摘要：本文簡單介紹了UPS的基本結(jié)構(gòu)，著重分析了UPS在使用中給電網(wǎng)及環(huán)境造成的污染及其原因，最后給出了幾種當(dāng)前較為先進(jìn)的消除此類污染的環(huán)保技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：UPS 污染 環(huán)保 電流諧波 功率因數(shù) 超導(dǎo)儲(chǔ)能 飛輪儲(chǔ)能

　　1.引言

　　UPS(Uninterruptible Power Supply)意為不間斷電源系統(tǒng)，它能夠?yàn)樨?fù)載提供連續(xù)穩(wěn)定的電能。隨著計(jì)算機(jī)、精密電子儀器等用電設(shè)備的普及以及電信、醫(yī)院、銀行、體育場館、機(jī)場等重要場所對供電質(zhì)量要求越來越高， UPS得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)逐步發(fā)展成為高可靠、高性能、高度自動(dòng)化的局部供電中心。但是隨著UPS的大量使用，UPS對電網(wǎng)及環(huán)境造成的污染也漸漸顯現(xiàn)出來。在環(huán)保意識日益強(qiáng)烈的今天，人們不斷研究開發(fā)新的環(huán)保技術(shù)替代原有技術(shù)，使UPS逐步成為真正的綠色電源。

2. UPS的基本原理

圖2.1 UPS結(jié)構(gòu)框圖
　　整流電路：將交流電變換為直流電，完成對儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)充電，同時(shí)通過逆變器向負(fù)載供電
　　儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)：儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)是UPS的核心部分，當(dāng)市電正常時(shí)，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)從電網(wǎng)吸收能量儲(chǔ)存起來；當(dāng)市電中斷時(shí)，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)將電能釋放出來，供逆變器使用。
　　逆變電路：將整流電路所得的直流電壓或者儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的電壓變換成交流電壓。
　　旁路開關(guān)：是市電旁路供電和逆變器供電的電氣轉(zhuǎn)換器件。
　　測控電路：是 UPS的大腦，監(jiān)測輸入電壓、電流的水平和控制輸出的電壓和電流精度；設(shè)置和控制整流器、逆變器；控制儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的充放電；控制主回路與旁路之間的轉(zhuǎn)換。

3. UPS帶來的污染

3.1. 對電網(wǎng)的污染

　　一般UPS 的整流電路常采用晶閘管相控整流電路，常用的整流電路有三相全橋六脈沖整流電路、六相全橋十二脈沖整流電路等。相控整流電路結(jié)構(gòu)簡單控制技術(shù)成熟，但由于交流輸入功率因數(shù)低，并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的污染。

3.1.1諧波含量高

　　相控整流電路利用整流元件的導(dǎo)通、截止作用短接和斷流，以達(dá)到改變輸出電壓的目的，這樣就會(huì)產(chǎn)生諧波電流，當(dāng)整流電路濾波電抗足夠大，不計(jì)換相重疊角且控制角為零時(shí)，諧波次數(shù)和諧波電流（理論最大值）為
綠色UPS
式中 k-------整數(shù)1，2，3，………。
p-------整流電路的相數(shù)或每周脈沖數(shù)
In---n次諧波電流
I1------基波電流
常用整流器負(fù)荷電流的諧波次數(shù)、諧波電流、含量（理論最大值）、諧波畸變率見下表：

　　此外在UPS中，一般由交流市電輸入整流，整流后大都采用大容量的電容器進(jìn)行濾波以使輸出電壓平滑（在 UPS中還并聯(lián)有蓄電池），只有電壓高于濾波電容兩端電壓時(shí)，濾波電容才開始充電，這就在電容充電期間形成了寬度很窄的脈沖電流，這種電流不僅嚴(yán)重滯后于電源電壓，而且諧波分量很大。

3.1.2輸入功率因數(shù)低

　　中大型UPS一般都是雙逆變在線式結(jié)構(gòu)，輸入整流器采用三相全橋六脈沖可控整流電路，其輸入功率因數(shù)是由換相重疊角γ和控制角α來就決定的。換相重疊角γ是指三相整流電路中兩相電壓共同導(dǎo)通的時(shí)間；控制角α表示觸發(fā)延時(shí)時(shí)間，即從正弦波過零開始到晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通之間這段晶閘管不導(dǎo)通的時(shí)間。

