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eps的原理特点与应用
李建明
摘要：从eps的实际应用需求出发，通过对构成eps的各功能单元之设计考虑和性能特征的分析，对eps的构造原理、性能特点和适用领域作了较为全面的讨论。
0 引言
随着科学技术与经济的进步和发展，社会对电力的依赖程度越来越高，特别是对那些重要、关键的电力负荷，一旦中断供电，往往会导致非常严重的甚至灾难性的后果。同时，人们的安全意识和对突发事件的防范意识也在迅速提高，应急供电系统或应急电源越来越受到人们的重视，并在更多的场合成为必备系统。
与传统的双路供电、自备发电机、蓄电池直流备用电源等应急供电方式相比，采用蓄电池储能、通过半导体功率器件逆变取得交流电源的逆变式应急电源系统，具有许多独特的优势和更为广泛的适用性，近年来得到迅速的发展，以至于提到“应急电源”和“eps （emergency power supply）”时，更多的是指这种逆变式应急电源。
逆变式应急电源（以下简称eps）在结构与工作原理上与伴随着信息产业发展起来的不间断电源（ups）非常相似，但eps为满足应急供电系统高可靠、高效率、负载多变、环境适应性好、自诊断能力强、多数时间处于备用状态等特殊要求，在工作原理、工作方式、性能、构造、选用、安装、维护等方面均与ups有很多不同。正确的理解、设计、制造、应用和维护，是保证eps长期可靠运行的必要条件。
1 eps的构造与性能特点
eps一般由充电器、蓄电池组、逆变器、自动切换装置、输入输出配电装置、电池监测装置、系统控制器、状态显示器、设置操作装置等部分组成。
1.1 充电器
为使蓄电池组保持满荷电状态并能反复循环使用，充电器eps不可缺少的部分。因eps通常工作于备用状态，不需在线运行，所以eps中一般不配置全功率整流器，应急供电时由蓄电池为逆变器供电，市电正常时，eps通过切换开关直接向负载供市电，并由充电器对蓄电池充电。通常要求eps的循环充电时间不大于24h，充电器的额定输出电流值一般为电池组额定安时数的5%～10%。例如用于消防应急照明的eps需要提供90min的应急供电时间，综合逆变器效率和蓄电池放电效率等因素，标准配备电池组的总容量（电池组额定电压×电池组总安时数）一般为eps额定输出功率值的2～2.5倍，因此充电器的额定输出功率一般为eps额定功率的10%～25%。当充电器功率较大时，可以在更短的时间内完成蓄电池的再充电。
eps中的充电器一般采用恒流恒压二阶段充电方式或恒压限流的充电方式。充电器的好坏对蓄电池的使用寿命影响较大，应保证最大充电电流不超过所配用蓄电池的允许值，浮充电压符合配用蓄电池的推荐值，如具备温度补偿特性则更佳，高频纹波电流应控制在较低水平。当然也可以采用其他充电方式，如循环充电方式、自动均充-浮充控制等，但在控制上略为复杂。市电正常时，eps中的充电器通常还需要为控制系统供电。充电器应具备高可靠性和良好的自保护功能，应能适应较宽的输入交流电压范围，以保证在各种恶劣供电环境中正常充电并为eps的控制系统供电。因充电器功率较小，且多数时间内工作于轻载状态，其交流输入功率因数和谐波含量等指标并不十分重要。eps中的充电器通常采用高频开关电源技术实现，也有部分大功率的eps采用了晶闸管相控整流型充电器。
1.2 蓄电池
       蓄电池是eps应急供电时的能量来源，是影响eps可靠性的关键部件。目前eps几乎采用免维护铅酸蓄电池，该电池技术成熟，价格较低，使用、维护简单，成为ups和eps的首选。关于免维护铅酸蓄电池的特点与应用已有许多文章论述，在此仅就其在eps中应用时的几个特殊问题作一讨论。
(1)    多组电池并联运行问题
在eps中一般采用额定电压12v的蓄电池串联达到所需的额定直流电压，在较大功率eps系统中，为达到所需电池总容量，往往需要多组电池并联，例如200kw的eps，90min标准配置需要8～10组100ah蓄电池并联。而蓄电池制造商一般不推荐太多组（例如6组以上）电池并联使用，原因据称是容易导致环流和充放电不均衡。不同品牌或型号的蓄电池并联自然是不可取的，而对于品牌、规格、型号相同的蓄电池并联，在正常运行情况下的环流和充放电不均衡则不是主要问题，因为并联运行时，各组电池的不均衡可以通过“环流”而趋于均衡。并联运行的主要问题应当是各电池组间的能流难于控制。例如当把一组亏电的电池并入系统时，系统中的其他电池组会对其充电，且充电电流是不受控的，可能远远大于该组蓄电池允许的最大充电电流，从而导致该组电池的损坏甚至发生事故；当多组荷电状态不均的蓄电池并联时，初期充电电流可能会过于集中在个别电池组上，导致过电流充电；当多组并联电池组中的一个电池组发生短路或漏电类故障时可能导致严重后果等等。因此当需要并联的电池组数目较大时，应采取分组隔离措施，例如将8个串联电池组分为两大组，每大组由4个串联电池组并联构成，采用功率二极管进行隔离汇流，并采用两个充电器分别充电。这样的系统将更为可靠性和安全。同时，在各电