王 永，沈小波，孟海輝

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇無(wú)錫 214431）

0 引言

隨著船舶自動(dòng)化程度的不斷提高，計(jì)算機(jī)及信息處理技術(shù)在各類(lèi)船舶上應(yīng)用廣泛，這對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量提出了更高的要求：1）要解決船舶電力網(wǎng)突然發(fā)生故障造成電力短缺的問(wèn)題；2）要保證輸出優(yōu)質(zhì)的正弦波電源；3）要保證船舶臨時(shí)應(yīng)急電源具備在緊急逃生情況下對(duì)船舶應(yīng)急照明和應(yīng)急設(shè)備進(jìn)行供電的能力。在此情況下，不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）應(yīng)運(yùn)而生。UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置的不間斷電源，主要用于給部分對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備提供不間斷的電源。當(dāng)船電輸入正常時(shí)，UPS將船電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的UPS可視為交流式電穩(wěn)壓器，同時(shí)其還向機(jī)內(nèi)電池充電；當(dāng)船電中斷（事故停電）時(shí)，UPS立即將電池的直流電能通過(guò)逆變器切換轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220 V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載的軟件和硬件不受損壞。

1 某船集控室UPS問(wèn)題描述

某船的集控室電源系統(tǒng)組成部分包括正常電源（主電源）、應(yīng)急電源和8臺(tái)獨(dú)立的UPS。正常情況下，UPS始終處于浮充狀態(tài)。該船經(jīng)歷了幾次突然斷電的情況，檢查發(fā)現(xiàn)集控室的2個(gè)重要負(fù)載處于失控和黑屏狀態(tài)，這表明UPS沒(méi)有發(fā)揮不間斷供電的作用。檢查集控室的UPS，發(fā)現(xiàn)集控室2臺(tái)獨(dú)立式UPS電源放電時(shí)間均較短，其電池容量處于實(shí)質(zhì)性失效狀態(tài)。在查閱集控室電器設(shè)備圖紙的基礎(chǔ)上，推斷出集控室UPS的工作電路存在重大設(shè)計(jì)缺陷。

2 機(jī)理分析

2.1 集控室UPS電源的重要性

該船UPS使用量相對(duì)較高，集控室UPS是集控室電源系統(tǒng)最后一道屏障，主要為集控室功率管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)和船舶配載系統(tǒng)供電。在失電情況下，保證集控室還能在短時(shí)間內(nèi)啟停發(fā)電機(jī)。

圖1所示為集控室供電情況，集控室的設(shè)備和系統(tǒng)由正常電源、應(yīng)急電源和UPS 3種電源保障供電。一般情況下，集控室電源系統(tǒng)主要由正常電源供電，應(yīng)急電源和UPS均作為備用切換供電。

圖1 集控室供電情況

2.2 UPS的組成結(jié)構(gòu)

UPS主要由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等組成，其最主要的部分是蓄電池。

2.3 UPS的工作原理及分類(lèi)

UPS的工作原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動(dòng)船舶的結(jié)構(gòu)示意圖

正常情況下，船舶用電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟姡瑢?duì)蓄電池進(jìn)行浮充。與此同時(shí)，通過(guò)逆變器向重要負(fù)載輸出高質(zhì)量的交流電。在因故停電時(shí)，集控室電源系統(tǒng)自動(dòng)切換到UPS對(duì)重要負(fù)載供電。當(dāng)船電輸入正常時(shí)，UPS可將船電穩(wěn)壓后提供給負(fù)載使用，此時(shí)UPS可視為交流電穩(wěn)壓器；當(dāng)船電中斷時(shí)，UPS立即將機(jī)內(nèi)電池的電能向負(fù)載供電，使負(fù)載保持正常工作狀態(tài)，并保護(hù)負(fù)載、軟件和硬件不被損壞。

UPS通?？煞譃楹髠涫?、在線式和在線互動(dòng)式3種類(lèi)型。

1）后備式UPS

后備式UPS具備自動(dòng)穩(wěn)壓和斷電保護(hù)等功能，轉(zhuǎn)換時(shí)間僅需10 ms左右，逆變輸出交流方波，由于后備式UPS輸出的交流電為方波，所以只能供電給電腦和監(jiān)視器等電容型負(fù)載。

2）在線式UPS

在線式UPS結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其性能完善，能夠持續(xù)零中斷地輸出純凈的正弦波交流電，能夠解決尖峰、浪涌和頻率漂移等電源問(wèn)題。由于在線式UPS輸出的交流電為正弦波，故可供電給任何使用船電的設(shè)備，包括電腦和監(jiān)視器等電容性負(fù)載以及打印機(jī)和復(fù)印機(jī)等電感性負(fù)載。

