不间断电源系统模式：简单的问题，但复杂的答案

由于暴风雨和倒下的树木，我们最近发生了短期的社区停电。由于它只持续了大约 8 个小时，这只是一个小小的不便，但它主要提醒我们，我们在家里多么依赖电力作为便利和必需品。毫不奇怪，非正式的邻里讨论转向了家庭不间断电源系统的可取性，根据大小和安装问题，安装费用从大约 5,000 美元到 15,000 美元不等。这些家庭系统通常由以管道天然气为燃料的发电机或现场丙烷罐提供动力（图 1）；有些也有电池组，甚至是专门的。（发电机供电系统通常被统称为 Generac 系统，因为该供应商是美国的市场领导者，拥有约 60% 的市场份额，而科勒位居第二。）

图 1：在典型的发电机驱动的家用 UPS 中，房屋的电源从电网到发电机的转换发生在电网供电和发电机启动后约 10 秒。（图片来源：这座老房子）

一位邻居表示，他不明白为什么这些消费类发电机供电的 UPS 在恢复供电之前有大约 10 秒的“中断时间”。具有备用电池的商业系统要么没有切换时间，要么只有 10 毫秒左右，具体取决于拓扑。毕竟，例如，医院的不间断电源系统通常是一种确保不会中断电源的系统。他的观点是“制作它有什么大不了的，所以没有中断？”

虽然问这个问题很容易，但答案并不明显。技术现实是，旨在确保完全没有电源中断的系统是一个更复杂、更昂贵的系统，与旨在允许短暂中断的系统相比，它具有更多的权衡取舍。不间断电源系统有两大类，每类都有几个变化：

· 离线：也称为备用架构，这是最常见的家庭/消费者方法。负载（房屋）通常直接从公用交流线路和电网运行，图 2。当系统控制器检测到电力损失时——与短暂的电压下降或掉电不同——它启动发电机（电池支持的系统不需要）。

在离线 UPS 方法中，负载通常由电网提供的交流线路运行，而备用电源（发电机或电池）在需要时处于待机状态。

该发电机的交流输出经过整流并通过逆变器转换为线路等效交流电。电池，如果有的话，显然不需要这个整流阶段。此操作的关键是提供电力传输功能的“静态开关”。当电源出现故障时，一个静态开关断开交流线路，另一个将备用发电机（或电池）连接到负载。对于备用电池系统，还可以在通电时从交流线路为电池充电。大多数系统使用自动感应/控制来启动和切换发电机，尽管手动系统的价格要低 500-1000 美元。但是停电时不在家怎么办？

· 在线：为了提供完全没有任何电源间隙的连续运行，使用在线方法（有时称为“双转换在线”），图 3。交流电网电源持续为电池充电，即使在正常情况下，负载也从电池通过逆变器。这听起来非常简单和合乎逻辑，但它带来了一些主要的技术挑战，包括逆变器设计、切换以及电池尺寸和管理问题，以最大限度地延长运行时间和电池寿命。

对于在线式UPS，负载以UPS为电源运行，通过电网持续充电；当系统仍在使用电池运行时，发电机被激活。

一些商业系统仅使用电池而没有发电机，它会以一组限制（电池运行时间）换取另一组限制（发电机问题。一些家用系统，如Tesla Powerwall或Generac PWRCell也专门使用电池，并且可以充电通过电网或太阳能电池板，但成本和复杂性显着增加。一些地区有关于在住宅区安装超过一定容量的充电电池的分区规定（当然，电动汽车是一个例外）。

在某些方面，最好的系统将电池和发电机结合起来：电池在短暂中断的情况下承载负载，几乎没有中断，而发电机用于较长时间的中断。与往常一样，这是成本、复杂性和能力之间的一系列复杂权衡。

当然，这是对不间断电源系统架构、子架构和变体（一些广泛使用，一些专有）现实的高度简化概述。尽管如此，它确实表明，对于大多数家用 UPS 为什么会出现切换中断这个看似简单的问题，答案既不简单也不明显。

您对发电机与电池/发电机与纯电池不间断电源系统有何看法？在线与离线 UPS 的区别是什么？除了 UPS 专用问题之外，您是否遇到过来自好心朋友的其他听起来很简单但答案却复杂而深入的问题？