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)儲能 飛輪儲能

　　1.引言

　　UPS(Uninterruptible Power Supply)意為不間斷電源系統(tǒng)，它能夠為負載提供連續(xù)穩(wěn)定的電能。隨著計算機、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，完成對儲能機構(gòu)充電，同時通過逆變器向負載供電
　　儲能機構(gòu)：儲能機構(gòu)是UPS的核心部分，當(dāng)市電正常時，儲能機構(gòu)從電網(wǎng)吸收能量儲存起來；當(dāng)市電中斷時，儲能機構(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能機構(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；控制儲能機構(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，以達到改變輸出電壓的目的，這樣就會產(chǎn)生諧波電流，當(dāng)整流電路濾波電抗足夠大，不計換相重疊角且控制角為零時，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，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)通的時間；控制角α表示觸發(fā)延時時間，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，可以忽略不計時，則相控整流器的功率因數(shù)表達式為

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進行計算。

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)時會產(chǎn)生有功損耗，對電網(wǎng)的經(jīng)濟運行很不利。另外，電網(wǎng)中設(shè)置的并聯(lián)電容器的容抗會隨著諧波次數(shù)的增加而減小，因而會使電容器過電流發(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，直接破壞整個系統(tǒng)的安全運行。

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

　　大量的諧波會使用電設(shè)備運轉(zhuǎn)不正常或者不能正常操作；諧波同時會干擾通信系統(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)能儲存起來。當(dāng)市電中斷時，UPS將依靠儲存在蓄電池中的能量維持逆變器的正常工作，此時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)會逸出擴散到空氣中。鉛酸蓄電池制造過程中會產(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)是高價氫氧化鎳，負極性物質(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)，對某些諧波進行吸收，因此只能抑制固定的幾次諧波，補償固定的無功功率。針對無源濾波器的上述缺點人們提出了在UPS網(wǎng)側(cè)設(shè)置有源濾波器對諧波和無功進行補償。有源濾波器以時域分析為基礎(chǔ)，對畸變波形實時跟蹤補償，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，并且能補償各次諧波，自動產(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行濾波，實現(xiàn)輸入電流正弦化。

此外可以在 UPS的結(jié)構(gòu)上進行改進，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)補償電路結(jié)構(gòu)，如圖4.1所示，

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

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

逆變器（II）是一個電壓源，并接于負載兩端，穩(wěn)定輸出電壓，保證向負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）輸出功率進行正極性補償時，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償時，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)送給負載。

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

另外，逆變器（II）還對負載端的無功電流和諧波電流進行補償，保證負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償電路既可以實現(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)的運行效率也很高。此種UPS接入電網(wǎng)不僅不會造成電網(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)展的同時保護環(huán)境，成為社會生活中的大問題， UPS中大量采用鉛酸及鎘鎳蓄電池作為儲能裝置，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)保的無污染的儲能裝置替代原有的化學(xué)電池，目前新興的高科技儲能技術(shù)主要有兩種：超導(dǎo)儲能和飛輪儲能。

4.2.1.超導(dǎo)儲能(SMES)

　　超導(dǎo)材料具有高載流能力和零電阻的特點，可長時間無損耗地儲存大量電能，需要時儲存的能量可以連續(xù)釋放出來。在此基礎(chǔ)上可制成超導(dǎo)儲能系統(tǒng)。超導(dǎo)儲能裝置一般由超導(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)儲能裝置的核心部件，它可以是一個螺旋管線圈或是環(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存起來。如果線圈由普通的銅線繞成，磁能將會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）能量就會恒久地存在直到需要為止。線圈中存儲電流的能力是由溫度和磁場強度決定的，對于大多數(shù)超導(dǎo)儲能裝置來說，最佳的運行溫度是50-77K。

超導(dǎo)儲能裝置儲存的能量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。

一個完整的超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的運行原理非常簡單，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，直流電壓將會對超導(dǎo)線圈充電，能量被儲存在線圈中。能量儲存的多少是由裝置的設(shè)計決定的。當(dāng)交流網(wǎng)絡(luò)需要提供能量時，線圈作為電源，釋放儲存的能量，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

　　超導(dǎo)儲能裝置是一種的先進的儲能方式，它將電能儲存在超導(dǎo)線圈內(nèi)的磁場中，超導(dǎo)儲能線圈產(chǎn)生的磁場很強，儲存的能量密度很高，儲能與釋放能量的次數(shù)基本不受限制，由于超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中不存在化學(xué)反應(yīng)，在運行過程中不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，因此對環(huán)境幾乎不會造成污染。但是，超導(dǎo)的實現(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的維護費用就十分昂貴，這樣便限制了超導(dǎo)儲能應(yīng)用的普及。但是，超導(dǎo)儲能仍然是許多科研工作者們的研究方向。

4.2.2.飛輪儲能

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

E =1/2jω2 (1)

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

ω為飛輪轉(zhuǎn)動的角速度

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
細矩形棒k = 1/2

　　為了減少運轉(zhuǎn)時的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲能裝置的效率，飛輪儲能裝置軸承一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術(shù)，而且將電機和飛輪都密封在一個真空容器內(nèi)減少風(fēng)阻。通常發(fā)電機和電動機使用一臺電機來實現(xiàn)，通過軸承直接和飛輪連接在一起。

　　飛輪儲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機轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動的動能儲存起來，當(dāng)測控系統(tǒng)感知到網(wǎng)側(cè)電源不正常或者中斷時，又通過發(fā)電機將飛輪的動能轉(zhuǎn)化為電能，輸出到外部負載，其中整流器和逆變器為雙向的，在儲能狀態(tài)時保證對飛輪平穩(wěn)儲能，在釋放能量過程中保證輸出的電能符合負載的嚴(yán)格要求；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電源恢復(fù)正常時，飛輪回到備用狀態(tài)，整個裝置就可以以最小損耗方式運行。它的結(jié)構(gòu)框如圖4.2.2所示。

飛輪儲能的技術(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、維護費用低等優(yōu)點，必將逐步取代化學(xué)儲能裝置，占領(lǐng)更大的儲能設(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，都是對電流波形進行校正或補償，使其從電源側(cè)看呈現(xiàn)線性負載特性，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)儲能電池內(nèi)的重金屬，采用新的不含污染源的超導(dǎo)儲能、飛輪儲能裝置就可以從根本上消除UPS對環(huán)境的污染。

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