貼近現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。其中包括以下幾方面。         1）結(jié)構(gòu)組成普通EPS為了更好地結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，往往采用“多合一”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但由于負(fù)載及環(huán)境的復(fù)雜性，也

23、由此帶來(lái)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和設(shè)計(jì)院所、用戶(hù)選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設(shè)計(jì)，將主機(jī)與輸入或輸出配電分離開(kāi)來(lái)。主機(jī)模塊完成主要的能量轉(zhuǎn)換及通訊控制功能；配電模塊實(shí)現(xiàn)豐富的配電管理功能。主機(jī)模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)控制接口實(shí)現(xiàn)對(duì)配電模塊的管理，如雙電源自動(dòng)切換功能，多回路輸出功能，消防聯(lián)動(dòng)功能均應(yīng)在配電模塊中實(shí)現(xiàn)。     2）配電模塊應(yīng)增加功能EPS用于緊急負(fù)載的供電，其負(fù)載往往為非單一的負(fù)載，而這些負(fù)載在緊急情況下的關(guān)鍵程度不盡相同，因此，對(duì)于EPS來(lái)說(shuō)，某些配電管理功能至關(guān)重要。     （1）順序啟動(dòng)功能諸如，EPS的負(fù)載很大一部分是感性沖擊負(fù)載，具有較大的啟動(dòng)電流，在選型時(shí)必須加大EPS容量，從而造成設(shè)備資源的浪費(fèi)以及用戶(hù)成本的增加。實(shí)際上，由于EPS負(fù)載供電的可間斷性，EPS可增加一個(gè)8路或16路的可編程配電管理接口，通過(guò)對(duì)負(fù)載啟動(dòng)的順序、時(shí)間進(jìn)行控制，可在很大程度上解決啟動(dòng)沖擊電流和加大選型容量的問(wèn)題。     （2）部分卸載功能由EPS負(fù)載性質(zhì)決定，當(dāng)過(guò)載發(fā)生時(shí)，需要EPS盡可能繼續(xù)工作，而