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EPS應急電源的興起和現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢

EPS應急電源已被廣泛應用于建筑電氣領域和特殊應急供電場合。隨著社會發(fā)展，越是信息化、現(xiàn)代化，就越依賴于電力。突然的斷電必然會給人們正常的生活秩序和學習帶來影響，尤其是對于生產(chǎn)、生活中特別重要的負荷，一旦中斷供電，將會造成重大的經(jīng)濟損失。然而，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)設施再先進，意外的斷電也在所難免。目前，城市供電系統(tǒng)的安全對策一般是采用并網(wǎng)供電，為城市電力提供可靠的電源保護。但從企業(yè)及工業(yè)、民用建筑使用情況來看，僅僅靠公用電網(wǎng)還遠遠不夠，必須具備應急供電系統(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急電力，以有效降低因為斷電而造成的損失，為人們生產(chǎn)和生活安全提供保障。因此，EPS也被稱為“城市生命線系統(tǒng)”的重要組成部分。

一、EPS應急電源的分類

目前市場上的EPS應急電源品牌眾多，大家在設計上所采用的控制方式和控制手段不盡相同，但針對所帶負載的種類大致可以歸納為以下三種：一是主要用于應急照明和事故照明的單相EPS相應我公司的YJ/D系列；二是用于應急照明、事故照明之外，還有應用于空調(diào)、電梯、卷簾門、排氣風機、水泵等電感性負載或兼而有之的混合供電的三相系列EPS相應我公司YJ/S系列；三是直接給電動機供電的變頻系列EPS相應我公司YJ/P系列。

二、EPS應急電源的設計要求

EPS應急電源可以說是近兩年才迅猛發(fā)展起來的一個新興產(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。其相同點在于都具備在市電故障(中斷)情況下繼續(xù)向負載提供交流電源的功能，均采用了IGBT逆變技術和脈寬調(diào)制(PWM)技術。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應急電源則主要解決市電故障時的應急供電問題；UPS主要是為IT行業(yè)設備提供用電保障，EPS應急電源則適用于各種行業(yè)；UPS供電模式要求切換時間很短(0～10ms)，EPS應急電源則相對較寬(0～4s)；UPS主要帶計算機類負載，而EPS應急電源所帶負載混雜；UPS對于運行環(huán)境要求較高，EPS應急電源則要求能適應各種環(huán)境；UPS以一般用戶監(jiān)控為主，EPS應急電源主要用于應急供電，要求與消防聯(lián)動；UPS以維護信息傳輸暢通為主要目的，EPS應急電源以防范重大災難事故為主要目的。可以形象地比喻，UPS以“救數(shù)據(jù)”為主，而EPS以“救人”為主。一般EPS功率較大，機內(nèi)的逆變器處于備用狀態(tài)。

鑒于EPS應急電源的主要設計思想是在市電突然中斷時提供安全可靠的應急電力供應，有效避免發(fā)生災害時的人身傷亡和財產(chǎn)損失為原則。因此，在設計EPS時應著重考慮其安全性、可靠性、適用性及合理性。主要有：

1）斷電轉(zhuǎn)換時間一般在毫秒級(25ms)，以保證供電的及時性；

2）負載適應能力強，包括電容性、電感性、混合型負載，而且過載能力和抗沖擊能力強；

3）有多路輸出，防止輸出單一形成的故障；

4）有消防聯(lián)動和遠程控制信號，可手動與自動相互轉(zhuǎn)換；

5）環(huán)境適應能力強，適用于各種惡劣環(huán)境，有防止高低溫、濕熱、鹽霧、灰塵、震動及鼠咬等措施；

6）使用壽命長，有電池快速充電能力和管理能力；

7）節(jié)能，運行效率高，運行成本低；

8）有無人值守、自動操作功能；

9）報警功能齊全，能及時提供各種異常狀況的報警；

10）有強啟動功能，避免電池環(huán)節(jié)保護后無法啟動；

11）無煙霧、無噪音、無公害等；

12）維護簡單，維護費用低。

三、EPS應急電源的設計原理

1應急照明和事故照明類照明型的EPS一般以單相為主，主要為應急照明場合（商場、娛樂場所、辦公場所、交易場所等）提供集中供電。當輸入電源正常時，市電一路通過轉(zhuǎn)換裝置輸出給日常照明，另一路通過充電器給電池組充電，當控制器檢測到市電中斷或異常(偏低或偏高)時，向逆變器發(fā)出啟動信號，并控制互投轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)至逆變器輸出。當然，對于EPS的接法不同，還可以把EPS當作二路電源、三路電源使用。

