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EPS的原理特點與應用
摘要：從EPS的實際應用需求出發，通過對構成EPS的各功能單元之設計考慮和性能特征的分析，對EPS的構造原理、性能特點和適用領域作了較為全面的討論。
0 引言
隨著科學技術與經濟的進步和發展，社會對電力的依賴程度越來越高，特別是對那些重要、關鍵的電力負荷，一旦中斷供電，往往會導致非常嚴重的甚至災難性的后果。同時，人們的安全意識和對突發事件的防范意識也在迅速提高，應急供電系統或應急電源越來越受到人們的重視，并在更多的場合成為系統。
與傳統的雙路供電、自備發電機、蓄電池直流備用電源等應急供電方式相比，采用蓄電池儲能、通過半導體功率器件逆變取得交流電源的逆變式應急電源系統，具有許多*的優勢和更為廣泛的適用性，近年來得到迅速的發展，以至于提到“應急電源”和“EPS （Emergency Power Supply）”時，更多的是指這種逆變式應急電源。
逆變式應急電源（以下簡稱EPS）在結構與工作原理上與伴隨著信息產業發展起來的不間斷電源（UPS）非常相似，但EPS為滿足應急供電系統高可靠、高效率、負載多變、環境適應性好、自診斷能力強、多數時間處于備用狀態等特殊要求，在工作原理、工作方式、性能、構造、選用、安裝、維護等方面均與UPS有很多不同。正確的理解、設計、制造、應用和維護，是保證EPS長期可靠運行的必要條件。
1 EPS的構造與性能特點
EPS一般由充電器、蓄電池組、逆變器、自動切換裝置、輸入輸出配電裝置、電池監測裝置、系統控制器、狀態顯示器、設置操作裝置等部分組成。
1.1 充電器
為使蓄電池組保持滿荷電狀態并能反復循環使用，充電器EPS*的部分。因EPS通常工作于備用狀態，不需在線運行，所以EPS中一般不配置全功率整流器，應急供電時由蓄電池為逆變器供電，市電正常時，EPS通過切換開關直接向負載供市電，并由充電器對蓄電池充電。通常要求EPS的循環充電時間不大于24h，充電器的額定輸出電流值一般為電池組額定安時數的5%～10%。例如用于消防應急照明的EPS需要提供90min的應急供電時間，綜合逆變器效率和蓄電池放電效率等因素，標準配備電池組的總容量（電池組額定電壓×電池組總安時數）一般為EPS額定輸出功率值的2～2.5倍，因此充電器的額定輸出功率一般為EPS額定功率的10%～25%。當充電器功率較大時，可以在更短的時間內完成蓄電池的再充電。
EPS中的充電器一般采用恒流恒壓二階段充電方式或恒壓限流的充電方式。充電器的好壞對蓄電池的使用壽命影響較大，應保證最大充電電流不超過所配用蓄電池的允許值，浮充電壓符合配用蓄電池的推薦值，如具備溫度補償特性則更佳，高頻紋波電流應控制在較低水平。當然也可以采用其他充電方式，如循環充電方式、自動均充-浮充控制等，但在控制上略為復雜。市電正常時，EPS中的充電器通常還需要為控制系統供電。充電器應具備高可靠性和良好的自保護功能，應能適應較寬的輸入交流電壓范圍，以保證在各種惡劣供電環境中正常充電并為EPS的控制系統供電。因充電器功率較小，且多數時間內工作于輕載狀態，其交流輸入功率因數和諧波含量等指標并不十分重要。EPS中的充電器通常采用高頻開關電源技術實現，也有部分大功率的EPS采用了晶閘管相控整流型充電器。
1.2 蓄電池
蓄電池是EPS應急供電時的能量來源，是影響EPS可靠性的關鍵部件。目前EPS幾乎采用免維護鉛酸蓄電池，該電池技術成熟，價格較低，使用、維護簡單，成為UPS和EPS的。關于免維護鉛酸蓄電池的特點與應用已有許多文章論述，在此僅就其在EPS中應用時的幾個特殊問題作一討論。
(1) 多組電池并聯運行問題