3）在線互動(dòng)式UPS

在線互動(dòng)式UPS是一種智能化UPS，可自動(dòng)偵測(cè)外部輸入電壓是否處于正常工作范圍之內(nèi)，如有偏差可由穩(wěn)壓電路升壓或降壓，提供比較穩(wěn)定的正弦波輸出電壓，可供給一些精密設(shè)備。

2.4 故障分析

該船經(jīng)歷了幾次突然斷電的情況，檢查發(fā)現(xiàn)集控室的2個(gè)重要負(fù)載處于失控和黑屏狀態(tài)，這表明UPS沒(méi)有發(fā)揮不間斷供電的作用，本小節(jié)對(duì)此故障進(jìn)行排查和分析。首先考慮是否為蓄電池選型出現(xiàn)錯(cuò)誤，蓄電池容量過(guò)小，不足以帶動(dòng)用電設(shè)備。在選擇蓄電池容量時(shí)，需要先計(jì)算出放電的電流大小，然后根據(jù)放電特性曲線和用戶要求的備用時(shí)間進(jìn)行選擇，蓄電池最大放電電流的計(jì)算公式為

式中：為蓄電池最大放電電流；為UPS的額定輸出功率；cos為UPS負(fù)載功率因數(shù)；為UPS逆變器的效率；為蓄電池組中單體蓄電池的個(gè)數(shù)；為單體蓄電池的臨界放電電壓。

經(jīng)計(jì)算，集控室UPS容量選型足以滿足設(shè)備的需求。UPS故障的原因?yàn)殡娊赓|(zhì)變質(zhì)，浮充時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致供電不足。

UPS的蓄電池需要定期進(jìn)行充放電維護(hù)保養(yǎng)，否則會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命，甚至造成UPS直接損壞不能正常工作。查閱集控室設(shè)計(jì)圖紙資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有設(shè)計(jì)電路存在問(wèn)題，只能對(duì)UPS進(jìn)行在網(wǎng)浮充，無(wú)法實(shí)現(xiàn)充放電維護(hù)保養(yǎng)。經(jīng)過(guò)電路分析和檢查，發(fā)現(xiàn)集控室UPS沒(méi)有單獨(dú)的放電回路，也沒(méi)有電池容量檢測(cè)單元和放電時(shí)間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，導(dǎo)致電解液干涸，UPS蓄電池性能變差。在某些緊急情況下，UPS失效，導(dǎo)致設(shè)備處于失控狀態(tài)。

3 解決方案

針對(duì)UPS設(shè)計(jì)電路存在的問(wèn)題，解決方案如下：

1）恢復(fù)8臺(tái)UPS的性能。拆解UPS，更換其蓄電池部分。此方法技術(shù)難度不大，且能夠滿足裝備可靠性的要求，但不能解決實(shí)質(zhì)性問(wèn)題。

2）在保證正常供電電路不變的情況下，設(shè)計(jì)加裝專(zhuān)門(mén)的UPS斷電后放電電路，通過(guò)2條回路互補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠供電。此外，加裝100 W放電電阻箱，電池容量檢測(cè)單元和放電時(shí)間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保護(hù)UPS的蓄電池不會(huì)因過(guò)度放電而損壞。

改裝后的UPS工作流程圖見(jiàn)圖3。一條電源回路供集控室重要設(shè)備正常工作使用，另一條電源回路能實(shí)現(xiàn)一鍵式放電。放電開(kāi)始時(shí)，放電時(shí)間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，電池容量檢測(cè)單元時(shí)時(shí)檢測(cè)電池容量。當(dāng)放電達(dá)到相關(guān)要求后，自動(dòng)斷開(kāi)放電電路，放電時(shí)間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)停止工作，電池容量檢測(cè)單元記憶此時(shí)電池容量，而后聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)鎖，給UPS蓄電池進(jìn)行浮充，從根本上解決了UPS電路問(wèn)題。

圖3 改裝后的UPS工作流程圖

4 結(jié)論

UPS對(duì)于集控室應(yīng)急供電具有重要的作用，本文介紹了UPS的類(lèi)型、組成結(jié)構(gòu)和工作原理，并針對(duì)某船集控室UPS的設(shè)計(jì)缺陷給出解決方案。本文的優(yōu)化方案可向其他船舶推廣，為提高UPS的安全可靠性提供重要的技術(shù)保障。