2應急照明及混合型負載類此類型EPS一般適用于負載性質(zhì)比較復雜的場合，譬如既有照明型負載，又有動力型負載，所以一般以三相居多。適用場合為賓館、高層建筑、醫(yī)院、大型商場等。

3電機專用的變頻起動類此種類型EPS主要為電機類負載而設計，避免因電機起動過程中的大電流沖擊而損壞設備。被廣泛應用于大功率電動機負載，比如電梯、消防水泵、大型風機等。與其他EPS的不同之處是此類EPS一般只有單路輸出。當三相輸入市電正常時經(jīng)整流后給逆變器提供直流電，同時經(jīng)充電器對電池組充電；當三相輸入斷電或異常時，自動轉(zhuǎn)由電池組給變頻器提供直流電。當需要電機負載工作時，送給變頻器啟動信號(運行信號、遠程控制信號等)，變頻器會立即輸出。從0～50Hz變頻，供給電動機進行變頻起動，當其頻率到達50Hz后保持正常運行。

四、EPS應急電源與其他應急供電方式的比較

隨著科技的不斷發(fā)展，眾多的智能大廈拔地而起，人們在對其居住環(huán)境提出了更高要求的同時，也提出了電力保障和消防安全問題。但EPS的起步較發(fā)電機和UPS要晚，人們對其認識的程度還不夠，所以在眾多的應急供電場合，還是以發(fā)電機和UPS為主要應急供電方式來實現(xiàn)EPS的功能。就提供應急供電能力而言，這兩種方式已暴露出許多不足之處。

1用柴油發(fā)電機組作為應急電源是目前大部分工程所采用的，也是常見的應急備用電源，由于柴油發(fā)電機的容量較大，可并機運行且連續(xù)供電時間長，所以已經(jīng)有較長的應用歷史。然而，無論發(fā)電機的起動速度有多快，從停電后使發(fā)電機接到起動信號開始，至發(fā)電機電壓、頻率等達到穩(wěn)定可以供電時為止，至少需要數(shù)十s至數(shù)min，這段時間，所有用電設備均停止工作，就可能造成少數(shù)設備的損壞或出現(xiàn)生命財產(chǎn)的安全問題。而EPS的啟動一般不會超過25ms，所以不會影響設備的正常工作。

另一方面，柴油發(fā)電機應用在應急供電場合，有諸多不利之處，主要有：

1）在高層建筑中，柴油發(fā)電機組一般放在地下室，設計難度大，造價高，配備進風、冷卻、排煙、減震、消音等設施都需要充分考慮；

2）存在火災隱患。其油罐像一個極為危險的“炸彈”，萬一失火，后果不堪設想；

3）日常維護比較頻繁，工作量大；

4）柴油發(fā)電機噪音大，產(chǎn)生公害；

5）排煙中有大量的二氧化硫，污染嚴重，影響環(huán)保。

以負載容量為200kW為例，將EPS與柴油發(fā)電機組的性價比作一個比較。選用EPS時，其額定功率與負載功率比為1：1即可，其總價約為60萬元左右。而選用柴油發(fā)電機時，其額定功率與負載功率比應為1.3～1.5：1，對200kW的負載，柴油發(fā)電機組需250kVA規(guī)格，該機組價格為40萬元左右，但是除機組本身價格之外，還需外加其他輔助裝置費用約16～29萬元，現(xiàn)以20萬元計算，即選用柴油發(fā)電機組總價為60萬元左右。所以，二者價格相差不多。從中也不難看出，如果EPS容量小于200kW時，其價格要小于柴油發(fā)電機組的綜合造價。目前消防應急供電場合的負載總?cè)萘恳话阍?00kW以下，從投資的長遠利益考慮，EPS較柴油發(fā)電機組經(jīng)濟得多。

