EPS应急电源的兴起和现状以及发展趋势
韦德电子有限公司 工程部
摘要:应急电源EPS的工作原理,以及如何使用户能够理性的去选择产品。文中详细分析了EPS的构造和工作原理以及带负载时的工作特性和运行参数。
关键词:应急电源;EPS;应急电源工作原理;EPS特性
EPS应急电源已被广泛应用于建筑电气领域和特殊应急供电场合。随着社会发展，越是信息化、现代化，就越依赖于电力。突然的断电必然会给人们正常的生活秩序和学习带来影响，尤其是对于生产、生活中特别重要的负荷，一旦中断供电，将会造成重大的经济损失。然而，电力故障具有突发性，不以人们的意志为转移，即使电网设施再先进，意外的断电也在所难免。目前，城市供电系统的安全对策一般是采用并网供电，为城市电力提供可靠的电源保护。但从企业及工业、民用建筑使用情况来看，仅仅靠公用电网还远远不够，必须具备应急供电系统（EPS），其重要性是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电力，以有效降低因为断电而造成的损失，为人们生产和生活安全提供保障。因此，EPS也被称为“城市生命线系统”的重要组成部分。
1.1 EPS应急电源的分类
目前市场上的EPS应急电源品牌众多，大家在设计上所采用的控制方式和控制手段不尽相同，但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种：一是主要用于应急照明和事故照明的单相EPS相应我公司的WY系列；二是用于应急照明、事故照明之外，还有应用于空调、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列EPS相应我公司WYS系列；三是直接给电动机供电的变频系列EPS相应我公司WYS/B系列。
1.2 EPS应急电源的设计要求
EPS应急电源可以说是近两年才迅猛发展起来的一个新兴产业，相比于发展成熟的UPS而言，有相同之处，也有不同之处。其相同点在于都具备在市电故障(中断)情况下继续向负载提供交流电源的功能，均采用了IGBT逆变技术和脉宽调制(PWM)技术。不同之处是UPS除了提供不间断供电外，还兼备改善市电品质的功能，而EPS应急电源则主要解决市电故障时的应急供电问题；UPS主要是为IT行业设备提供用电保障，EPS应急电源则适用于各种行业；UPS供电模式要求切换时间很短(0～10ms)，EPS应急电源则相对较宽(0～4s)；UPS主要带计算机类负载，而EPS应急电源所带负载混杂；UPS对于运行环境要求较高，EPS应急电源则要求能适应各种环境；UPS以一般用户监控为主，EPS应急电源主要用于应急供电，要求与消防联动；UPS以维护信息传输畅通为主要目的，EPS应急电源以防范重大灾难事故为主要目的。可以形象地比喻，UPS以“救数据”为主，而EPS以“救人”为主。一般EPS功率较大，机内的逆变器处于备用状态。
鉴于EPS应急电源的主要设计思想是在市电突然中断时提供安全可靠的应急电力供应，有效避免发生灾害时的人身伤亡和财产损失为原则。因此，在设计EPS时应着重考虑其安全性、可靠性、适用性及合理性。主要有：
1）断电转换时间一般在毫秒级(25ms)，以保证供电的及时性；
2）负载适应能力强，包括电容性、电感性、混合型负载，而且过载能力和抗冲击能力强；
3）有多路输出，防止输出单一形成的故障；
4）有消防联动和远程控制信号，可手动与自动相互转换；
5）环境适应能力强，适用于各种恶劣环境，有防止高低温、湿热、盐雾、灰尘、震动及鼠咬等措施；
6）使用寿命长，有电池快速充电能力和管理能力；
7）节能，运行效率高，运行成本低；
8）有无人值守、自动操作功能；
9）报警功能齐全，能及时提供各种异常状况的报警；
10）有强启动功能，避免电池环节保护后无法启动；
11）无烟雾、无噪音、无公害等；
12）维护简单，维护费用低。
1.3 EPS应急电源的设计原理
