不間斷電源系統(tǒng)模式：簡單的問題，但復(fù)雜的答案

由于暴風(fēng)雨和倒下的樹木，我們最近發(fā)生了短期的社區(qū)停電。由于它只持續(xù)了大約 8 個小時，這只是一個小小的不便，但它主要提醒我們，我們在家里多么依賴電力作為便利和必需品。毫不奇怪，非正式的鄰里討論轉(zhuǎn)向了家庭不間斷電源系統(tǒng)的可取性，根據(jù)大小和安裝問題，安裝費用從大約 5,000 美元到 15,000 美元不等。這些家庭系統(tǒng)通常由以管道天然氣為燃料的發(fā)電機或現(xiàn)場丙烷罐提供動力（圖 1）；有些也有電池組，甚至是專門的。（發(fā)電機供電系統(tǒng)通常被統(tǒng)稱為 Generac 系統(tǒng)，因為該供應(yīng)商是美國的市場領(lǐng)導(dǎo)者，擁有約 60% 的市場份額，而科勒位居第二。）

圖 1：在典型的發(fā)電機驅(qū)動的家用 UPS 中，房屋的電源從電網(wǎng)到發(fā)電機的轉(zhuǎn)換發(fā)生在電網(wǎng)供電和發(fā)電機啟動后約 10 秒。（圖片來源：這座老房子）

一位鄰居表示，他不明白為什么這些消費類發(fā)電機供電的 UPS 在恢復(fù)供電之前有大約 10 秒的“中斷時間”。具有備用電池的商業(yè)系統(tǒng)要么沒有切換時間，要么只有 10 毫秒左右，具體取決于拓撲。畢竟，例如，醫(yī)院的不間斷電源系統(tǒng)通常是一種確保不會中斷電源的系統(tǒng)。他的觀點是“制作它有什么大不了的，所以沒有中斷？”

雖然問這個問題很容易，但答案并不明顯。技術(shù)現(xiàn)實是，旨在確保完全沒有電源中斷的系統(tǒng)是一個更復(fù)雜、更昂貴的系統(tǒng)，與旨在允許短暫中斷的系統(tǒng)相比，它具有更多的權(quán)衡取舍。不間斷電源系統(tǒng)有兩大類，每類都有幾個變化：

· 離線：也稱為備用架構(gòu)，這是最常見的家庭/消費者方法。負載（房屋）通常直接從公用交流線路和電網(wǎng)運行，圖 2。當(dāng)系統(tǒng)控制器檢測到電力損失時——與短暫的電壓下降或掉電不同——它啟動發(fā)電機（電池支持的系統(tǒng)不需要）。

在離線 UPS 方法中，負載通常由電網(wǎng)提供的交流線路運行，而備用電源（發(fā)電機或電池）在需要時處于待機狀態(tài)。

該發(fā)電機的交流輸出經(jīng)過整流并通過逆變器轉(zhuǎn)換為線路等效交流電。電池，如果有的話，顯然不需要這個整流階段。此操作的關(guān)鍵是提供電力傳輸功能的“靜態(tài)開關(guān)”。當(dāng)電源出現(xiàn)故障時，一個靜態(tài)開關(guān)斷開交流線路，另一個將備用發(fā)電機（或電池）連接到負載。對于備用電池系統(tǒng)，還可以在通電時從交流線路為電池充電。大多數(shù)系統(tǒng)使用自動感應(yīng)/控制來啟動和切換發(fā)電機，盡管手動系統(tǒng)的價格要低 500-1000 美元。但是停電時不在家怎么辦？

· 在線：為了提供完全沒有任何電源間隙的連續(xù)運行，使用在線方法（有時稱為“雙轉(zhuǎn)換在線”），圖 3。交流電網(wǎng)電源持續(xù)為電池充電，即使在正常情況下，負載也從電池通過逆變器。這聽起來非常簡單和合乎邏輯，但它帶來了一些主要的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括逆變器設(shè)計、切換以及電池尺寸和管理問題，以最大限度地延長運行時間和電池壽命。

對于在線式UPS，負載以UPS為電源運行，通過電網(wǎng)持續(xù)充電；當(dāng)系統(tǒng)仍在使用電池運行時，發(fā)電機被激活。

一些商業(yè)系統(tǒng)僅使用電池而沒有發(fā)電機，它會以一組限制（電池運行時間）換取另一組限制（發(fā)電機問題。一些家用系統(tǒng)，如Tesla Powerwall或Generac PWRCell也專門使用電池，并且可以充電通過電網(wǎng)或太陽能電池板，但成本和復(fù)雜性顯著增加。一些地區(qū)有關(guān)于在住宅區(qū)安裝超過一定容量的充電電池的分區(qū)規(guī)定（當(dāng)然，電動汽車是一個例外）。

在某些方面，最好的系統(tǒng)將電池和發(fā)電機結(jié)合起來：電池在短暫中斷的情況下承載負載，幾乎沒有中斷，而發(fā)電機用于較長時間的中斷。與往常一樣，這是成本、復(fù)雜性和能力之間的一系列復(fù)雜權(quán)衡。

當(dāng)然，這是對不間斷電源系統(tǒng)架構(gòu)、子架構(gòu)和變體（一些廣泛使用，一些專有）現(xiàn)實的高度簡化概述。盡管如此，它確實表明，對于大多數(shù)家用 UPS 為什么會出現(xiàn)切換中斷這個看似簡單的問題，答案既不簡單也不明顯。

您對發(fā)電機與電池/發(fā)電機與純電池不間斷電源系統(tǒng)有何看法？在線與離線 UPS 的區(qū)別是什么？除了 UPS 專用問題之外，您是否遇到過來自好心朋友的其他聽起來很簡單但答案卻復(fù)雜而深入的問題？