在EPS中一般采用額定電壓12V的蓄電池串聯達到所需的額定直流電壓，在較大功率EPS系統中，為達到所需電池總容量，往往需要多組電池并聯，例如200kW的EPS，90min標準配置需要8～10組100Ah蓄電池并聯。而蓄電池制造商一般不推薦太多組（例如6組以上）電池并聯使用，原因據稱是容易導致環流和充放電不均衡。不同品牌或型號的蓄電池并聯自然是不可取的，而對于品牌、規格、型號相同的蓄電池并聯，在正常運行情況下的環流和充放電不均衡則不是主要問題，因為并聯運行時，各組電池的不均衡可以通過“環流”而趨于均衡。并聯運行的主要問題應當是各電池組間的能流難于控制。例如當把一組虧電的電池并入系統時，系統中的其他電池組會對其充電，且充電電流是不受控的，可能遠遠大于該組蓄電池允許的最大充電電流，從而導致該組電池的損壞甚至發生事故；當多組荷電狀態不均的蓄電池并聯時，初期充電電流可能會過于集中在個別電池組上，導致過電流充電；當多組并聯電池組中的一個電池組發生短路或漏電類故障時可能導致嚴重后果等等。因此當需要并聯的電池組數目較大時，應采取分組隔離措施，例如將8個串聯電池組分為兩大組，每大組由4個串聯電池組并聯構成，采用功率二極管進行隔離匯流，并采用兩個充電器分別充電。這樣的系統將更為可靠性和安全。同時，在各電池組并聯前，應先確認它們均處于充滿狀態。
(2) 蓄電池的工作溫區
因EPS常被安裝在地下室、低壓配電室等地方，環境溫度范圍較寬，0～40℃的環境溫度要求往往也得不到滿足。而免維護鉛酸蓄電池的推薦使用溫度一般為5～35℃，盡管電池制造商可能聲稱-15～50℃的工作溫度范圍，但溫度過高，蓄電池自放電加重，使用壽命明顯縮短，甚至會出現熱失控導致電池報廢；溫度過低時，蓄電池放電容量嚴重下降，并且充電困難，強行充電會導致氣體析出，影響蓄電池壽命。因此當EPS的安裝環境溫度過高或過低時，應當采取適當措施進行調節。
1.3 逆變器與負載適應性
逆變器是EPS的核心部件，市電異常時，蓄電池存儲的直流電能通過逆變器轉換成與市電相同頻率、電壓的交流電，供給重要負載。因此，EPS的應急供電質量、逆變效率、負載適應能力等多項重要指標都決定于逆變器的品質。同時，逆變器的可靠性也是影響EPS整機可靠性的關鍵之一。EPS的逆變器幾乎均采用了IGBT（或功率MOS管）SPWM逆變技術，該技術在UPS、變頻調速器等應用領域已得到充分的發展，是一項成熟技術。
目前經常會見到關于UPS與EPS負載適應能力差別的討論。市電正常時，EPS會直接向負載提供市電，其負載能力僅決定于供電回路中的斷路器、轉換開關和導線的容量，一般無需討論，但市電中斷時，由EPS逆變器輸出的應急供電必須保證其負載的重要負荷正常運行，因此UPS與EPS負載適應能力的差別本質上還是其逆變器負載能力的差別。
事實上，UPS與EPS的逆變器無論是拓撲結構還是工作原理都是相同的，差別主要來自設計參數和器件容量選擇的不同。目前的SPWM逆變器幾乎都是四象限運行模式，理論上能適應阻性、感性、容性和非線性等各種負載。有不少關于逆變器的負載能力與負載功率因數關系的討論，但究其原理，并有見到令人信服的分析或說明。電流相位的超前與滯后會影響電流在逆變開關管和反并聯二極管中的分配方式，因此會影響到功率器件的通態損耗和開關損耗，但影響并不顯著；而非線性負載可能導致很高的峰值電流，必須由功率器件承擔；沖擊性負載的沖擊電流也需要功率器件承擔。負載電流的超前與滯后對逆變器輸出能力的影響主要源自逆變器中的輸出濾波器，而逆變器對非線性負載和沖擊性負載的適應能力主要決定于功率器件的電流耐量和逆變器控制、保護方式；直流環節對逆變器的負載適應性也會產生顯著影響。例如，輸出濾波器中的濾波電容是并聯在逆變器輸出端的，其中流過的容性工頻電流一般為逆變器額定輸出電流的15%～40%，這相當于給逆變器的輸出加了一個容性偏置，因此逆變器帶容性負載的能力一般要比帶感性負載能力差。過多的容性負載還可能明顯改變輸出濾波器的截止頻率，進而影響逆變器閉環控制系統的穩定性。而當逆變器帶感性負載時，其輸出濾波電感對輸出工頻電壓的分壓比重增加，如果逆變器的輸出濾波電感較大且SPWM調制系數又沒有足夠的設計裕度，則可能導致輸出電壓下跌或波形畸變。