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不同种类UPS比较分析
作者:admin 发表时间:2017/5/12 10:17:24 阅读:

     强调绿色、重视节能一直是这几年UPS(UninterruptablePowerSystem)供电系统技术创新的重点。节能主要体现在UPS产品本身的节能和机房的整体节能上,而“绿色”UPS主要主要体现在提高整机效率、减少对电网的干扰,以及少占用空间、节省成本、支持边成长边投资等,所以使用节能型UPS的用户在逐渐增多。从目前市场占用情况看,UPS分为后备式、在线式和在线互动式三种。大功率UPS主要集中在传统的在线式工频UPS和高频UPS,但一些厂家也相继推出飞轮UPS或动态UPS、大功率交流直供或离线式UPS。
 
     本文通过对不同类型UPS工作原理分析、拓扑对比、数据分析和性能对比,全面搜集、整理、总结了各类UPS的特点,以期大家在UPS供电系统建设、选型、优化和运行维护管理时作为参考。
 
一、传统后备式UPS
 
后备式(Standby)UPS,也是一种离线式(Off-Line)UPS,当市电正常时,由市电给负载设备供电,并给蓄电池浮动充电。当市电电压波动超过规定值时,启动逆变电路将电池的直流电转换为稳定的交流电输出,给负载供电。后备式UPS平时由于是由市电直接给负载供电,所以无法消除市电电网上存在的浪涌、尖峰、频率漂移等电气污染,而且容量比较小。但是它的技术简单,成本较低,价格相对低廉,多用于对电压稳定性要求不高的场合。
 
典型后备式UPS原理图如图1所示。


二、传统工频UPS
 
1.工频机原理
 
UPS的技术发展,从20世纪60年代诞生开始,就和功率元器件的发展密不可分。自UPS技术诞生以来,可控硅整流器(SiliconControlledRectifier,SCR)相控整流技术一直是整流技术的主流,体现出了很高的可靠性。工频机是以传统的模拟电路原理设计,由SCR、IGBT逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成的恒压、恒频电源设备,为负载提供不间断的电力供应。当市电输入正常时,UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后供负载使用,此时的UPS就是一台交流稳压器,同时还向机内蓄电池充电。当市电发生中断等情况时,UPS立即将电池的电能通过逆变器转换的方法向负载继续供电,使负载维持正常工作,并保护负载软、硬件不受损坏。同时还具备电力净化的功能。工频机属于双转换式(Double-Conversion)UPS,又称为在线式(On-Line)UPS,因其整流器和变压器工作频率均为50Hz,顾名思义叫工频UPS。典型的工频UPS拓扑框图如图2所示。

2.工频机特点
 
在工频UPS电路中,主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属于半控器件,控制系统只能够控制开通点,一旦SCR导通之后,即使门极驱动撤消,也无法关断,只有等到其电流为零之后才能自然关断,所以其开通和关断均是基于一个工频周期,不存在高频的开通和关断控制。
 
由于SCR整流器属于降压整流,所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低,要使输出相电压能够得到恒定的220V电压,就必须在逆变器输出增加升压隔离变压器。同时,由于增加了隔离变压器,系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离,显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。
 
再次,工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。工频机典型母线电压通常为300~500V,可直接挂接三十几节12V电池,不需要另外增加电池充电器。
 
三、高频UPS
 
1.高频机工作原理
 
进入20世纪80年代,伴随着IGBT控制技术的逐步成熟,各UPS厂家开始在UPS产品中采用这种新型电子开关器件。相对于SCR和晶体管来讲,绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件,具有高速开关的特性,因此,UPS厂家首先在UPS的逆变部分开始采用IGBT器件,在将IGBT应用到逆变器的同时,部分UPS厂家开始尝试将IGBT应用到UPS的整流部分,以期达到提高UPS指标的作用。
 
高频机通常由升压型(BOOST)的脉宽调制IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。IGBT可以通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断。IGBT整流器开关频率通常在几千至几万赫兹,甚至高达几十万赫兹,相对于50Hz工频,称之为高频UPS。
 
