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摘 要：本文简介了UPS的基本结构，着重分析了UPS在使用中给电网及环境造成的污染及其原因，举例了几种当前较为先进的消除此类污染的技术措施。
关键词：UPS 污染 环保 超导 飞轮储能
一、引言
UPS意为不间断电源系统，它能够为负载提供连续稳定的电能。随着计算机、精密电子仪器等用电设备的普及以及工厂、电信、医院、银行、机场等重要场所对供电质量要求越来越高，UPS得到了广泛的应用，已经逐步发展成为高可靠、高性能、高度自动化的局部供电中心。但是随着UPS的大量使用，UPS对电网及环境造成的污染也渐渐显现出来。在环保意识日益强烈的今天，人们不断研究开发新的环保技术替代原有技术，使UPS逐步成为真正的绿色电源。
二、 UPS的基本原理
一般来讲，UPS由五大部分组成：整流电路、储能机构、逆变电路、旁路开关电路及测控电路。
整流电路：将交流电变换为直流电，完成对储能机构充电，同时通过逆变器向负载供电。
储能机构：储能机构是UPS的核心部分，当市电正常时，储能机构从电网吸收能量储存起来；当市电中断时，储能机构将电能释放出来，供逆变器使用。
逆变电路：将整流电路所得的直流电压或者储能机构的电压变换成交流电压。
旁路开关：是市电旁路供电和逆变器供电的电气转换器件。
测控电路：是UPS的大脑，监测输入电压、电流的水平和控制输出的电压和电流精度；设置和控制整流器、逆变器；控制储能机构的充放电；控制主回路与旁路之间的转换。
三、 UPS带来的污染
1.对电网的污染
一般UPS 的整流电路常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥六脉冲整流电路、六相全桥十二脉冲整流电路等。相控整流电路结构简单控制技术成熟，但由于交流输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流，会对电网产生较大的污染。
大量谐波电流涌入电网后，会使线路的附加损耗增加，引起线路过热加速绝缘介质的老化，导致绝缘破损。另外谐波电流通过电网时会产生有功损耗，对电网的经济运行很不利。
2.UPS对环境的污染
目前UPS中广泛采用蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来。当市电中断时，UPS将依靠储存在蓄电池中的能量维持逆变器的正常工作，此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给UPS使用。
开放型液体铅酸电池的正电极活性物质过氧化铅，负电极活性物质是海绵状铅，电解液是浓硫酸。蓄电池在充电过程中，电池内部产生的硫酸蒸汽、水蒸气、氢气和氧气等混合物质会逸出扩散到空气中，对人体伤害很大。
尽管密封式免维护铅酸蓄电池生产厂家采用各种办法减少硫酸蒸汽、水蒸气、氢气和氧气等混合物质逸出，使它们尽量消化在电池内部，但绝对控制是不可能的，污染是不可避免的。
镉镍电池的正极性物质是高价氢氧化镍，负极性物质是海绵状金属镉，氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作为电解液。镉是重要的工业和环境污染物。
四、环保措施
1.减少对电网的污染
现代意义的UPS越来越注重对电网的环境保护意识，在降低谐波污染、无功损耗等方面根据UPS功率大小的不同，电路结构的不同可以采取不同的措施和方法。传统的大功率UPS整流器大都采用晶闸管相控整流电路，在输入侧加装无源滤波器，来吸收谐波和提高功率因数，但是由于受到滤波器的体积和成本的限制，最高可使功率因数提高到0.9 ，电流谐波THD 5%，而且无源滤波器抑制谐波本质上是频域处理方法。
人们提出了在UPS网侧设置有源滤波器对谐波和无功进行补偿。有源滤波器以时域分析为基础，对畸变波形实时跟踪补偿，使得电源侧的电流波形与电压波形一致。UPS电路中采用高频整流技术，通过高频控制，可以使输入电流和输入电压相位相同，网侧功率因数为1，输入谐波电流也将降到3%以下。
总之，对于小功率的UPS 可以采用PFC 整流器和高频PWM整流器及其相应的控制技术，对于大中功率的UPS 采用高频双向变换串并连补偿电路结构比较适合，具有广阔的发展和应用前景。
2.消除对环境的污染
近年来人们越来越关注环境，如何在发展的同时保护环境，成为社会生活中的大问题，UPS中大量采用铅酸及镉镍蓄电池作为储能装置，已经成为对环境造成破坏的污染源，消除 UPS对环境的污染的根本措施就是采用环保的无污染的储能装置替代原有的化学电池，目前新兴的高科技储能技术主要有两种：超导储能和飞轮储能。
2.1.超导储能
超导材料具有高载流能力和零电阻的特点，可长时间无损耗地储存大量电能，需要时储存的能量可以连续释放出来。在此基础上可制成超导储能系统。超导储能装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、整流逆变装置和测控系统几部分组成。
