【導(dǎo)讀】目前UPS產(chǎn)品在行業(yè)應(yīng)用已有五十余年的歷史,其為保障關(guān)鍵設(shè)備和業(yè)務(wù)的不間斷運(yùn)行做出了卓越的貢獻(xiàn)。隨著信息化建 設(shè)的不斷推進(jìn),需要UPS保護(hù)的場(chǎng)景越來(lái)越多,其作用愈發(fā)重要。當(dāng)前市場(chǎng)上存在工頻機(jī)、高頻塔式機(jī)、高頻模塊化UPS三類產(chǎn)品,其利弊優(yōu)劣眾說(shuō)紛紜,令用 戶感到十分困惑。本文旨在通過(guò)闡述UPS的發(fā)展歷史及對(duì)比各類UPS的優(yōu)劣勢(shì),幫助用戶識(shí)別UPS產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)所在。
一、從工頻機(jī)UPS到高頻塔式機(jī)UPS的發(fā)展
工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代,因其整流工作頻率與電網(wǎng)頻率一致而得名。受制于當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體技 術(shù)發(fā)展,逆變器中IGBT器件耐壓只能做到600V,故母線電壓受限,逆變器輸出電壓不能做到380V;而且工頻機(jī)逆變器是全橋電路,輸出為三相火線,無(wú) 法滿足單相IT負(fù)載和三相四線制負(fù)載的需求,必須進(jìn)行Δ-Y轉(zhuǎn)換。為解決這些問(wèn)題,廠家在工頻機(jī)逆變器輸出端加入了變壓器用于升壓和產(chǎn)生中線,以使輸出電 壓滿足負(fù)載的要求,這便是工頻機(jī)內(nèi)置變壓器的真實(shí)目的。圖-1所示為工頻機(jī)的典型拓?fù)洹?br />
圖-1 工頻機(jī)典型拓?fù)?/div>
而到上世紀(jì)90年代,第三代溝槽型IGBT面世,其耐壓能力提升至1200V,促使了UPS技術(shù)的革新。通過(guò)整流側(cè)高頻升壓電路將母線電壓提升至 700V左右,逆變器輸出電壓可以做到380V,輸出變壓器得以取消。而這種整流逆變電路都工作在高頻(幾kHz以上)且沒(méi)有輸出變壓器的UPS就被稱為 高頻UPS。圖-2所示為一典型的高頻機(jī)拓?fù)洹?br />
而到上世紀(jì)90年代,第三代溝槽型IGBT面世,其耐壓能力提升至1200V,促使了UPS技術(shù)的革新。通過(guò)整流側(cè)高頻升壓電路將母線電壓提升至 700V左右,逆變器輸出電壓可以做到380V,輸出變壓器得以取消。而這種整流逆變電路都工作在高頻(幾kHz以上)且沒(méi)有輸出變壓器的UPS就被稱為 高頻UPS。圖-2所示為一典型的高頻機(jī)拓?fù)洹?br />
圖-2 高頻機(jī)典型拓?fù)?/div>
二、高頻UPS與工頻UPS的對(duì)比
1.工頻機(jī)輸入功率因數(shù)低、諧波高
工頻機(jī)UPS采用可控硅半控整流,6脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)低于0.7,諧波高達(dá)30%;12脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)最高僅為0.8,諧波 高達(dá)15%,即使加上諧波處理措施,功率因數(shù)最高也只能改善至0.95。相比之下,高頻機(jī)采用IGBT-PFC全控整流,輸入功率因數(shù)業(yè)界均可做到 0.99,諧波電流小于3%。嚴(yán)重的諧波污染不僅可能干擾其他設(shè)備無(wú)法工作、使控制與保護(hù)器件誤動(dòng)作外,而且直接導(dǎo)致投資大幅增加:客戶需要購(gòu)買額外的諧 波處理設(shè)備降低諧波;如果前端接柴油發(fā)電機(jī)備電,發(fā)電機(jī)的容量要配置為UPS容量的2-3倍,同時(shí)前級(jí)配電器件、線纜等均需要提升20%左右,而高頻機(jī)只 需前端發(fā)電機(jī)容量配置為UPS容量的1.2-1.5倍即可,配電容量和UPS容量保持一致或略高。