1）应急照明和事故照明类照明型的EPS一般以单相为主，主要为应急照明场合（商场、娱乐场所、办公场所、交易场所等）提供集中供电，如图2所示。当输入电源正常时，市电一路通过转换装置输出给日常照明，另一路通过充电器给电池组充电，当控制器检测到市电中断或异常(偏低或偏高)时，向逆变器发出启动信号，并控制互投转换装置转至逆变器输出。当然，对于EPS的接法不同，还可以把EPS当作二路电源、三路电源使用。
2）应急照明及混合型负载类此类型EPS一般适用于负载性质比较复杂的场合，譬如既有照明型负载，又有动力型负载，所以一般以三相居多，如图3所示。适用场合为宾馆、高层建筑、医院、大型商场等。
3）电机专用的变频起动类此种类型EPS主要为电机类负载而设计，避免因电机起动过程中的大电流冲击而损坏设备。被广泛应用于大功率电动机负载，比如电梯、消防水泵、大型风机等。与其他EPS的不同之处是此类EPS一般只有单路输出，如图4所示。当三相输入市电正常时经整流后给逆变器提供直流电，同时经充电器对电池组充电；当三相输入断电或异常时，自动转由电池组给变频器提供直流电。当需要电机负载工作时，送给变频器启动信号(运行信号、远程控制信号等)，变频器会立即输出。从0～50Hz变频，供给电动机进行变频起动，当其频率到达50Hz后保持正常运行。
1.4 EPS应急电源领域的现状
随着科技的不断发展，众多的智能大厦拔地而起，人们在对其居住环境提出了更高要求的同时，也提出了电力保障和消防安全问题。但EPS的起步较发电机和UPS要晚，人们对其认识的程度还不够，所以在众多的应急供电场合，还是以发电机和UPS为主要应急供电方式来实现EPS的功能。就提供应急供电能力而言，这两种方式已暴露出许多不足之处。
1）用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的，也是最常见的应急备用电源，由于柴油发电机的容量较大，可并机运行且连续供电时间长，所以已经有较长的应用历史。然而，无论发电机的起动速度有多快，从停电后使发电机接到起动信号开始，至发电机电压、频率等达到稳定可以供电时为止，至少需要数十s至数min，这段时间，所有用电设备均停止工作，就可能造成少数设备的损坏或出现生命财产的安全问题。而EPS的启动一般不会超过25ms，所以不会影响设备的正常工作。
另一方面，柴油发电机应用在应急供电场合，有诸多不利之处，主要有：
（1）在高层建筑中，柴油发电机组一般放在地下室，设计难度大，造价高，配备进风、冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑；
（2）存在火灾隐患。其油罐像一个极为危险的“炸弹”，万一失火，后果不堪设想；
（3）日常维护比较频繁，工作量大；
（4）柴油发电机噪音大，产生公害；
（5）排烟中有大量的二氧化硫，污染严重，影响环保。
以负载容量为200kW为例，将EPS与柴油发电机组的性价比作一个比较。选用EPS时，其额定功率与负载功率比为1：1即可，其总价约为60万元左右。而选用柴油发电机时，其额定功率与负载功率比应为1.3～1.5：1，对200kW的负载，柴油发电机组需250kVA规格，该机组价格为40万元左右，但是除机组本身价格之外，还需外加其他辅助装置费用约16～29万元，现以20万元计算，即选用柴油发电机组总价为60万元左右。所以，二者价格相差不多。从中也不难看出，如果EPS容量小于200kW时，其价格要小于柴油发电机组的综合造价。目前消防应急供电场合的负载总容量一般在200kW以下，从投资的长远利益考虑，EPS较柴油发电机组经济得多。
2）用UPS作为应急电源EPS从原理结构上和UPS大同小异。在线式UPS不论市电是否正常，它都一直由逆变器供电，即按照“市电输入→整流→逆变→输出”的顺序进行，只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出，如图5所示。而EPS，当市电正常时，市电通过开关S输出给负载，同时充电器对电池充电。当控制系统检测到市电停电时，逆变器工作，使开关S切换至逆变输出状态，向负载提供电能，如图6所示。