相控整流電器的功率因數(shù)為

綠色UPS

如果換相重疊角γ很小，可以忽略不計(jì)時(shí)，則相控整流器的功率因數(shù)表達(dá)式為

綠色UPS

說明整流器的功率因數(shù)主要與控制角的余弦有關(guān)，控制角愈小，功率因數(shù)愈大；反之則功率因數(shù)愈小。
　   實(shí)際上，在整流電路中，除了存在整流電壓與整流電流之間相位差之外。還存在著由于高次諧波電流引起的電流波形畸變問題，可以用電流畸變系數(shù)µ進(jìn)行計(jì)算。

電流畸變系數(shù)µ如上式所示。
綠色UPS
考慮到高次諧波畸變因數(shù)后，整流器的功率因數(shù)PF可以表示為
綠色UPS

高頻開關(guān)整流電源由于是峰值整流形式，其輸入電流為很窄的大電流脈沖波，諧波分量很大，電流畸變系數(shù)µ很低，故其功率因數(shù)PF也很低。

3.1.3高諧波含量、低功率因數(shù)的危害

大量諧波電流涌入電網(wǎng)后，會(huì)使線路的附加損耗增加，引起線路過熱加速絕緣介質(zhì)的老化，導(dǎo)致絕緣破損。另外諧波電流通過電網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生有功損耗，對電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行很不利。另外，電網(wǎng)中設(shè)置的并聯(lián)電容器的容抗會(huì)隨著諧波次數(shù)的增加而減小，因而會(huì)使電容器過電流發(fā)熱導(dǎo)致絕緣擊穿的故障增多。

　　電力系統(tǒng)存在分布電容和功率因數(shù)補(bǔ)償電容器，諧波電流有可能激發(fā)局部串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，直接破壞整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

當(dāng)選用柴油發(fā)電機(jī)組與UPS匹配使用時(shí)，UPS向柴油發(fā)電機(jī)組反射的大量高次諧波，特別是5次和11次諧波會(huì)對柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，使柴油發(fā)電機(jī)組的效率大大降低。

　　大量的諧波會(huì)使用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正常或者不能正常操作；諧波同時(shí)會(huì)干擾通信系統(tǒng)、降低信號的傳輸質(zhì)量、破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。
功率因數(shù)低會(huì)使電網(wǎng)的電壓下降，電氣設(shè)備得不到充分得利用，大量的無功電流在線路上流動(dòng)占用了線路資源降低了線路傳輸有功電流的能力，增加附加損耗，降低發(fā)電、輸電及用戶設(shè)備的效率。

3.2.UPS對環(huán)境的污染

　　目前UPS中廣泛采用蓄電池作為儲(chǔ)存電能的裝置。蓄電池需先用直流電源對其充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來。當(dāng)市電中斷時(shí)，UPS將依靠儲(chǔ)存在蓄電池中的能量維持逆變器的正常工作，此時(shí)蓄電池通過放電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給UPS使用。
　　UPS中應(yīng)用的蓄電池共有三種：開放型液體鉛酸電池、密封式免維護(hù)鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池。

　　開放型液體鉛酸電池的正電極活性物質(zhì)過氧化鉛，負(fù)電極活性物質(zhì)是海綿狀鉛，電解液是濃硫酸。蓄電池在充電過程中，電池內(nèi)部產(chǎn)生的硫酸蒸汽、水蒸氣、氫氣和氧氣等混合物質(zhì)會(huì)逸出擴(kuò)散到空氣中。鉛酸蓄電池制造過程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物、含硫酸和重金屬廢水以及含鉛塵、鉛煙的大量廢氣。鉛酸蓄電池中的鉛和鉛氧化物在蓄電池的生產(chǎn)和使用過程中以粉塵和煙霧的形式通過呼吸道和消吸道進(jìn)入人體，鉛是人體唯一不需要的微量元素，它性質(zhì)穩(wěn)定、不可降解，對人體神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、造血系統(tǒng)以及腎臟有一定的影響。