2.工頻機(jī)功耗大
有三個(gè)因素導(dǎo)致工頻UPS效率低于高頻UPS。一是工頻UPS整流為降壓拓?fù)洌骷ぷ麟娏鞔?,無(wú)論是內(nèi)部線路無(wú)論是線性損耗還是平方損耗都比高頻 機(jī)高;二是因輸出需要升壓的原因工頻機(jī)比高頻機(jī)多內(nèi)置一個(gè)輸出變壓器,致使工頻機(jī)效率下降2%-3%左右;三是在實(shí)際應(yīng)用中,為了提高輸入功率因數(shù)至 0.95以上,并降低其注入電網(wǎng)的諧波污染,工頻機(jī)還要外置一個(gè)5次或11次諧波濾波器,效率將再次下降2%-3%。據(jù)英國(guó)某運(yùn)營(yíng)商與 西班牙某運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),工頻UPS的效率一般在85%左右,相比高頻92%左右的運(yùn)行效率和模塊化96%左右的運(yùn)行效率,導(dǎo)致大量的能量損失。 以400kW負(fù)載為例,工頻機(jī)將比高頻機(jī)年多耗電41萬(wàn)度,比模塊化年多耗電近58萬(wàn)度。除此之外,工頻UPS還有高諧波、低功率因數(shù)等導(dǎo)致配電線纜損耗 增大等問(wèn)題。
3.工頻機(jī)體積大、重量重
因?yàn)楣ゎl機(jī)采用低頻器件且配置輸出變壓器,致使UPS體積重量大大增加。以某品牌400kVA工頻機(jī)和高頻機(jī)對(duì)比,工頻機(jī)重量是高頻機(jī)的2.2倍, 體積是高頻機(jī)的1.5倍,在實(shí)際運(yùn)輸中可能存在機(jī)房門或者走道偏小、電梯載重不夠、樓層承重不足等問(wèn)題,有些情況下甚至需要用吊車裝卸,然后破墻而入來(lái)安 裝工頻UPS,大大增加了運(yùn)輸時(shí)間及成本。
4.工頻機(jī)相比高頻機(jī)在可靠性方面并無(wú)優(yōu)勢(shì)
工頻機(jī)和高頻機(jī)的主要差異體現(xiàn)在整流器和變壓器上。工頻機(jī)整流器采用SCR器件,電壓應(yīng)力小,電流應(yīng)力大,高頻機(jī)主要采用IGBT器件,電流應(yīng)力 小,電壓應(yīng)力大。SCR與IGBT目前均為成熟器件,只要應(yīng)用得當(dāng),可靠性并不會(huì)有差異。事實(shí)上,工頻機(jī)的逆變部分也是使用IGBT,并沒(méi)有因此而降低工 頻機(jī)的可靠性,也沒(méi)有證據(jù)證明逆變器是工頻機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)。從拓?fù)渖现v,工頻機(jī)用的是相控整流+全橋逆變,高頻機(jī)一般采用高頻整流+半橋逆變。這些拓?fù)渚鶠?電力電子技術(shù)上非常常用的拓?fù)?,并不存在誰(shuí)原理上更可靠的問(wèn)題,其可靠度取決于設(shè)計(jì)的水平。
而對(duì)于變壓器,業(yè)界經(jīng)??梢月牭狡浜芏嗨^的優(yōu)點(diǎn),比如抗沖擊能力強(qiáng)、降低零地電壓等,然而真的是這樣嗎?