从以上供电系统图可以看出，UPS是一种双变换结构的不间断电源，主要为负载提供稳定的高质量电能，不受市电电网的影响，而且其转换时间一般在10ms以内，所以，UPS被广泛应用于计算机、程控交换机、医疗设备及精密电子仪器等不能中断供电的场所。但正因为UPS不仅担负着应急供电外，还担负着改善电力品质的任务，所以其逆变器要连续不断地工作，使用寿命相对较短，一般为5～8年，尤其是电池的更换较为频繁。另一方面，UPS的逆变器长期处于工作中，自身的损耗较大，而且对使用环境要求很高，只能放在计算机房或空调房间里。
UPS专为IT行业的计算机类和通讯类负载而设计，其负载适应能力不及EPS，举例说明，如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负载，那么在UPS的设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的起动电流通常是其额定电流的5～7倍，而UPS的过载能力标准规定：过载125％时，A类为10min，B类为1min，C类为30s；过载150％时10s。如果想要UPS能承受电动机起动电流的冲击能力，势必要增大UPS的额定容量，这无疑将加大投资，还未必能彻底解决问题。因此，选用UPS作为应急电源，工作既不可靠，还得花费大量资金。
2 UPS/EPS的发展趋势
2.1 UPS/EPS的控制技术
中小型UPS/EPS的AC／DC和DC／AC变换大多数仍采用模拟控制电路，AC／DC变换器的控制芯片大多数已集成化，使用简单，工作可靠。DC／AC变换器的控制有两种基本方式，一种是单闭环控制，另一种是双闭环控制。前者控制电路简单，但难于实现输出端短路自动恢复。后者控制有电流内环和电压外环，电压调节器的输出为电流调节器的给定，因此，限制电流给定幅值也就限制了逆变器的最大输出电流。
当前，数字控制已成为新型UPS/EPS控制技术发展的主流，数字控制器具有精度高，抗干扰能力强，易于实现对UPS的检测、故障诊断和隔离，易于实现遥控遥测，实现多台UPS的并联和热插拔，易于实现对蓄电池的监控和管理。也就是说，计算机的介入使UPS具备了智能化，可以使其运行在最优状态。
2.1.1 DSP的应用
采用数字信号处理器(DSP)的数字PWM技术，是数字控制技术的核心，用于保证UPS/EPS输出电压的质量，即保证输出电压、频率和输出电压波形满足技术指标的要求。数字控制的另一个重要功能是实现UPS/EPS的初始自检和运行自检，进行故障保护和故障隔离，这是模拟控制器无法胜任的。由于数字控制器的灵活性，使UPS控制器的硬件电路可以标准化，从而简化了生产、使用和维修，也大大提高了工作可靠性。
2.1.2 控制电路的全微处理器化
UPS/EPS电路是由以下几部分组成的：主电路、驱动电路、监控显示及控制保护电路和通信界面电路。其中监控、显示及控制保护电路和通信界面电路，可以运用数字化设计技巧简化其电路，并解决原类比电路需要调整、具有温漂及参数调整不易的缺欠。采用的方法是：
1）全微处理器化利用微处理器来执行监控、显示及控制保护电路和通信界面电路的功能；
2）半微处理器化利用类比电路处理快速反馈保护电路，而由处理器处理慢速反馈、报警、显示及通信界面的功能。
2.2 蓄电池技术
蓄电池是UPS/EPS的心脏，不管UPS/EPS电路多么先进，其性能最终取决于它的电池，一旦电池失效，再好的UPS/EPS也无法提供不间断供电。
目前，UPS/EPS一般都使用免维护密封铅酸蓄电池，由于采用阴极吸收式密封技术，克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点，具有“免维护”、使用方便、不污染环境、体积小、重量轻的优点。它使用高氢过电位的板栅材料，减少了电池在存放和充电过程中的气体分解。正极表面的超细玻璃纤维膜，阻止了活性物质脱落，提高了电池的寿命。安全阀的使用使蓄电池很少产生气体，又可使已产生的氧气被负极铅所吸收，使蓄电池无水的损失，达到了密封免维护的目的。