2用UPS作為應急電源EPS從原理結(jié)構(gòu)上和UPS大同小異。在線式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”的順序進行，只有在逆變器故障或過載時才改由旁路輸出，如圖5所示。而EPS，當市電正常時，市電通過開關S輸出給負載，同時充電器對電池充電。當控制系統(tǒng)檢測到市電停電時，逆變器工作，使開關S切換至逆變輸出狀態(tài)，向負載提供電能，如圖6所示。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)換時間一般在10ms以內(nèi)，所以，UPS被廣泛應用于計算機、程控交換機、醫(yī)療設備及精密電子儀器等不能中斷供電的場所。但正因為UPS不僅擔負著應急供電外，還擔負著改善電力品質(zhì)的任務，所以其逆變器要連續(xù)不斷地工作，使用壽命相對較短，一般為5～8年，尤其是電池的更換較為頻繁。另一方面，UPS的逆變器長期處于工作中，自身的損耗較大，而且對使用環(huán)境要求很高，只能放在計算機房或空調(diào)房間里。

UPS專為IT行業(yè)的計算機類和通訊類負載而設計，其負載適應能力不及EPS，舉例說明，如果應急供電場合含有交流感應式電動機一類的感性負載，那么在UPS的設計選型和使用中就會出現(xiàn)很大問題。由于交流電動機的起動電流通常是其額定電流的5～7倍，而UPS的過載能力標準規(guī)定：過載125％時，A類為10min，B類為1min，C類為30s；過載150％時10s。如果想要UPS能承受電動機起動電流的沖擊能力，勢必要增大UPS的額定容量，這無疑將加大投資，還未必能徹底解決問題。因此，選用UPS作為應急電源，工作既不可靠，還得花費大量資金。

五、UPS/EPS應急電源的發(fā)展趨勢

1、UPS/EPS的控制技術

中小型UPS/EPS的AC／DC和DC／AC變換大多數(shù)仍采用模擬控制電路，AC／DC變換器的控制芯片大多數(shù)已集成化，使用簡單，工作可靠。DC／AC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。前者控制電路簡單，但難于實現(xiàn)輸出端短路自動恢復。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輸出電流。

當前，數(shù)字控制已成為新型UPS/EPS控制技術發(fā)展的主流，數(shù)字控制器具有高，抗干擾能力強，易于實現(xiàn)對UPS的檢測、故障診斷和隔離，易于實現(xiàn)遙控遙測，實現(xiàn)多臺UPS的并聯(lián)和熱插拔，易于實現(xiàn)對蓄電池的監(jiān)控和管理。也就是說，計算機的介入使UPS具備了智能化，可以使其運行在優(yōu)狀態(tài)。

1）DSP的應用

采用數(shù)字信號處理器(DSP)的數(shù)字PWM技術，是數(shù)字控制技術的，用于保證UPS/EPS輸出電壓的質(zhì)量，即保證輸出電壓、頻率和輸出電壓波形滿足技術指標的要求。數(shù)字控制的另一個重要功能是實現(xiàn)UPS/EPS的初始自檢和運行自檢，進行故障保護和故障隔離，這是模擬控制器無法勝任的。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準化，從而簡化了生產(chǎn)、使用和維修，也大大提高了工作可靠性。

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)動電路、監(jiān)控顯示及控制保護電路和通信界面電路。其中監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路，可以運用數(shù)字化設計技巧簡化其電路，并解決原類比電路需要調(diào)整、具有溫漂及參數(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執(zhí)行監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路的功能；

（2）半微處理器化利用類比電路處理快速反饋保護電路，而由處理器處理慢速反饋、報警、顯示及通信界面的功能。

2、蓄電池技術

蓄電池是UPS/EPS的心臟，不管UPS/EPS電路多么先進，其性能終取決于它的電池，一旦電池失效，再好的UPS/EPS也無法提供不間斷供電。

目前，UPS/EPS一般都使用免維護密封鉛酸蓄電池，由于采用陰極吸收式密封技術，克服了普通蓄電池需要定期補水的缺點，具有“免維護”、使用方便、不污染環(huán)境、體積小、重量輕的優(yōu)點。它使用高氫過電位的板柵材料，減少了電池在存放和充電過程中的氣體分解。正極表面的超細玻璃纖維膜，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)生的氧氣被負極鉛所吸收，使蓄電池無水的損失，達到了密封免維護的目的。