第一,過(guò)載能力強(qiáng),抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)。過(guò)載能力是IEC62040-3中要求標(biāo)稱的關(guān)鍵指標(biāo)之一,其強(qiáng)弱可通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)衡量。表-1所示為同一廠商的工頻機(jī)與高頻機(jī)過(guò)載能力,由表-1可知,兩類機(jī)型過(guò)載能力并沒(méi)有區(qū)別。
輸出變壓器并不會(huì)增強(qiáng)工頻機(jī)的抗沖擊能力,對(duì)于變壓器可以增強(qiáng)抗沖擊能力的想象來(lái)源于變壓器的電感特性,電感平滑電流的能力在負(fù)載電流激增時(shí)可以平 滑電流波形延緩電流沖擊。但實(shí)際上電感平滑電流的能力與其本身感量成正比。工頻機(jī)輸出變壓器變比小,變壓器輸出繞組的勵(lì)磁電感也不會(huì)太大,在大電流沖擊下 極易飽和,很難對(duì)逆變器的沖擊有明顯的緩沖作用。而按照傳統(tǒng)變壓器傳遞能量的特點(diǎn)與磁性器件原理分析,當(dāng)后級(jí)負(fù)載也就是變壓器輸出側(cè)出現(xiàn)能量沖擊時(shí),在變 壓器能量傳遞能力達(dá)到飽和上限之前,后端的尖峰勵(lì)磁電流會(huì)直接反射到前端對(duì)UPS的IGBT產(chǎn)生沖擊,并且由于變壓器的變比問(wèn)題前端所受到的沖擊電流會(huì)比 輸出端更大,同時(shí)造成的損害也更為嚴(yán)重。而且,工頻系統(tǒng)由于變壓器的磁滯特性,難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)變壓器后端出現(xiàn)突變并反饋到前級(jí)時(shí),系統(tǒng)采取相關(guān)動(dòng)作較無(wú)變壓器的高頻機(jī)來(lái)說(shuō)會(huì)延遲幾十甚至幾百個(gè)ms,此時(shí)流過(guò)IGBT的沖擊電流已經(jīng)足夠損壞UPS甚至引發(fā)火災(zāi)。
第二,在逆變器IGBT管直通故障時(shí)隔斷直流危險(xiǎn)電壓。工頻機(jī)變壓器確實(shí)可以避免直流傳遞至副邊,但高頻機(jī)通過(guò)快速檢測(cè)與保護(hù)措施一樣可以避免直流 危險(xiǎn)電壓對(duì)負(fù)載造成危害。當(dāng)高頻機(jī)逆變某IGBT出現(xiàn)直通故障時(shí),UPS控制器可立即檢測(cè)輸出電流異常,并通過(guò)整流單元關(guān)機(jī)及輸出端口熔絲保護(hù)等措施快速 隔斷直流危險(xiǎn)電壓到輸出端口的路徑。在保護(hù)過(guò)程中,輸出到負(fù)載端口的電壓約為持續(xù)幾個(gè)ms的400V直流。對(duì)于使用開關(guān)電源供 電的IT負(fù)載來(lái)說(shuō),其輸入允許電壓可以達(dá)到276Vac,整流之后電壓也在400Vdc左右,器件選型等均依據(jù)母線電壓選型。此時(shí)輸入端口的400Vdc 不會(huì)超出器件耐受范圍,不可能對(duì)設(shè)備造成傷害。而對(duì)于工頻機(jī)而言,其原邊加載直流電壓,將導(dǎo)致電流急劇增大,溫度快速上升,可能引發(fā)火災(zāi)等更嚴(yán)重故障。
第三,可以降低零地電壓。許多服務(wù)器等 設(shè)備都有零地電壓的要求,盡管這樣設(shè)計(jì)的原因已無(wú)法考證,因?yàn)閺睦碚撋蟻?lái)說(shuō)零地電壓的大小并不會(huì)影響IT設(shè)備的正常工作。在數(shù)據(jù)中心中,IT設(shè)備只允許使 用TN-S或TN-C-S供電制式,那么IT設(shè)備輸入端口的零地電壓主要由零線接地點(diǎn)(TN-S系統(tǒng))或零線與地線分離點(diǎn)(TN-C-S系統(tǒng))至IT輸入 端口的零線阻抗與零線電流及系統(tǒng)中三次諧波電流決定。