　　盡管密封式免維護(hù)鉛酸蓄電池生產(chǎn)廠家采用各種辦法減少硫酸蒸汽、水蒸氣、氫氣和氧氣等混合物質(zhì)逸出，使它們盡量消化在電池內(nèi)部，但絕對控制是不可能的；同樣由于密封式免維護(hù)鉛酸蓄電池的工作原理仍然延續(xù)傳統(tǒng)的鉛酸電池，采用同樣的反應(yīng)物質(zhì)，它對環(huán)境帶來的污染也是不可避免的。

　　鎘鎳電池的正極性物質(zhì)是高價(jià)氫氧化鎳，負(fù)極性物質(zhì)是海綿狀金屬鎘，氫氧化鉀或氫氧化鈉的水溶液作為電解液。鎘是重要的工業(yè)和環(huán)境污染物，主要來源于鋅、銅、鉛礦的冶煉，電鍍、蓄電池、合金、油漆和塑料等工業(yè)生產(chǎn)中。鎘污染的主要途徑是食物和吸入。鎘是人體非必需且有毒元素，還是IA級致癌物，具有致癌、致畸和致突變作用，鎘在體內(nèi)的生物半衰期長達(dá)10－30年，為已知的最易在體內(nèi)蓄積的有毒物質(zhì)。鎘的不斷累積，可使接觸者產(chǎn)生各種病變，還可引起肺、前列腺和睪丸的腫瘤。
 

4. 環(huán)保措施

4.1.減少對電網(wǎng)的污染

　　現(xiàn)代意義的UPS越來越注重對電網(wǎng)的環(huán)境保護(hù)意識，在降低諧波污染、無功損耗等方面根據(jù)UPS功率大小的不同，電路結(jié)構(gòu)的不同可以采取不同的措施和方法。

傳統(tǒng)的大功率UPS整流器大都采用晶閘管相控整流電路，在輸入側(cè)加裝無源濾波器，來吸收諧波和提高功率因數(shù)，但是由于受到濾波器的體積和成本的限制，最高可使功率因數(shù)提高到0.9 ，電流諧波THD 5％，而且無源濾波器抑制諧波本質(zhì)上是頻域處理方法，即將非正弦周期電流分解成傅里葉級數(shù)，對某些諧波進(jìn)行吸收，因此只能抑制固定的幾次諧波，補(bǔ)償固定的無功功率。針對無源濾波器的上述缺點(diǎn)人們提出了在UPS網(wǎng)側(cè)設(shè)置有源濾波器對諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償。有源濾波器以時(shí)域分析為基礎(chǔ)，對畸變波形實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，使得電源側(cè)的電流波形與電壓波形一致。有源濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)特性，并且能補(bǔ)償各次諧波，自動(dòng)產(chǎn)生所需變化的無功功率，其特性不受系統(tǒng)影響，不增加電容元件可以避免系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振，相對體積和重量較小。

　　UPS電路中采用高頻整流技術(shù)，通過高頻PWM（PULS WIDTH MODULATION）控制，可以使輸入電流和輸入電壓相位相同，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，輸入諧波電流也將降到3%以下。其網(wǎng)側(cè)高頻濾波器的體積非常小，只要載波的頻率足夠高，就可以利用線路的雜散電感和很小的電容進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化。

此外可以在 UPS的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，避免傳統(tǒng)的雙變換在線的串聯(lián)級聯(lián)的模式，采用先進(jìn)的模式克服功率較大的相控整流器對電網(wǎng)的干擾和影響，也可以對電網(wǎng)起到一定的調(diào)節(jié)作用。例如，采用高頻雙向變換串并聯(lián)補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)，如圖4.1所示，

　　該系統(tǒng)由兩個(gè)逆變器組成，兩個(gè)逆變器都是可雙向變換的高頻逆變器。

逆變器（I）實(shí)際上是一個(gè)并聯(lián)在主回路的電流源，把負(fù)載電流中的無功和諧波濾掉，同時(shí)對電網(wǎng)電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償，輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，吸收功率形成反極性電壓補(bǔ)償，輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，輸出功率形成正極性補(bǔ)償。

