不間斷電源在廣播電視發(fā)射臺(tái)的應(yīng)用

張 東

（菏澤市廣播電視臺(tái)，山東 菏澤 274000）

0 引言

電源供應(yīng)中斷及質(zhì)量問題嚴(yán)重影響發(fā)射臺(tái)的運(yùn)行效率，緊急情況下可能威脅到公共安全。廣播電視發(fā)射臺(tái)對(duì)電源質(zhì)量要求較高，常規(guī)電源系統(tǒng)難以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種電源問題。不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)能夠在電源中斷或不穩(wěn)定時(shí)提供連續(xù)、穩(wěn)定的電力支持，確保廣播服務(wù)的連續(xù)性。在此背景下，本文圍繞UPS在廣播電視發(fā)射臺(tái)的應(yīng)用展開探討，旨在提出有效的電源設(shè)計(jì)及應(yīng)用策略，提高發(fā)射臺(tái)整體電源能效。

1 UPS工作原理及工作模式

1.1 工作原理

UPS由整流器、電池組、逆變器及控制系統(tǒng)構(gòu)成。整流器能夠?qū)⑤斎氲慕涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電供給逆變器和電池充電器。在此過程中，整流器采用由硅控整流器或二極管組成的橋式整流電路，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。電池組由多個(gè)鉛酸或鋰離子電池串聯(lián)而成，能夠在電源中斷時(shí)借由逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供給負(fù)載設(shè)備[1-2]。逆變器能夠?qū)㈦姵亟M提供的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，確保輸出電壓和頻率符合負(fù)載設(shè)備的要求。檢測(cè)到電源問題時(shí)，UPS控制系統(tǒng)將指揮靜態(tài)開關(guān)切換至電池供電模式，并在電源恢復(fù)正常后自動(dòng)切換回主電源供電。

1.2 工作模式

UPS的工作模式主要包括在線式、離線式（備用式）以及線互動(dòng)式3種模式。

UPS的在線式模式中，UPS系統(tǒng)應(yīng)用整流器將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流電，由逆變器轉(zhuǎn)換回交流電供給負(fù)載，從而保障輸出電力質(zhì)量。在線式UPS具有較高能效比，能在10 ms以內(nèi)切換到電池供電模式。離線式（備用式）UPS模式中，UPS將在檢測(cè)到電源中斷或電壓超出設(shè)定范圍時(shí)切換到電池供電模式[3-4]。此模式下，電池通過直流-交流（DC-AC）逆變器供電給負(fù)載，切換時(shí)間一般在2～10 ms。

互動(dòng)式UPS模式結(jié)合上述兩種模式特點(diǎn)，電源情況正常時(shí)，UPS應(yīng)用內(nèi)置自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整電壓波動(dòng)；若電源中斷或電壓異常，系統(tǒng)將快速切換到電池供電模式，如圖1所示。

圖1 UPS互動(dòng)式模式工作路徑

2 廣播電視發(fā)射臺(tái)UPS設(shè)計(jì)

2.1 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣播電視發(fā)射臺(tái)的UPS系統(tǒng)可以選擇具有雙路交流輸入、額定電壓為220 V、頻率為50 Hz的UPS系統(tǒng)，便于在主電源失效時(shí)自動(dòng)切換到備用電源，保證電源連續(xù)供應(yīng)。在電流和電壓控制方面，UPS可采用具有至少±1%電壓調(diào)節(jié)精度的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制器，確保輸出電壓穩(wěn)定。整體系統(tǒng)可以采用N+1冗余設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)中的每個(gè)關(guān)鍵組件均需擁有至少1個(gè)備份。

2.2 后備電池設(shè)計(jì)

后備電池設(shè)計(jì)需要考慮電池類型的選擇、容量計(jì)算、配置方式及管理系統(tǒng)等多個(gè)方面，以確保電池組能夠在滿足功率需求的基礎(chǔ)上提供足夠備用電力。

鑒于廣播電視發(fā)射臺(tái)對(duì)穩(wěn)定性及可靠性要求較高，推薦使用容量為100 Ah、額定電壓12 V的閥控式密封鉛酸蓄（Valve Regulated Lead Acid，VRLA）電池，或者容量為100 Ah、額定電壓48 V的鋰離子電池。電池的容量應(yīng)綜合考慮發(fā)射臺(tái)的最大負(fù)載需求和預(yù)期備用時(shí)間，根據(jù)電池公式可以計(jì)算出所需總電池容量。