在相同的系統(tǒng)中,無(wú)論是工頻機(jī)還是高頻機(jī)均不會(huì)影響零線阻抗,而零線電流及三次諧波電流主要是與三相 負(fù)載配置與負(fù)載特性有關(guān),即UPS的類型不會(huì)對(duì)于零地電壓不會(huì)有明顯的影響。真正決定零地電壓的是配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。如果需要改善零地電壓,最好是從配電系 統(tǒng)入手,著手減少線路阻抗與零線電流。減少線路阻抗最有效的方式即在負(fù)載的列頭柜內(nèi)置隔離變壓器。需要注意的是在應(yīng)用時(shí)有將工頻機(jī)變壓器副邊直接接地的做 法,這是一種不規(guī)范的做法。工頻機(jī)變壓器N線并未隔離,對(duì)于TN-S系統(tǒng)和N與PE已經(jīng)分開的TN-C-S系統(tǒng),N線重新接地也將導(dǎo)致PE線有電流流過(guò), 可能干擾設(shè)備正常工作。國(guó)標(biāo)還是IEC標(biāo)準(zhǔn)均不允許此種不規(guī)范做法。
而第四,工頻UPS的變壓器可以起到隔離作用,可以保障人身安全。為了保障主旁平穩(wěn)切換,工頻UPS輸出N線由旁路引入,也即工頻機(jī)的變壓器并不能 起到電氣隔離作用,也不能重新接地。在需要隔離場(chǎng)合的場(chǎng)景,即使使用工頻UPS,其旁路也必須加一變壓器用于隔離N線,以實(shí)現(xiàn)真正的隔離。
實(shí)際上,變壓器的設(shè)計(jì)反而增大了環(huán)流的風(fēng)險(xiǎn)。圖-3所示為兩類機(jī)型的環(huán)流路徑。工頻機(jī)UPS的并聯(lián)就是變壓器的直接并聯(lián),整條回路上沒(méi)有器件限制,電壓的偏差很容易產(chǎn)生環(huán)流。而高頻機(jī)的環(huán)流路徑上具備多個(gè)二極管,小于2V的電壓差根本形不成環(huán)流。
5.工頻機(jī)增加用戶投資
由于工頻機(jī)整流工作在市電頻率,需要更大的電感儲(chǔ)能。其更大體積的電感與無(wú)法省掉的變壓器均由銅和磁性材料組成,成本難以下降,價(jià)格一般比高頻機(jī)要高30%以上。
綜上,從性能、可靠性、價(jià)格上講,高頻機(jī)比工頻機(jī)均具備優(yōu)勢(shì)。從各主要廠家的系列來(lái)看,業(yè)界主要廠商均已不推出新工頻機(jī)型,部分廠商已全面轉(zhuǎn)向高頻機(jī)的研發(fā)與銷售。工頻機(jī)被高頻機(jī)取代已是大勢(shì)所趨。
三、從高頻塔式機(jī)UPS到模塊化UPS的發(fā)展
模塊化UPS早在上世紀(jì)九十年代即已出現(xiàn),但因?yàn)榧夹g(shù)能力沉寂了很長(zhǎng)時(shí)間。而自2000年起,由于DSP、數(shù)字控制等技術(shù)的發(fā)展,多功率模塊并聯(lián)均流控制問(wèn)題得以逐步解決,模塊化UPS技術(shù)開始蓬勃發(fā)展。2009-2010年中國(guó)電信對(duì)模塊化UPS展開深入測(cè)試,根據(jù)各地實(shí)際使用單位的反饋,中國(guó)電信認(rèn)為業(yè)界主流模塊化UPS已滿足通信行業(yè)的使用要求,并于2011年底開始對(duì)模塊化UPS進(jìn)行集中采購(gòu)。中國(guó)移動(dòng)模塊化UPS也以單獨(dú)標(biāo)段進(jìn)行集采。
四、模塊化UPS與高頻塔式UPS的對(duì)比
1.模塊化UPS系統(tǒng)可用性高
供配電系統(tǒng)作為現(xiàn)在信息系統(tǒng)極為重要的一環(huán),對(duì)其一個(gè)基本的要求就是該系統(tǒng)必須能連續(xù)工作。而要達(dá)到連續(xù)工作這一目的,首先是系統(tǒng)應(yīng)具備較高的可靠 性,其次該系統(tǒng)必須做到能夠快速修復(fù)。如果不能快速修復(fù),就可能面臨二次故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn),客戶的負(fù)載就不能保障連續(xù)工作。