逆變器（II）是一個(gè)電壓源，并接于負(fù)載兩端，穩(wěn)定輸出電壓，保證向負(fù)載提供純凈的正弦波電壓，此功能是與逆變器（I）共同完成的，當(dāng)逆變器（I）輸出功率進(jìn)行正極性補(bǔ)償時(shí)，逆變器（II）從電網(wǎng)吸收電流并逆向變換給逆變器（I），當(dāng)逆變器（I）吸收功率做反極性補(bǔ)償時(shí)，逆變器（II）將逆變器（I）吸收的功率以電流形式正向變換轉(zhuǎn)送給負(fù)載。

逆變器（II）同時(shí)控制中間儲(chǔ)能裝置的電壓，完成對儲(chǔ)能裝置得充電，保持此點(diǎn)電壓的穩(wěn)定。

另外，逆變器（II）還對負(fù)載端的無功電流和諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，保證負(fù)載端的電流諧波成份不傳送到輸入端。高頻雙向變換串并連補(bǔ)償電路既可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化，又可以使輸入功率因數(shù)為1或者任意值，系統(tǒng)的運(yùn)行效率也很高。此種UPS接入電網(wǎng)不僅不會(huì)造成電網(wǎng)的無功功率的增加，而且還可以使量地對電網(wǎng)進(jìn)行無功調(diào)節(jié)。

　　總之，對于小功率的UPS 可以采用PFC 整流器和高頻PWM整流器及其相應(yīng)的控制技術(shù)，對于大中功率的UPS 采用高頻雙向變換串并連補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)比較適合，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

4.2.消除對環(huán)境的污染

　　近年來人們越來越關(guān)注環(huán)境，如何在發(fā)展的同時(shí)保護(hù)環(huán)境，成為社會(huì)生活中的大問題， UPS中大量采用鉛酸及鎘鎳蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，已經(jīng)成為對環(huán)境造成破壞的污染源，消除 UPS對環(huán)境的污染的根本措施就是采用環(huán)保的無污染的儲(chǔ)能裝置替代原有的化學(xué)電池，目前新興的高科技儲(chǔ)能技術(shù)主要有兩種：超導(dǎo)儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。

4.2.1.超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)

　　超導(dǎo)材料具有高載流能力和零電阻的特點(diǎn)，可長時(shí)間無損耗地儲(chǔ)存大量電能，需要時(shí)儲(chǔ)存的能量可以連續(xù)釋放出來。在此基礎(chǔ)上可制成超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、整流逆變裝置和測控系統(tǒng)幾部分組成。如圖5.2.1所示

　　其中超導(dǎo)線圈是超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的核心部件，它可以是一個(gè)螺旋管線圈或是環(huán)形線圈。螺旋管線圈結(jié)構(gòu)簡單，但周圍雜散磁場較大；而環(huán)形線圈周圍雜散磁場小，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，超導(dǎo)線圈以電感的方式直接將電能儲(chǔ)存起來。如果線圈由普通的銅線繞成，磁能將會(huì)由于線圈電阻的存在以熱的形式散失掉，然而如果導(dǎo)線具有超導(dǎo)特性（沒有電阻）能量就會(huì)恒久地存在直到需要為止。線圈中存儲(chǔ)電流的能力是由溫度和磁場強(qiáng)度決定的，對于大多數(shù)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置來說，最佳的運(yùn)行溫度是50-77K。

超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的能量E由下式?jīng)Q定
綠色UPS

式中L是線圈的感應(yīng)系數(shù)，I是流過線圈的電流。

一個(gè)完整的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行原理非常簡單，首先通過整流裝置將電網(wǎng)提供的交流電轉(zhuǎn)化為直流電加入到超導(dǎo)線圈中，因此當(dāng)能量從系統(tǒng)流入線圈中時(shí)，直流電壓將會(huì)對超導(dǎo)線圈充電，能量被儲(chǔ)存在線圈中。能量儲(chǔ)存的多少是由裝置的設(shè)計(jì)決定的。當(dāng)交流網(wǎng)絡(luò)需要提供能量時(shí)，線圈作為電源，釋放儲(chǔ)存的能量，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