又如，UPS主要是為信息設備供電，必須適應各種非線性整流負載，因此UPS的逆變器一般都能承受高達3倍的波峰比，這需要逆變功率器件具備足夠的電流耐量，并且直流母線電容具備足夠的紋波電流承受能力。再如，負載功率因數為1時，UPS的輸出容量下降為其額定容量的70%～80%，主要是直流環節的限制。如果不計逆變器損耗和電池充電所需，UPS中的整流器或直流/直流變換器僅需要為逆變器提供負載所需的有功功率即可，因此一臺按負載功率因數0.8設計的UPS，其整流器或直流/直流變換器只需按UPS額定輸出容80%的功率設計即可，當負載功率因數為1時，為保證直流環節不過載，輸出容量必須降為額定輸出容量的80%。如果在各環節都留有充足的設計裕量，或在使用中采取充分的降額，則SPWM逆變器*可以適應各種負載，但這勢必導致成本增加和資源浪費，因此，針對負載的需求合理設計才是的。UPS與EPS的設計目標不同，因此負載特性存在差異是自然的，但僅為適用領域的差異，并非優劣之分。
EPS的負載具有多樣性，但多數情況下是用于應急照明和動力負載。用于照明時，燈具有白熾燈、節能燈、日光燈和高壓氣體放電燈等等。用于動力負載時，又分為提供標準正弦波備用電源的普通型和直接變頻驅動電機的變頻型等等。
用于消防應急照明的EPS必須符合GB17945標準，其中對EPS的輸出容量是以kW為單位定義的，但實際上僅當負載功率因數為接近1時，該定義才是適當的，當負載功率因數較低時，EPS的電流輸出能力并不會增加，輸出視在功率額定值也不會增加，因此實際選用EPS時，必須考慮負載的功率因數和視在功率，而不能僅考慮負載的有功功率。按照GB17945標準的要求，EPS應能在120%負載時正常工作；當個別供電支路發生短路故障時EPS應能使該支路斷路器跳閘而不影響其他支路的正常工作。也就是說，標稱功率1000W的EPS，必須具備1200W的正常輸出能力；在局部負載發生短路故障時，EPS的逆變器必須能在短時間內以限流輸出方式輸出數倍于額定值的清除電流。由此可以看出，標稱容量相同的EPS和UPS，其逆變器實際輸出能力是存在差別的。
用于動力負載的EPS必須能夠承受電機啟動時的沖擊電流，但若將EPS的逆變器容量設計的過大也是不現實的。因此各EPS廠家都給出了電機負載不同啟動方式下配用EPS容量的計算方法，其核心是證EPS的逆變器在電機啟動時不至于過載停機。但是，為電機負載配置數倍于其額定功率的EPS既不經濟，也不合理，因為對于短時過載能力很強的逆變輸出變壓器和蓄電池而言，是能夠承受電機啟動時的沖擊的，在需要較大啟動電流的應用場合，適當加大功率器件容量以提高逆變橋的短時輸出能力，不失為一種更為合理的解決方案。實際上，用于動力負載的EPS在很大程度上具有根據用戶需求設計定制的特征，因而可以取得更合理的負載適應能力。
不少EPS產品采用原本為交流電機調速而設計制造的變頻器配以低通濾波器和輸出變壓器構成逆變器，在成本允許的情況下，確為一種良好的方案。因為工業用變頻器多由一些國際有名電氣公司研制生產，技術成熟、*，選材、工藝精良，具有很高的可靠性和負載能力，并且規格齊全、價格不高。多數變頻器均允許直流供電運行，選用適當容量的變頻器，合理設置運行參數后配以正確設計的低通濾波器和輸出變壓器，可以構成可靠性很高的逆變器。其缺點是濾波器和輸出變壓器在電壓控制環之外，因此逆變器的輸出電壓穩定性和波形略差，但用于應急供電已經足夠了。至于采用變頻器構成電機專用變頻驅動的EPS，其合理性更不必多說。
EPS的逆變器一般需要具備冷啟動能力（在無市電狀態下依靠*電池電力啟動），以滿足“強制啟動”功能要求，因此在蓄電池與逆變器直流母線電容間需要加裝緩沖裝置，以完成母線電容的預充電，防止過大沖擊電流導致器件損壞和直流輸入斷路器跳閘。
1.4 自動切換裝置與切換時間
為實現市電供電與逆變器供電之間的自動切換，自動切換裝置是EPS中的部件，也是影響EPS可靠性的關鍵部件之一。根據EPS的輸出容量和負載要求不，自動切換裝置可采用繼電器、交流接觸器、互投開關、晶閘管固態開關等構成。對EPS的切換時間要求具有多樣性，例如，一般消防應急照明要求切換時間小于5s，高危險區域使用的消防應急照明要求切換時間小于0.25s，為高壓氣體放電燈供電時，為保證不熄輝，則要求切換時間為數毫秒量級，為風機、泵類、卷簾門、電梯等負載供電時，根據應用要求不同，切換時間也會在數毫秒至數秒不等。