在快速修復(fù)方面,模塊化UPS具備天生優(yōu)勢(shì)。首先,在修復(fù)時(shí)間上,由于快速插拔這一特性,模塊化UPS現(xiàn)場(chǎng)即可完成更換,平均的修復(fù)時(shí)間在半小時(shí)之 內(nèi),相比于傳統(tǒng)塔式機(jī)典型修復(fù)時(shí)間24小時(shí),修復(fù)速度明顯提升。其次,在修復(fù)質(zhì)量上,模塊化UPS的修復(fù)形式是將故障模塊更換,而傳統(tǒng)塔式機(jī)需要原廠派專 業(yè)工程師到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障定位,然后拆機(jī)修復(fù)故障電路、單板,修復(fù)周期長(zhǎng),而且存在溝通和定位過(guò)程,易造成重復(fù)工作,影響故障處理效率。
可能有的用戶會(huì)質(zhì)疑,認(rèn)為模塊化UPS的N+1體系結(jié)構(gòu)不如1+1并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定。確實(shí),從理論上來(lái)講,N+1并機(jī)系統(tǒng)中1+1的可靠性肯定是最高的。但是實(shí)際的場(chǎng)景中往往不是這么簡(jiǎn)單:
首先,此結(jié)論忽略了負(fù)載率這一情況,作為1+1并機(jī)系統(tǒng),最多只能允許一臺(tái)UPS損壞;而對(duì)于模塊化UPS體系,以4+1為例,100%負(fù)載的時(shí)候 可靠性要低于1+1,但是75%負(fù)載率的時(shí)候,模塊化體系實(shí)際就變成了3+2,50%的時(shí)候就變成了2+3,可靠性要遠(yuǎn)大于1+1并機(jī)。在常見應(yīng)用場(chǎng)景 中,UPS負(fù)載率是在20~40%左右的,在這種情況下模塊化的優(yōu)勢(shì)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。
其次,不同于傳統(tǒng)單機(jī),模塊化UPS可以輕易實(shí)現(xiàn)N+2、N+3這種冗余模式,僅需增加1-2個(gè)模塊即可實(shí)現(xiàn),而塔式機(jī)要做到此模式不僅僅是增加1臺(tái)主機(jī),機(jī)器運(yùn)輸、場(chǎng)地安裝、走線設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的配電、電池都需變更,導(dǎo)致投資大幅增加。
綜上,UPS模塊化在實(shí)際場(chǎng)景中可靠性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)塔式并機(jī);再加上UPS快速維護(hù)、擴(kuò)容的特性,模塊化UPS的可用性更是大大高于傳統(tǒng)塔式機(jī)。
2.模塊化UPS的擴(kuò)展性更好
塔式機(jī)擴(kuò)容需要購(gòu)買整臺(tái)新機(jī)、將機(jī)器安裝到位、將系統(tǒng)中其他UPS轉(zhuǎn)旁路后把新機(jī)接入系統(tǒng),整個(gè)步驟中不僅投資高、安裝時(shí)間長(zhǎng),而且在并入新機(jī)時(shí)由于整個(gè)系統(tǒng)處于旁路狀態(tài),存在市電中斷導(dǎo)致負(fù)載掉電的風(fēng)險(xiǎn)。
而模塊化只要初期規(guī)劃好配電系統(tǒng),就可以通過(guò)增加模塊來(lái)匹配負(fù)載的提升,且在擴(kuò)容過(guò)程中保障對(duì)原有負(fù)載的不間斷供電。
3.模塊化UPS運(yùn)輸安裝難度低
塔式機(jī)UPS需要作為一個(gè)整體來(lái)安裝、運(yùn)輸,大型單機(jī)就會(huì)比較困難。如容量400kVA的UPS重量一般為1500kg左右,體積超過(guò)3m3,塔式 機(jī)UPS會(huì)受到運(yùn)輸通道不足、重量高難運(yùn)輸?shù)睦щy,而模塊化UPS一方面可以將模塊、機(jī)架分開搬運(yùn),另一方面多數(shù)機(jī)型機(jī)架之間可以分開運(yùn)輸,塔式UPS可 能遇到的問(wèn)題將迎刃而解。
