摘要：UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）不间断电源作为重要的备用电源设备，已经在金融、通信等传统领域的数据中心得到了广泛的应用，随着大功率UPS制造技术的不断突破，UPS正逐步大量应用于、石油和天然气等能源行业系统中。本文介绍了UPS电源的结构与工作原理，并对UPS的同步跟踪详细分析。
关键词：UPS 工作原理 同步跟踪
对于现代大型电厂，寻求高品质和稳定性强的备用应急电源，是构成厂用电系统的主要组成部分。这将直接关系到电厂能否在日常运行或紧急特殊情况下良好的运行，在厂用电系统中的特殊情况(停电、电力间断、电压跌落等)将会造成厂用电气系统运行中的重大损失并带来安全问题。为避免重要设备在电能质量问题的影响下造成的损失，不间断电源(UPS)理所当然的担负起解决电力保护系统中方案的核心部分，它可以提供安全、稳定、高效率的电力能源，并且涉及到大型电厂的各类系统中。（高等级且稳定性的供电和安全的备用电源）
本片文章主要对UPS的工作原理做了详细的讲解，文中主要包括UPS电源切换、跟踪及同步等内容。
一、UPS的切换
1.1 不间断电源（下文称UPS）在正常运行情况下，由厂用电（市电）通过整流、逆变器为负荷提供幅值稳定的正弦波交流电。因此，整流逆变器单元多是由SCR+IGBT组成，IGBT元件自身的过载能力是受限的。对于较小的过载（≤1.6In），IGBT是可以较短时承受，但对于大负荷的过载能力或是母线负荷的短路接地则无法承担，导致IGBT元器件的故障，失去不间断电源。而UPS自身作为安全稳定且不可间断的电源存在，这使得它不能随意断开负荷。静态切换开关的出现成功的解决了此类问题，在设备的运行中突发出现的大负载现象是，静态切换开关则将负荷从逆变器电源切换到UPS旁路备用电源（我厂UPS旁路电源取自各机组的柴油应急发电机380V保安段）供给。为保证逆变器电源向UPS旁路电源的正、反向切换是不间断的，逆变器电源将需要与旁路电源进行重叠切换。两个独立的正弦交流电进行重叠时，电压、幅值、频率和相位在切换过程中要保持一致，而非同步（同期）切换时，则造成切换瞬间的电位差U△，形成两个电源之间的环流（图-1）。电位差导致的环流，将引起逆变器电源的严重过载，甚至损坏IGBT功率元件。
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图-1
若同步状态下，逆变器电源输出过载，负荷在旁路的容限范围内，负载会切换至旁路带载。当负载减小到≥额定功率时，经过时间延滞后（该时限可设定，我厂为10秒），静态切换开关可自动将负荷换回逆变器电源供电。当负荷过载量＞1.65Pn，负载由逆变器切换至旁路电源，每次经时间延滞后切回逆变器时，切换计数器增加计数为1。为保证电源参数稳定，切换计数器达到设定值时，UPS电源则将不再进行回切，逆变器电源退出，负荷维持在旁路电源供给。
1.2 切换条件：逆变器电源与旁路电源之间，进行不间断切换条件是电参数同步（电压幅值、频率和相位必须一致）。因UPS旁路电源是厂用电常用电压，它受我厂供电情况及负载特性的影响，幅值和相位（波形）时时刻刻发生变化，为了保证逆变器电源与旁路电源的不间断切换，逆变器电源所产生的正弦波就应时刻与旁路电源同步状态，随旁路电源参数变化而变化。但如果旁路电源参数变化过大，逆变器提供的电源质量就相对较差，负载必定受其影响。因此，将逆变器与旁路电源参数的 变化范围定义在:
a.电压幅值：±10%额定电压；
b.频率幅度：±0.5%~±4%额定功率；
c.相位差：±3°
当逆变器电源和旁路电源参数满足以上条件时，就可以实现逆变器电源和UPS旁路电源之间的不间断切换（既电源重叠切换）；而当两路电源参数不能满足上述条件时，则逆变器电源和旁路电源之间进行电源间断切换或不切换。
二、UPS的同步和跟踪
2.1 同步（Synchronization）是指用一个信号的电源参数作为目标参数，用于调整被调节信号电源参数，使该受控信号的电参数与目标参数一致。
2.2 跟踪（Tracing）是指作为目标信号的频率相位发生变化时，通过频率控制器，调整受控信号电源参数，使受控信号电源参数跟随目标电源参数变化而发生变化的实时动态调节过程。
2.3 在UPS的正常运行中，作为主要供电的逆变器电源频率和相位，总是实时且有条件的跟踪UPS旁路电源的频率和相位变化而作出调节。例：
当UPS旁路电源频率在50Hz±1%的范围内变化时，逆变器电源的频率和相位与UPS旁路电源参数相一致。此时，满足主旁路的不间断切换条件，允许其正向和反向切换；当超过50Hz±1%的范围时，逆变器则不再跟踪旁路电源参数，根据IGBT逆变器控制器的控制信号，采用正弦脉宽调制提供纯净的50HZ正弦波。当旁路电源参数返回50Hz±1%这个范围内时，逆变器控制器则重新调整电源参数，再次跟踪旁路电源的频率及相位参数（图-2）。
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图-2
2.3.1 旁路电源频率慢速变化的主路电源频率变化适配：
倘若UPS旁路电源频率变化率≤0.05Hz/s，且UPS旁路电源频率在最大容限范围内，逆变器的电源输出频率会以一定的速率调整与UPS旁路电源频率同步，保持两者的相位差＜±3°。如果UPS旁路电源的频率变化率大于参数值（该参数可设定），逆变器电源的输出电压与旁路电源电压之间的相位差就会＞±3°，这将导致逆变器电源和旁路电源之间进行电源间断切换或不切换。
2.3.2 旁路电源频率快速变化的主路电源频率变化适配：
受UPS旁路电源频率快速变化影响，为了防止敏感负载受到频率过速变化的影响，逆变器控制器会按照设定值（0.5、1、1.5或2.0Hz）来限制同步配旁路电源频率的变化速率。
总结
科学技术飞速发展的今天，在电力工业、冶金、金融、铁路等等行业对电源的要求越来越高，特别是重要数据的保存显得尤为重要，为了确保这些重要数据不至于发生丢失、损坏等事情，就需要有足够的时间进行备份和故障处理，UPS给我们提供了这一解决方案。这就说明了UPS在工作中起到了举足轻重的作用。
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