EPS與UPS不同，多數應用場合對切換時間并無苛刻要求，切換時間也并非越短越好，在能滿足應用需求的前提下，適當慢一點切換可以在其他方面獲益，例如降低損耗，減小暫態沖擊，提高可靠性，避免負載可能因瞬間失電而導致工作失常等等。市電正常時EPS的逆變器一般工作于備用狀態，且有冷備份與熱備份兩種工作方式。冷備份時，逆變器僅控制部分處于工作狀態，功率部分處于加電待機狀態，但不啟動；熱備份時，整個逆變器處于正常運轉狀態，但不承擔負載。當逆變器熱備份時，最短切換時間基本決定于所用切換裝置的動作時間；而當逆變器冷備份時，最短切換時間還要受逆變器啟動時間的制約。特別是容量較大的EPS，如果啟動過快，逆變輸出變壓器和低通濾波器會產生很大的暫態沖擊，甚至可能損壞半導體功率器件，因此逆變器一般都具備軟啟動特性，且功率越大，啟動越慢，大容量EPS逆變器的啟動時間可達數秒之久。如果要求更快的切換時間，則只能采取熱備工作方式，此時EPS的待機損耗自然要增加許多。
至于采用何種切換裝置，主要是根據對切換時間的要求而定。如果要求毫秒級的切換時間，則只能采用晶閘管固態切換開關，且逆變器要處于熱備狀態并保持與市電鎖相。與同容量的機械切換開關相比，晶閘管固態換開關的造價要高得多，通態損耗也大得多。在對切換時間無苛刻要求的應用場合，一般采用機械切換開關進行切換，容量較小的EPS一般采用功率繼電器，功率較大的EPS通常采用互鎖的交流接觸器或自動互投開關。與交流接觸器相比，自動互投開關動作較慢，但由于互投開關具有機械自保持特性，對于不頻繁的切換而言，在長期運行的可靠性方面更具優勢。
用晶閘管固態開關實現市電與逆變器輸出之間的快速切換技術已在UPS中應用多年，將其用于EPS亦不是困難的事情。關鍵是要實現逆變器的鎖相運行和對市電故障的快速檢測。在市電正常、逆變器也正常運轉的情況下，即使是進行不間斷的切換，在技術上也是可以做到的，但實際情況是，切換需要在市電突然發生中斷或故障時進行，因市電中斷或故障的發生時刻是隨機的和非預知的，檢測確認市電故障需要時間，此時的切換時間不可能小于檢測、確認市電故障需要的時間。為防止各種電源干擾導致誤動作，檢測時間不能太短。實踐證明，當檢測時間小于2ms時，其檢測可靠性會明顯下降。因此小于2ms的切換時間是不可取的。
在EPS的各種負載中，對切換時間要求的應當是高壓氣體放電燈。盡管這種燈具不允許用于消防應急照明，但由于其高強度、高效率，在許多大型場館中都有應用。由于此種燈具一旦熄輝，需要冷卻后方能重新啟動，為保證照明不發生中斷，為其供電的EPS必須具備快速切換能力。根據對多種高壓氣體放電燈產品的測試，如果不采取適當的續流措施，5ms的電力中斷即可能導致熄輝，個別產品甚至3ms電力中斷就會熄輝。
而對于某些電梯類負載，毫秒級的切換顯然不是必要的，但切換時的瞬間失電可能導致電梯控制系統進入保護狀態。此種情況需要通過EPS控制系統的延時適當增加切換時間，方可保證電梯在應急供電后繼續正常運行。
在有些應用場合，為了取得零切換，要求將EPS設計成再線運行方式，此時的EPS實際已變成了一臺專用的UPS。
1.5 輸入輸出配電裝置
EPS的交流輸入輸出端一般不像UPS那樣簡單，而需要根據用戶要求或設計圖紙加裝配電開關。例如市電輸入端有時需要加裝雙路市電自動互投開關，市電直供回路有時需要加裝獨立的斷路器，輸出回路一般需要多支路輸出，每個支路都要裝有獨立的斷路器，有時還需要加裝受消防聯動信號控制的消防聯動輸出支路等等。用戶為了安裝使用方便，一般均要求把EPS系統的輸入輸出配電開關裝置等全部裝于EPS產品內部，因此EPS在產品結構上需要為輸入輸出配電開關留有充分的拓展空間，有時甚至需要專門按用戶要求進行結構設計。
1.6 電池檢測裝置