式中：C為電池容量（Ah），P為負(fù)載功率（kW），T為備用時(shí)間（h），V為電池電壓（V）。

針對(duì)配置方式而言，串聯(lián)電池可以增加輸出電壓，并聯(lián)電池則可以增加電池容量和放電時(shí)間。若系統(tǒng)輸入電壓為48 V，則可以串聯(lián)4組12 V、100 Ah的電池。若電池需達(dá)到4 167 Ah容量，則可采取并聯(lián)手段。

3 UPS在廣播電視發(fā)射臺(tái)中的應(yīng)用

3.1 保障發(fā)射連續(xù)性

發(fā)射連續(xù)性是確保廣播電視信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)年P(guān)鍵要素。UPS系統(tǒng)能夠?yàn)槠涮峁?yīng)急電力支持，確保關(guān)鍵發(fā)射設(shè)備的不間斷運(yùn)行[5]。廣播電視發(fā)射臺(tái)可采用容量為100 kVA的在線式UPS系統(tǒng)，配備相應(yīng)容量的鉛酸電池組以提供不少于30 min的電源支持。正常情況下，電源通過UPS直接供應(yīng)給發(fā)射設(shè)備。當(dāng)UPS監(jiān)測(cè)到電源中斷或質(zhì)量下降時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到電池供電模式。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可采用主UPS系統(tǒng)和備用UPS系統(tǒng)雙電源配置，二者可以并行工作，提供冗余保護(hù)，如圖2所示。具體可配置兩臺(tái)50 kVA的在線式UPS實(shí)現(xiàn)N+1冗余，即使其中一臺(tái)UPS發(fā)生故障，另一臺(tái)仍能維持整個(gè)負(fù)載的運(yùn)行。

圖2 雙電源配置工作流程

為最大化發(fā)射連續(xù)性，廣播電視發(fā)射臺(tái)的UPS系統(tǒng)應(yīng)該集成到中央監(jiān)控系統(tǒng)中，便于技術(shù)人員遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電源狀態(tài)。在電池電量降低或UPS性能異常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出預(yù)警，確保問題在影響發(fā)射前得到解決。

3.2 管理電源質(zhì)量

UPS能夠管理、提升廣播電視發(fā)射臺(tái)電源質(zhì)量，以確保發(fā)射設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。UPS系統(tǒng)需在電源質(zhì)量管理環(huán)節(jié)濾除電網(wǎng)中的電壓波動(dòng)、頻率不穩(wěn)定和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）。發(fā)射臺(tái)可以使用APC Smart-UPS SRT 8000VA（型號(hào)SRT8KXLI）系統(tǒng)提供純正弦波輸出以保護(hù)敏感設(shè)備，保護(hù)設(shè)備免受有害電磁干擾的影響。UPS系統(tǒng)內(nèi)置有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（Automatic Voltage Regulation，AVR），能夠?qū)Σ环€(wěn)定電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)整，確保輸出電壓始終保持在安全范圍內(nèi)，從而防止因電壓波動(dòng)或短暫電源中斷造成的設(shè)備損壞。

在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射臺(tái)需要多個(gè)UPS系統(tǒng)保護(hù)不同的設(shè)備區(qū)域，每個(gè)UPS的容量和功能都應(yīng)與其保護(hù)的設(shè)備相匹配。為確保電源質(zhì)量得到有效管理，發(fā)射臺(tái)技術(shù)團(tuán)隊(duì)需要定期進(jìn)行UPS維護(hù)及測(cè)試，以確保其性能符合標(biāo)準(zhǔn)，具體維護(hù)及測(cè)試說明如表1所示。

表1 UPS維護(hù)及測(cè)試說明表

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討了不同類型UPS系統(tǒng)的工作原理及其適用性，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及配置能夠顯著提高廣播電視發(fā)射臺(tái)的電源穩(wěn)定性。下一步的研究將關(guān)注極端氣候條件下的電源穩(wěn)定性，探索更高效、環(huán)保的電池技術(shù)。隨著智能化及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來研究還應(yīng)考慮如何將新興技術(shù)融入廣播電視發(fā)射臺(tái)電源系統(tǒng)，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)智能化管理水平及能源效率。