一般情况下，影响电池性能的主要因素是连续充电，电池连续充电大约要减少一半的使用寿命。目前国外使用一种ABM(Advanced Battery
Management)三阶段电池管理方案，即充电分成三个阶段：第一阶段是恒流均衡充电，将电池容量充到90％；第二阶段是浮充充电，将电池容量充到100％，然后停止充电；第三阶段是自然放电，在这个阶段里，电池利用自身的漏电流放电，一直到规定的电压下限，再重复上述的三个阶段。这种方式改变了以前那种充满电后，仍使电池处于一天24h的浮充状态，因此延长了电池的寿命。
金属化镍氢电池具有高能量密度的优点，而且又无镍镉电池可能造成的镉污染，将其应用于UPS/EPS可以收到小型轻量化的优点。但其缺点是售价太高。美国Alupower公司研发的高功率铅－空气备用电源装置(RPU)，运行≥50h，功率从600W到6000W，电压有DC24V和48V两种，其能量密度是铅酸电池的十多倍，重量只有铅酸电池的1／10，所占空间只有铅酸电池的1／7，有望取代铅酸蓄电池应用于UPS/EPS。
3.3 EPS应急电源的发展趋势
由于EPS所带负载类型的复杂性和环境的相对固定性，针对不同场合、不同负载，可对EPS功能做得更贴近现实应用。其中包括以下几方面。
1）结构组成普通EPS为了更好地结合实际应用，往往采用“多合一”的结构设计，但由于负载及环境的复杂性，也由此带来设备标准化和设计院所、用户选型的困难。解决的办法是采用模块化设计，将主机与输入或输出配电分离开来。主机模块完成主要的能量转换及通讯控制功能；配电模块实现丰富的配电管理功能。主机模块通过标准控制接口实现对配电模块的管理，如双电源自动切换功能，多回路输出功能，消防联动功能均应在配电模块中实现。
2）配电模块应增加功能EPS用于紧急负载的供电，其负载往往为非单一的负载，而这些负载在紧急情况下的关键程度不尽相同，因此，对于EPS来说，某些配电管理功能至关重要。
（1）顺序启动功能诸如，EPS的负载很大一部分是感性冲击负载，具有较大的启动电流，在选型时必须加大EPS容量，从而造成设备资源的浪费以及用户成本的增加。实际上，由于EPS负载供电的可间断性，EPS可增加一个8路或16路的可编程配电管理接口，通过对负载启动的顺序、时间进行控制，可在很大程度上解决启动冲击电流和加大选型容量的问题。
（2）部分卸载功能由EPS负载性质决定，当过载发生时，需要EPS尽可能继续工作，而不能象UPS那样进行保护性关机，因此，同样可通过配电管理接口卸除次要负载。
3）电池管理由于EPS的使用环境一般较UPS恶劣，为尽可能延长蓄电池的使用寿命，充电器应同时具备以下功能：
（1）可设定充电限流；
（2）可设定电池放电终止电压；
（3）具有自动浮充功能，充电机制应符合DIN41773标准；
（4）具有浮充电压温度补偿功能；
（5）智能电池检测功能；
（6）深放电保护(可强制应急)。
4）变频起动功能目前变频起动型EPS的设计，如图8所示，主要着眼于解决较大电动机，如电梯、水泵、风机等负载的起动冲击问题，但更为合理的设计，应该是在线式UPS与变频器技术的完美结合。在线式UPS具有成熟的整流、电池管理技术；变频器具有成熟的变频控制技术，两者的有机结合才是这一应用领域的最终发展方向。
图8 变频起动
结语
随着社会的进步和发展，环境要求的不断提高，消防意识也越来越被人们重视。EPS以其特有的优越性将被人们认识和采用，在一个工程中，它可以灵活的运用在消防供电回路末端、个别重要场合等多种情况。在选择应急电源上，不再只局限于柴油发电机了，因为它们各自的特点分别适用于不同的工程，这将为整个社会的安全提供更有力的保障。
参考文献
1 《民用建筑电气设计规范》 中国计划出版社,1993
2 GB17945-2000国家标准(消防应急灯具)
3 《应急电源用的EPS和UPS》 李成章
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