电容储能AUPS与传统电池储能UPS性能对比研究

摘要：以铅酸电池作为储能元件的传统型UPS不间断电源广泛应用于电信、金融、互联网、数据中心等领域，在电网失电情况下为各类负载提供持续的电力供应。在我国电网基础设施建设日益完善、电力供应自动化程度提高、供电可靠性有高度保障的情况下，在节能、减排、环保的趋势下，文章对基于铅酸电池的传统UPS电源的供电方式进行了探讨。

关键词：电容储能；电池储能；铅酸电池；UPS；AUPS；储能元件 文献标识码：A

中图分类号：TM911 文章编号：1009-2374（2016）27-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.010

UPS不间断电源（Uninterruptible Power System）是一种含有储能装置、以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，其广泛应用于电信、金融、互联网、数据中心、铁路、民航等领域。在我国电网基础设施建设日益完善的形势下，有必要对基于铅酸电池的传统UPS电源的供电方式进行重新探讨。

UPS电源从工作原理上分为在线式（On-Line）及后备式（Off-Line）两种，在绝大多数应用领域中都以在线式UPS为主，因此本文重点对在线式UPS进行讨论。

1 传统UPS电源原理介绍

在线式UPS（On-Line）运行时，市电和用电设备是隔离的，市电不会直供电给用电设备，而是分为两路：一路通过UPS内部电路向蓄电池充电；另一路通过UPS内部的整流、逆变电路，向负载供电。当电网出现断电时，蓄电池所储存的电能通过UPS内部的逆变电路，向负载持续供电，直到电网恢复正常才转回充电状态。

在线式UPS的整流逆变电路始终处于工作状态，通过电路将外部交流电转变为直流电，再通过逆变器将直流电转换为交流电，输出给用电负载，当市电断电及恢复时，对于负载来说，供电可以保持持续，不存在切换时间问题。图1是在线式UPS的工作原理图：

2 UPS电源的典型应用

在大多数UPS应用中，尤其是通讯、金融、互联网、民航、铁路等对供电连续性要求极高的场合，考虑到电池储能供电时间及成本，往往同时配备了柴油发电机组，在电网断电时，启动柴油发电机组，以保证可以长时间对负载供电。图2是采用市电及油机的双路供电系统。

图2中将负载分为一般负载和重要负载，其中服务器、监控、消防为供电重要负载，由UPS供电，制冷、照明等其他负载由电网直接供电。当电网市电断电后，监控系统启动柴油发电机组，在柴油发电机组启动完成前的短时间内，UPS通过电池持续向重要负载供电，而普通负载则会短时间断电；当发电机组启动完成后，ATS自动切换，UPS由柴油机组供电，电池重新处于充电状态，而普通负载则重新开始由发电机组提供电力。

3 传统UPS存在的问题

3.1 传统UPS电源的能耗分析

传统UPS的损耗主要产生于其内部整流机逆变电路，对于直流直接连接电池组的UPS电源，还会产生额外电池充放电损耗。

3.2 蓄电池储能型UPS的维护及环境污染问题

电池是UPS系统中最薄弱的环节，日常维护对其使用寿命有很大影响，大容量UPS一般均为多组电池串联工作，经过一段时间的运行后，每组电池电压会有较大偏差，因此定期进行均衡充电维护是必要的。有的UPS设计会使电池产生纹波电流，造成电池不必要的过热，会缩短电池使用寿命。一般情况下，大容量UPS电源配备的蓄电池，3年左右放电容量会有显著下降，此时应更换蓄电池。

铅酸蓄电池如果不进行有效回收利用，会对环境、土壤造成极大的污染，在我国废旧铅酸蓄电池回收率低，尤其是回收及再利用过程中对环境造成的二次污染非常严重，在废旧蓄电池回收、拆解、再利用环节，我国急需设立法律、法规，加强监管。

4 以电容器为储能部件的AUPS介绍

随着新材料及电力电子控制技术的发展，摒弃传统铅酸蓄电池，采用新型超级电容器作为储能部件的先进性不间断电源（AUPS）正迅速在很多领域得到应用。

超级电容电池通过极化电解质来储能，属于双电层电容的一种。由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，正因为此超级电容器可以反复充放电数10万次。超级电容内阻小、允许充放电电流大，使用寿命超过20年，容量几乎没有衰减。超级电容功率密度高，相当于普通电池的数10倍，其原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。

4.1 AUPS先进型不间断电源的工作原理

AUPS先进型不间断电源包括超级电容、整流逆变器、电子旁路、机械旁路等部分，如图3所示：

目前电网供电电压精度在绝大多数场合已能完全满足负载要求，而AUPS最快相应时间仅需要1.2m/s，因此其工作于待机方式，即可实现电网至逆变器的无扰动切换，对各种敏感负载都没有任何影响。当检测到电网电压跌落超过10%，则在1.2m/s内迅速启动，通过超级电容向负载供电，当电网恢复时，再切换到电子旁路，还原至待机状态。

AUPS的核心部件是内部的整流逆变器，与铅酸蓄电池储能不同的是，AUPS逆变器不需要考虑纹波电流的影响，超级电容直接与逆变器的直流母线连接。

4.2 AUPS先进型不间断电源的典型应用

系统采用市电及油机双路供电，关键负载由AUPS供电。当市电正常时，AUPS处于待机检测状态，电子旁路工作，全部负载均由市电提供电力。当电网失电后，AUPS迅速启动，在1.2m/s内由超级电容向关键负载供电，并等待油机的启动，一般情况下，在10s多时间内，油机可启动完毕，达到同步，此时AUPS开启电子旁路，逆变器退出工作。

4.3 AUPS电源的功耗

一般AUPS均设计工作在后备工作方式，在这种待机工作状态下，整机只有控制电路及电子旁路消耗电能，不需要冷却风扇散热。其中电子旁路采用双向可控硅，正常工作压降是1.2V，在400VAC下，功耗占比约0.6%，由于不需要强迫冷却风机，控制部分耗电量约为0.2%，总功耗约为0.8%。相比于传统UPS电源，节能效果非常显著。

4.4 AUPS的可靠性分析

传统蓄电池储能UPS电源的可靠性主要取决于其内部逆变器和储能蓄电池，逆变器长期24h工作，设备发热量大、温升高，需要强迫风冷散热，其故障率远高于AUPS的双向可控硅，而铅酸蓄电池更是UPS的最薄弱环节，存在容量衰减、放电循环次数限制、放电深度不均、漏液、短路、断路等许多安全隐患，且每三年左右就需要更换，而超级电容器完全不存在上述问题，在20年内，即成套设备寿命期内都不要更换，具有更高的安全可靠性。

5 AUPS与UPS的性能对比

6 结语

综上所述，本文针对传统铅酸蓄电池储能的UPS不间断电源及以超级电容储能的AUPS先进性不间断电源的特性，研究了其电路原理及典型应用、设备功耗、寿命、可靠性、环保等关键问题，结果表明，在目前电网供电设施完善、供电质量有效保障的情况下，在绝大多数应用场合，尤其是大容量应用下，采用超级电容储能的AUPS无论在能耗、寿命、可靠性及环保方面都具有显著的优势，因此在开放Ⅱ类运行的机场的灯光站，建议采用AUPS代替UPS。

参考文献

[1] 侯振义，王义明.UPS电路分析与维修[M].北京：科 学出版社，2001.

[2] 李成章.现代UPS电源及电路图集[M].北京：电子工 业出版社，2001.

作者简介：肖勇，男，湖南人，供职于桂林两江国际机场，中级职称，研究方向：建筑电气。

（责任编辑：黄银芳）