IGBT整流器一方面用来将电网电压整流成直流电压送往逆变器;同时也可以将反向制动产生的能量通过IGBT逆变成网侧频率电压送往电网。在IGBT模块中,与IGBT元件还并联一个二极管。此二极管在逆变器中常作续流二极管,将马达反向制动过程的机械能量反馈回逆变输入侧。而在IGBT整流器中,整流过程主要是依靠二极管进行全波整流,并不是依靠IGBT进行整流,也不进行调压,调频调压主要由逆变器实现。IGBT元件的功能主要体现在提高功率因数为1,同时将系统回馈能量逆变成工频电压反馈回电网。典型高频机拓扑框图如图3所示。

高频UPS整流属于升压整流模式,其输出直流母线的电压一定比输入线电压的峰峰值高,如果电池直接挂接母线,所需要的标配电池节数达到六十多节,这样给实际应用带来极大的限制。因此,一般高频UPS会单独配置一个电池变换器,市电正常时,电池变换器把母线电压降压到电池组电压,市电故障或超限时,电池变换器把电池组电压升压到母线电压,从而实现电池的充放电管理。由于高频机母线电压高,所以逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不再需要升压变压器。因此,隔离变压器是工频机和高频机在组成上的主要区别。
      2.高频机特点
 
IGBT在UPS中的应用最早只限于逆变器。这主要是因为虽然IGBT的电流做得比较大,但耐压等级尚不足对付变化很大的电压范围。经过这十多年的发展,IGBT制造技术也有了长足进步,几经改进,已经达到了用于UPS整流器的条件。目前已有一些厂家将IGBT整流的高频机结构UPS容量做到了覆盖工频机结构UPS当前达到的全部容量水平。到此就完成了UPS全部IGBT化、高频化的进程。
 
随着电力电子技术的发展和高频功率器件不断问世,中小功率段的UPS产品正逐步高频化。高频UPS有功率密度大、体积小、重量轻的特点。采用IGBT整流器设计方案所带来的主要优点如下:
 
(1)改善了UPS的输入谐波特性。它结束了可控硅多脉冲整流无法达到的高输入功率因数水平的问题,例如,它可在半周中有上万个整流电流脉冲,使得UPS的输入功率因数PF>0.99,输入电流谐波含量的THDI<3%;实现节约能源,提高电源转换效率,能够有效的利用电网资源;同时对电网没有任何反馈污染,降低噪声,实现了节能减排的目标。
 
(2)有利于降低成本。由于它可以直接利用从“倍压型”IGBT整流器所输出的直流高压电源来确保它的IGBT逆变器能向外输出幅值为220VDC的交流电源。因此,可“省掉”逆变器的输出隔离变压器,同容量机型体积更小,占用空间减少,成本降低。
 
四、飞轮UPS或动态UPS
 
随着IT技术的发展,特别是云计算的兴起,作为基础物理设施的供电系统,其设计理念和配置方法也在发生着明显的变化。国外一系列的数据中心建设案例呈现出这样的特点,即提高系统的可靠性、更高的供电效率以及日益缩短的后备时间。
 
目前普遍使用的工频或高频UPS都使用蓄电池储能的静态UPS,而飞轮UPS与普遍使用的静态UPS的最根本区别在于储能形式。静态UPS采用电池储能,而飞轮UPS采用质量巨大的旋转飞轮的动能来储存能量,在市电出现故障时将飞轮的能量转化为电能为计算机设备供电,确保负载连续供电。
 
飞轮储能电源系统主要由飞轮、电机、轴承三部分组成,整个系统置于真空器内,并采用超导磁悬浮技术降低飞轮在转动时的能耗。飞轮储能电源系统中的电机,既是电动机也是发电机。“充电”时,作为电动机给飞轮加速,将电能转换成机械能;“放电”时,作为发电机将机械能转换成电能,给外部供电。
 
飞轮UPS从内部的拓扑结构上来说,仍属于在线互动式UPS。
 
1.飞轮UPS工作原理
 

飞轮UPS原理框图如图4所示。
 
其工作原理为:
 