超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。螺旋管线圈结构简单，但周围杂散磁场较大；而环形线圈周围杂散磁场小，但是结构较为复杂，超导线圈以电感的方式直接将电能储存起来。线圈中存储电流的能力是由温度和磁场强度决定的，对于大多数超导储能装置来说，最佳的运行温度是50-77K。
超导储能系统的运行原理非常简单，首先通过整流装置将电网提供的交流电转化为直流电加入到超导线圈中，因此当能量从系统流入线圈中时，直流电压将会对超导线圈充电，能量被储存在线圈中。能量储存的多少是由装置的设计决定的。当交流网络需要提供能量时，线圈作为电源，释放储存的能量，通过逆变器将直流电转换为交流电。超导储能装置是一种先进的储能方式，它将电能储存在超导线圈内的磁场中，超导储能线圈产生的磁场很强，储存的能量密度很高，储能与释放能量的次数基本不受限制，由于超导储能系统中不存在化学反应，因此对环境几乎不会造成污染。
2.2.飞轮储能
飞轮是绕轴旋转的简单物体，飞轮储能装置从本质上讲是一种机械电池，飞轮以动能的方式储存能量。飞轮储能装置主要包括：飞轮、电机、轴和轴承、真空容器、整流器、逆变器、测控装置。在整个飞轮储能装置中，飞轮是核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量等于组成飞轮的各个部分的动能之和。为了减少运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内减少风阻。
飞轮储能装置最基本的工作原理就是，将电网输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当测控系统感知到网侧电源不正常或者中断时，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，其中整流器和逆变器为双向的，在储能状态时保证对飞轮平稳储能，在释放能量过程中保证输出的电能符合负载的严格要求；当网侧电源恢复正常时，飞轮回到备用状态，整个装置就可以以最小损耗方式运行。
五、结语
UPS的对电网的污染主要是由其非线性特性决定的，当前采用的几种提高功率因数降低谐波电流的措施，都是对电流波形进行校正或补偿，使其从电源侧看呈现线性负载特性，但是由于UPS的本质特性，现今使用的各种方法还不能完全实现输入电流与输入电压保持完整的正弦波形，还需要不断研究开发新的技术手段；UPS对于环境的污染主要来源其化学储能电池内的重金属，采用新的不含污染源的超导储能、飞轮储能装置就可以从根本上消除UPS对环境的污染。
关键词：UPS 污染 环保 超导 飞轮储能
一、引言
UPS意为不间断电源系统，它能够为负载提供连续稳定的电能。随着计算机、精密电子仪器等用电设备的普及以及工厂、电信、医院、银行、机场等重要场所对供电质量要求越来越高，UPS得到了广泛的应用，已经逐步发展成为高可靠、高性能、高度自动化的局部供电中心。但是随着UPS的大量使用，UPS对电网及环境造成的污染也渐渐显现出来。在环保意识日益强烈的今天，人们不断研究开发新的环保技术替代原有技术，使UPS逐步成为真正的绿色电源。
二、 UPS的基本原理
一般来讲，UPS由五大部分组成：整流电路、储能机构、逆变电路、旁路开关电路及测控电路。
整流电路：将交流电变换为直流电，完成对储能机构充电，同时通过逆变器向负载供电。
储能机构：储能机构是UPS的核心部分，当市电正常时，储能机构从电网吸收能量储存起来；当市电中断时，储能机构将电能释放出来，供逆变器使用。
逆变电路：将整流电路所得的直流电压或者储能机构的电压变换成交流电压。
旁路开关：是市电旁路供电和逆变器供电的电气转换器件。
测控电路：是UPS的大脑，监测输入电压、电流的水平和控制输出的电压和电流精度；设置和控制整流器、逆变器；控制储能机构的充放电；控制主回路与旁路之间的转换。
三、 UPS带来的污染
1.对电网的污染
一般UPS 的整流电路常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥六脉冲整流电路、六相全桥十二脉冲整流电路等。相控整流电路结构简单控制技术成熟，但由于交流输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流，会对电网产生较大的污染。
大量谐波电流涌入电网后，会使线路的附加损耗增加，引起线路过热加速绝缘介质的老化，导致绝缘破损。另外谐波电流通过电网时会产生有功损耗，对电网的经济运行很不利。
2.UPS对环境的污染
目前UPS中广泛采用蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来。当市电中断时，UPS将依靠储存在蓄电池中的能量维持逆变器的正常工作，此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给UPS使用。