GB17945-2000標準要求用于消防應急照明的EPS能對其電池組中每個12V電池單元的電壓進行監測，以此為參照，許多用于其他方面的EPS往往也要求提供對每個電池單元的監測功能。此時需要為EPS配置專門的電池監測裝置。因每個電池單元的直流電位各不相同，檢測裝置需要能夠對其進行隔離采樣。目前常見的隔離采樣方式有繼電器、線性光耦、*行A/D轉換后再用光耦合器隔離傳輸數字信號等等。不同方式各有所長，但如果對每一電池單元分別隔離采樣，系統將過于繁雜。若先將電池單元適當分組，采用分組A/D轉換、數字信號光耦隔離、通過串行數據總線上傳的監測方式具有硬件結構簡單，安全性、可靠性高，可自動實時巡檢，監測精度較高等較大優勢。
目前EPS中對電池單元的檢測內容一般僅限于各電池單元端電壓的測試，并不能全面反映電池狀態。但通過分別測試電池組充電和放電時各電池單元的端電壓，可以對各電池單元的一致性做出準確的判斷，如充電狀態是否均衡、是否存在劣化的電池單元等等。有一些更為*的電池狀態檢測方法，如內阻測試方法等，在國產EPS中的應用還比較罕見。
因對各電池單元進行檢測需要將測試線連接到每個電池單元的輸出端，測試線路較密集且導線較細，容易發生意外短路或漏電問題，因此應采用適當電壓電流分斷能力的熔斷器或其他方式進行安全隔離，防止蓄電池的高能量進入測試系統，導致事故。
1.7 系統控制器
在此僅討論EPS中的系統控制器。EPS的逆變器一般具有獨立的控制、驅動電路，與UPS、變頻電源等十分類似，在此不作討論。EPS的系統控制器多由以MCU為核心的控制電路構成，但也有部分產品采用了模擬控制和簡單邏輯控制或PLC控制器。
EPS的系統控制器需要對市電電壓、電池電壓、負載電流、充電器狀態、逆變器狀態、轉換開關狀態、設置參量、控制指令等多項參量實時監測，并按照正確的控制邏輯向各功能單元發出控制指令，需要具備較為復雜和靈活的監測、測邏輯判斷和控制能力。因此選擇功能適當的MCU為核心器件，構成數字化控制器，可以簡化系統硬件，并利用控制軟件的靈活性完成各種需要的監測控制功能，是最為合理的設計方案。采用PLC完成系統控制也是一種不錯的方案，但一般僅適用于容量較大的系統，對于較小容量系統，在成本上往往無法接受。模擬控制和簡單邏輯控制方式硬件復雜，在可靠性、靈活性、智能化程度等方面均處于劣勢。
EPS的系統控制器除完成必須的監測、控制功能外，最好還具備系統自檢、顯示信息提供、歷史事件記錄、數字通訊、計算機遠程監控等能力，這些功能只有采用數字化控制，方可實現。
2.8 狀態顯示器和操控裝置
狀態顯示器和操控裝置提供了EPS的人機界面，是EPS*的部分。EPS的狀態顯示一般由狀態指示燈和LCD顯示屏構成，指示燈的設置和顏色需要符合執行標準的要求， LCD的顯示內容除標準要求的主要參數外，各種產品不盡相同。操控裝置一般由按鈕、設置開關、強制啟動鑰匙開關等構成，與UPS等電子電控設備類似，不再作詳細討論。
2 EPS的應用
目前EPS的主要應用領域是為各種建筑物和重要公共設施的消防應急照明和消防動力提供應急備用電源。同時在化工、冶金、污水處理等工業領域、醫院手術室和監護病房、大型場館和超市等的正常照明等方面也有很多應用。隨著EPS產品的技術進步、技術性能和可靠性的進一步完善，以及人們安全防范意識的提高，EPS產品的應用會更加廣泛。
除用于消防應急照明EPS外，由于缺乏相應的國家標準或行業標準，EPS的發展不夠規范，無論是規格系列還是技術性能、外形尺寸，都具有多樣性，標準化程度較差。這對制造廠家的生產制造和用戶的選用都造成很多困難，也在一定程度上影響了EPS產品及其應用的健康發展。
但是隨著相關標準的發布實施，EPS的發展必將日益規范，在產生良好的社會效益的同時，也為EPS開發、生產企業創造良好的經濟效益。
3 結語
筆者通過對EPS的認識和理解，結合作者在EPS設計、制造、和應用方面的實際經驗，對EPS的原理、構造、性能特點和適用領域進行了討論，希望對大家更好地認識和應用EPS有所幫助。