4.模塊化UPS實(shí)際運(yùn)行效率高
目前高頻塔式UPS與模塊化UPS均可做到最高96%的效率值,但這是在負(fù)載率在50%以上才能達(dá)到的。而前面提到,因?yàn)橄到y(tǒng)冗余及超前規(guī)劃,常見 工況下UPS負(fù)載率在20~40%左右。高頻塔式機(jī)在此工況下只能做到94~95%的效率,而主流模塊化UPS普遍具備“模塊休眠”特性在保證一定系統(tǒng)冗 余的基礎(chǔ)上,可以休眠一定數(shù)量的模塊(可以手動(dòng)或者設(shè)置自動(dòng)),讓UPS系統(tǒng)工作在效率比較高的區(qū)域,即保持在效率最高點(diǎn)96%附近。圖-4即展示了休眠 提升負(fù)載率與運(yùn)行效率的原理。
而且有些廠家考慮到模塊老化時(shí)間可能不同,更進(jìn)一步開發(fā)了“輪換休眠功能”:即每隔一段設(shè)定好的周期,休眠模塊進(jìn)行輪換,以平均每個(gè)模塊的老化時(shí)間,提升整體UPS系統(tǒng)壽命。圖-5展示了輪換休眠的典型過(guò)程。
五、結(jié)束語(yǔ)
自其誕生之日起,模塊化UPS就旨在滿足用戶對(duì)于供電系統(tǒng)的可用性、可靠性、可維護(hù)性及節(jié)能等方面的需求。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行驗(yàn)證,模塊化UPS在這些 方面相較傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)確實(shí)具備很大優(yōu)勢(shì)。隨著能源成本持續(xù)增加及用戶對(duì)供電系統(tǒng)的靈活性、可用性等要求的進(jìn)一步提高,模塊化UPS必將得到更廣泛的應(yīng) 用。
本文作者:王其英 來(lái)源:C114中國(guó)通信網(wǎng)
尊重版權(quán),擴(kuò)大好文影響力!
二、高頻UPS與工頻UPS的對(duì)比
1.工頻機(jī)輸入功率因數(shù)低、諧波高
工頻機(jī)UPS采用可控硅半控整流,6脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)低于0.7,諧波高達(dá)30%;12脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)最高僅為0.8,諧波 高達(dá)15%,即使加上諧波處理措施,功率因數(shù)最高也只能改善至0.95。相比之下,高頻機(jī)采用IGBT-PFC全控整流,輸入功率因數(shù)業(yè)界均可做到 0.99,諧波電流小于3%。嚴(yán)重的諧波污染不僅可能干擾其他設(shè)備無(wú)法工作、使控制與保護(hù)器件誤動(dòng)作外,而且直接導(dǎo)致投資大幅增加:客戶需要購(gòu)買額外的諧 波處理設(shè)備降低諧波;如果前端接柴油發(fā)電機(jī)備電,發(fā)電機(jī)的容量要配置為UPS容量的2-3倍,同時(shí)前級(jí)配電器件、線纜等均需要提升20%左右,而高頻機(jī)只 需前端發(fā)電機(jī)容量配置為UPS容量的1.2-1.5倍即可,配電容量和UPS容量保持一致或略高。
2.工頻機(jī)功耗大
有三個(gè)因素導(dǎo)致工頻UPS效率低于高頻UPS。一是工頻UPS整流為降壓拓?fù)洌骷ぷ麟娏鞔?,無(wú)論是內(nèi)部線路無(wú)論是線性損耗還是平方損耗都比高頻 機(jī)高;二是因輸出需要升壓的原因工頻機(jī)比高頻機(jī)多內(nèi)置一個(gè)輸出變壓器,致使工頻機(jī)效率下降2%-3%左右;三是在實(shí)際應(yīng)用中,為了提高輸入功率因數(shù)至 0.95以上,并降低其注入電網(wǎng)的諧波污染,工頻機(jī)還要外置一個(gè)5次或11次諧波濾波器,效率將再次下降2%-3%。據(jù)英國(guó)某運(yùn)營(yíng)商與 西班牙某運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),工頻UPS的效率一般在85%左右,相比高頻92%左右的運(yùn)行效率和模塊化96%左右的運(yùn)行效率,導(dǎo)致大量的能量損失。 以400kW負(fù)載為例,工頻機(jī)將比高頻機(jī)年多耗電41萬(wàn)度,比模塊化年多耗電近58萬(wàn)度。除此之外,工頻UPS還有高諧波、低功率因數(shù)等導(dǎo)致配電線纜損耗 增大等問(wèn)題。