开放型液体铅酸电池的正电极活性物质过氧化铅，负电极活性物质是海绵状铅，电解液是浓硫酸。蓄电池在充电过程中，电池内部产生的硫酸蒸汽、水蒸气、氢气和氧气等混合物质会逸出扩散到空气中，对人体伤害很大。
尽管密封式免维护铅酸蓄电池生产厂家采用各种办法减少硫酸蒸汽、水蒸气、氢气和氧气等混合物质逸出，使它们尽量消化在电池内部，但绝对控制是不可能的，污染是不可避免的。
镉镍电池的正极性物质是高价氢氧化镍，负极性物质是海绵状金属镉，氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作为电解液。镉是重要的工业和环境污染物。
四、环保措施
1.减少对电网的污染
现代意义的UPS越来越注重对电网的环境保护意识，在降低谐波污染、无功损耗等方面根据UPS功率大小的不同，电路结构的不同可以采取不同的措施和方法。传统的大功率UPS整流器大都采用晶闸管相控整流电路，在输入侧加装无源滤波器，来吸收谐波和提高功率因数，但是由于受到滤波器的体积和成本的限制，最高可使功率因数提高到0.9 ，电流谐波THD 5%，而且无源滤波器抑制谐波本质上是频域处理方法。
人们提出了在UPS网侧设置有源滤波器对谐波和无功进行补偿。有源滤波器以时域分析为基础，对畸变波形实时跟踪补偿，使得电源侧的电流波形与电压波形一致。UPS电路中采用高频整流技术，通过高频控制，可以使输入电流和输入电压相位相同，网侧功率因数为1，输入谐波电流也将降到3%以下。
总之，对于小功率的UPS 可以采用PFC 整流器和高频PWM整流器及其相应的控制技术，对于大中功率的UPS 采用高频双向变换串并连补偿电路结构比较适合，具有广阔的发展和应用前景。
2.消除对环境的污染
近年来人们越来越关注环境，如何在发展的同时保护环境，成为社会生活中的大问题，UPS中大量采用铅酸及镉镍蓄电池作为储能装置，已经成为对环境造成破坏的污染源，消除 UPS对环境的污染的根本措施就是采用环保的无污染的储能装置替代原有的化学电池，目前新兴的高科技储能技术主要有两种：超导储能和飞轮储能。
2.1.超导储能
超导材料具有高载流能力和零电阻的特点，可长时间无损耗地储存大量电能，需要时储存的能量可以连续释放出来。在此基础上可制成超导储能系统。超导储能装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、整流逆变装置和测控系统几部分组成。
超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。螺旋管线圈结构简单，但周围杂散磁场较大；而环形线圈周围杂散磁场小，但是结构较为复杂，超导线圈以电感的方式直接将电能储存起来。线圈中存储电流的能力是由温度和磁场强度决定的，对于大多数超导储能装置来说，最佳的运行温度是50-77K。
超导储能系统的运行原理非常简单，首先通过整流装置将电网提供的交流电转化为直流电加入到超导线圈中，因此当能量从系统流入线圈中时，直流电压将会对超导线圈充电，能量被储存在线圈中。能量储存的多少是由装置的设计决定的。当交流网络需要提供能量时，线圈作为电源，释放储存的能量，通过逆变器将直流电转换为交流电。超导储能装置是一种先进的储能方式，它将电能储存在超导线圈内的磁场中，超导储能线圈产生的磁场很强，储存的能量密度很高，储能与释放能量的次数基本不受限制，由于超导储能系统中不存在化学反应，因此对环境几乎不会造成污染。
2.2.飞轮储能
飞轮是绕轴旋转的简单物体，飞轮储能装置从本质上讲是一种机械电池，飞轮以动能的方式储存能量。飞轮储能装置主要包括：飞轮、电机、轴和轴承、真空容器、整流器、逆变器、测控装置。在整个飞轮储能装置中，飞轮是核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量等于组成飞轮的各个部分的动能之和。为了减少运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内减少风阻。
飞轮储能装置最基本的工作原理就是，将电网输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当测控系统感知到网侧电源不正常或者中断时，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，其中整流器和逆变器为双向的，在储能状态时保证对飞轮平稳储能，在释放能量过程中保证输出的电能符合负载的严格要求；当网侧电源恢复正常时，飞轮回到备用状态，整个装置就可以以最小损耗方式运行。
五、结语
UPS的对电网的污染主要是由其非线性特性决定的，当前采用的几种提高功率因数降低谐波电流的措施，都是对电流波形进行校正或补偿，使其从电源侧看呈现线性负载特性，但是由于UPS的本质特性，现今使用的各种方法还不能完全实现输入电流与输入电压保持完整的正弦波形，还需要不断研究开发新的技术手段；UPS对于环境的污染主要来源其化学储能电池内的重金属，采用新的不含污染源的超导储能、飞轮储能装置就可以从根本上消除UPS对环境的污染。