　　超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是一種的先進(jìn)的儲(chǔ)能方式，它將電能儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈內(nèi)的磁場中，超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈產(chǎn)生的磁場很強(qiáng)，儲(chǔ)存的能量密度很高，儲(chǔ)能與釋放能量的次數(shù)基本不受限制，由于超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)中不存在化學(xué)反應(yīng)，在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，因此對環(huán)境幾乎不會(huì)造成污染。但是，超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)是通過把線圈的溫度降低到它要求的溫度以下來完成的，就目前的技術(shù)而言這個(gè)溫度非常低，使用鈮-鈦合金的超導(dǎo)線圈，需要將溫度保持在液氦的溫度下。因此，持續(xù)維持線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)所需要的低溫而花費(fèi)的維護(hù)費(fèi)用就十分昂貴，這樣便限制了超導(dǎo)儲(chǔ)能應(yīng)用的普及。但是，超導(dǎo)儲(chǔ)能仍然是許多科研工作者們的研究方向。

4.2.2.飛輪儲(chǔ)能

飛輪是繞軸旋轉(zhuǎn)的簡單物體，飛輪儲(chǔ)能裝置從本質(zhì)上講是一種機(jī)械電池，飛輪以動(dòng)能的方式儲(chǔ)存能量。飛輪儲(chǔ)能裝置主要包括：飛輪、電機(jī)、軸和軸承、真空容器、整流器、逆變器、測控裝置。在整個(gè)飛輪儲(chǔ)能裝置中，飛輪是核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能多少，它儲(chǔ)存的能量e等于組成飛輪的各個(gè)部分的動(dòng)能之和，具體由下式?jīng)Q定。

E =1/2jω2 (1)

式中：j為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)；

ω為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度

j = k*M*R2 (M：質(zhì)量; R：半徑); k =慣性常數(shù) (由形狀決定)
不同形狀的慣性常數(shù)為：
輪圈k = 1
厚度均勻的固體圓盤; k = 1/2
固體圓球k = 2/5
球殼k = 2/3
細(xì)矩形棒k = 1/2

　　為了減少運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲(chǔ)能裝置的效率，飛輪儲(chǔ)能裝置軸承一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術(shù)，而且將電機(jī)和飛輪都密封在一個(gè)真空容器內(nèi)減少風(fēng)阻。通常發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)使用一臺(tái)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過軸承直接和飛輪連接在一起。

　　飛輪儲(chǔ)能裝置最基本的工作原理就是，將電網(wǎng)輸入的電能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能儲(chǔ)存起來，當(dāng)測控系統(tǒng)感知到網(wǎng)側(cè)電源不正?；蛘咧袛鄷r(shí)，又通過發(fā)電機(jī)將飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸出到外部負(fù)載，其中整流器和逆變器為雙向的，在儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)保證對飛輪平穩(wěn)儲(chǔ)能，在釋放能量過程中保證輸出的電能符合負(fù)載的嚴(yán)格要求；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電源恢復(fù)正常時(shí)，飛輪回到備用狀態(tài)，整個(gè)裝置就可以以最小損耗方式運(yùn)行。它的結(jié)構(gòu)框如圖4.2.2所示。

飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，由于它具有安全、清潔、工作可靠、效率高、壽命長、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，必將逐步取代化學(xué)儲(chǔ)能裝置，占領(lǐng)更大的儲(chǔ)能設(shè)備市場。

5結(jié)語

綜上所述，不難看出UPS的對電網(wǎng)的污染主要是由其非線性特性決定的，當(dāng)前采用的幾種提高功率因數(shù)降低諧波電流的措施，都是對電流波形進(jìn)行校正或補(bǔ)償，使其從電源側(cè)看呈現(xiàn)線性負(fù)載特性，但是由于UPS的本質(zhì)特性，現(xiàn)今使用的各種方法還不能完全實(shí)現(xiàn)輸入電流與輸入電壓保持完整的正弦波形，還需要不斷研究開發(fā)新的技術(shù)手段；UPS對于環(huán)境的污染主要來源其化學(xué)儲(chǔ)能電池內(nèi)的重金屬，采用新的不含污染源的超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能裝置就可以從根本上消除UPS對環(huán)境的污染。

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