(1)在市电输入正常的情况下,磁悬浮飞轮储能UPS通过其内部的有源动态滤波器对市电进行稳压和滤波,保证向负载设备提供高品质的电力保障,同时对飞轮储能装置进行充电,飞轮UPS利用内部的飞轮储能装置储存能量。
 
(2)在市电输入的质量不能满足磁悬浮飞轮储能UPS正常运行时,由UPS内部的飞轮储能装置将机械能转化为电能,继续向负载提供高品质并且不间断的电力保障。
 
(3)在磁悬浮飞轮储能UPS内部出现故障时,磁悬浮飞轮储能UPS通过其内部的静态开关切换到旁路模式,由市电直接向负载供电。
 
(4)当市电输入恢复正常时,则立即转到通过磁悬浮飞轮储能UPS向负载提供高品质并且不间断供电的模式,同时继续对飞轮储能装置进行充电。
      2.飞轮UPS特点
 
飞轮储能型UPS受制于机械储能,仅仅能够提供30s~1min电力供电,但目前重要负载一般都采用双路市电供电,从市电到后备电源的切换时间一般只需要10s的时间,飞轮储能UPS可以满足切换要求。飞轮储能电源系统可以大幅提高设备功率因数,节约大量蓄电池投资,抗干扰能力强,与发电机配合较好,具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等特点。
 
3.飞轮UPS应用
 
(1)与发电机组和自动转换开关(如ATS)配合使用,可持续不间断供电。
 
(2)和传统型UPS整合使用,飞轮储能模式比电池更适合于多次短时间的电源故障,并可以显著延长现有UPS电池的寿命,从而使整个UPS系统的可靠性大大增强。
 
(3)适合其他改善电源品质和短时间保护的应用领域。
 
(4)适合可移动供电场合,例如集装箱数据中心。
 
五、交流直供或离线式UPS
 
离线式UPS与传统的在线式UPS通过整流器、逆变器双变换模式输出不同,在市电网正常时,市电通过UPS旁路向负载直接供电,而主回路的整流、逆变器处于休眠状态,当市电超限或故障时转到双变换模式向负载供电。离线式UPS具有效率高、节能、电池使用寿命长等优点,现在的产品已实现模块化、大功率。
 
该UPS分为两大系列:低压系统,208~600V,313kVA/250kW~2500kVA/2000kW;中压系统,5~35kV,2500kVA/2000kW~20000kVA/16000kW。这么大容量的UPS在业界是独一无二的。从工作方式来看,离线式UPS与国内很早就已经开始使用的低端、小容量(通常为3kVA以下)的后备式UPS不同。两者从表面上看,原理和结构是有些类似,但实际上有极大的差别,如果不加以仔细分析和辨别,往往很容易将两者等同。市电正常运行期间,负荷通过常闭合的PES由市电供电而不是通过交流旁路供电(采用大功率电力电子开关PES,而不是普通的继电器开关或三极管电子开关)。平常市电正常期间,尽管PureWaveUPS的逆变器处于非工作状态,但系统控制器却一直在持续监测市电电源的每一相,每半个周波采样41次,在每次采样中计算每半个周波的RMS值,这与传统的后备式UPS有极大的不同
 
大功率交流直供或离线式UPS的优点是:与早期的离线式(后备式)UPS相比采用新的技术,技术上已克服了早期离线式工作方式UPS的缺陷。与在线式UPS相比,具有效率高、节能、电池使用寿命长等优点。现在的产品已实现模块化、大功率,配备高速启动发电机后,蓄电池的配备可以大大减少。
 
大功率交流直供或离线式UPS的缺点如下:
 
(1)平时由市电供电,电网的干扰和波动对后端设备有影响,传统的在线式UPS具有净化电源的作用。
 
(2)后备时间只有1min以内,对发电机的启动提出非常高的要求。
 
(3)如果使用6~35kV电压和高压发电机,对日常维护人员资质要求较高,后续维保费用高。
 
因此,此类UPS主要应用于半导体、平板显示、在国外部分电网供电环境较好的大型数据中心、军队、制药、医疗等关键应用领域。

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