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。目前國外使用一種ABM(Advanced Battery Management)三階段電池管理方案，即充電分成三個階段：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，再重復上述的三個階段。這種方式改變了以前那種充滿電后，仍使電池處于一天24h的浮充狀態(tài)，因此延長了電池的壽命。

金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優(yōu)點，而且又無鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應用于UPS/EPS可以收到小型輕量化的優(yōu)點。但其缺點是售價太高。美國Alupower公司研發(fā)的高功率鉛－空氣備用電源裝置(RPU)，運行≥50h，功率從600W到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1／10，所占空間只有鉛酸電池的1／7，有望取代鉛酸蓄電池應用于UPS/EPS。

3、EPS應急電源的發(fā)展趨勢

由于EPS所帶負載類型的復雜性和環(huán)境的相對固定性，針對不同場合、不同負載，可對EPS功能做得更貼近現(xiàn)實應用。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)合實際應用，往往采用“多合一”的結(jié)構(gòu)設計，但由于負載及環(huán)境的復雜性，也由此帶來設備標準化和設計院所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設計，將主機與輸入或輸出配電分離開來。主機模塊完成主要的能量轉(zhuǎn)換及通訊控制功能；配電模塊實現(xiàn)豐富的配電管理功能。主機模塊通過標準控制接口實現(xiàn)對配電模塊的管理，如雙電源自動切換功能，多回路輸出功能，消防聯(lián)動功能均應在配電模塊中實現(xiàn)。

2）配電模塊應增加功能EPS用于緊急負載的供電，其負載往往為非單一的負載，而這些負載在緊急情況下的關鍵程度不盡相同，因此，對于EPS來說，某些配電管理功能至關重要。

a、順序啟動功能諸如，EPS的負載很大一部分是感性沖擊負載，具有較大的啟動電流，在選型時必須加大EPS容量，從而造成設備資源的浪費以及用戶成本的增加。實際上，由于EPS負載供電的可間斷性，EPS可增加一個8路或16路的可編程配電管理接口，通過對負載啟動的順序、時間進行控制，可在很大程度上解決啟動沖擊電流和加大選型容量的問題。

b、部分卸載功能由EPS負載性質(zhì)決定，當過載發(fā)生時，需要EPS盡可能繼續(xù)工作，而不能象UPS那樣進行保護性關機，因此，同樣可通過配電管理接口卸除次要負載。

c、電池管理由于EPS的使用環(huán)境一般較UPS惡劣，為盡可能延長蓄電池的使用壽命，充電器應同時具備以下功能：

（1）可設定充電限流；

（2）可設定電池放電終止電壓；

（3）具有自動浮充功能，充電機制應符合DIN41773標準；

（4）具有浮充電壓溫度補償功能；

（5）智能電池檢測功能；

（6）深放電保護(可強制應急)。

4、變頻起動功能目前變頻起動型EPS的設計，如圖8所示，主要著眼于解決較大電動機，如電梯、水泵、風機等負載的起動沖擊問題，但更為合理的設計，應該是在線式UPS與變頻器技術的完美結(jié)合。在線式UPS具有成熟的整流、電池管理技術；變頻器具有成熟的變頻控制技術，兩者的有機結(jié)合才是這一應用領域的終發(fā)展方向。

隨著社會的進步和發(fā)展，環(huán)境要求的不斷提高，消防意識也越來越被人們重視。EPS以其特有的優(yōu)越性將被人們認識和采用，在一個工程中，它可以靈活的運用在消防供電回路末端、個別重要場合等多種情況。在選擇應急電源上，不再只局限于柴油發(fā)電機了，因為它們各自的特點分別適用于不同的工程，這將為整個社會的安全提供更有力的保障。