3.工頻機(jī)體積大、重量重
因?yàn)楣ゎl機(jī)采用低頻器件且配置輸出變壓器,致使UPS體積重量大大增加。以某品牌400kVA工頻機(jī)和高頻機(jī)對(duì)比,工頻機(jī)重量是高頻機(jī)的2.2倍, 體積是高頻機(jī)的1.5倍,在實(shí)際運(yùn)輸中可能存在機(jī)房門或者走道偏小、電梯載重不夠、樓層承重不足等問(wèn)題,有些情況下甚至需要用吊車裝卸,然后破墻而入來(lái)安 裝工頻UPS,大大增加了運(yùn)輸時(shí)間及成本。
4.工頻機(jī)相比高頻機(jī)在可靠性方面并無(wú)優(yōu)勢(shì)
工頻機(jī)和高頻機(jī)的主要差異體現(xiàn)在整流器和變壓器上。工頻機(jī)整流器采用SCR器件,電壓應(yīng)力小,電流應(yīng)力大,高頻機(jī)主要采用IGBT器件,電流應(yīng)力 小,電壓應(yīng)力大。SCR與IGBT目前均為成熟器件,只要應(yīng)用得當(dāng),可靠性并不會(huì)有差異。事實(shí)上,工頻機(jī)的逆變部分也是使用IGBT,并沒(méi)有因此而降低工 頻機(jī)的可靠性,也沒(méi)有證據(jù)證明逆變器是工頻機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)。從拓?fù)渖现v,工頻機(jī)用的是相控整流+全橋逆變,高頻機(jī)一般采用高頻整流+半橋逆變。這些拓?fù)渚鶠?電力電子技術(shù)上非常常用的拓?fù)?,并不存在誰(shuí)原理上更可靠的問(wèn)題,其可靠度取決于設(shè)計(jì)的水平。
而對(duì)于變壓器,業(yè)界經(jīng)??梢月牭狡浜芏嗨^的優(yōu)點(diǎn),比如抗沖擊能力強(qiáng)、降低零地電壓等,然而真的是這樣嗎?
第一,過(guò)載能力強(qiáng),抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)。過(guò)載能力是IEC62040-3中要求標(biāo)稱的關(guān)鍵指標(biāo)之一,其強(qiáng)弱可通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)衡量。表-1所示為同一廠商的工頻機(jī)與高頻機(jī)過(guò)載能力,由表-1可知,兩類機(jī)型過(guò)載能力并沒(méi)有區(qū)別。
表-1 某廠商工頻機(jī)與高頻機(jī)過(guò)載能力對(duì)比
輸出變壓器并不會(huì)增強(qiáng)工頻機(jī)的抗沖擊能力,對(duì)于變壓器可以增強(qiáng)抗沖擊能力的想象來(lái)源于變壓器的電感特性,電感平滑電流的能力在負(fù)載電流激增時(shí)可以平 滑電流波形延緩電流沖擊。但實(shí)際上電感平滑電流的能力與其本身感量成正比。工頻機(jī)輸出變壓器變比小,變壓器輸出繞組的勵(lì)磁電感也不會(huì)太大,在大電流沖擊下 極易飽和,很難對(duì)逆變器的沖擊有明顯的緩沖作用。而按照傳統(tǒng)變壓器傳遞能量的特點(diǎn)與磁性器件原理分析,當(dāng)后級(jí)負(fù)載也就是變壓器輸出側(cè)出現(xiàn)能量沖擊時(shí),在變 壓器能量傳遞能力達(dá)到飽和上限之前,后端的尖峰勵(lì)磁電流會(huì)直接反射到前端對(duì)UPS的IGBT產(chǎn)生沖擊,并且由于變壓器的變比問(wèn)題前端所受到的沖擊電流會(huì)比 輸出端更大,同時(shí)造成的損害也更為嚴(yán)重。而且,工頻系統(tǒng)由于變壓器的磁滯特性,難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)變壓器后端出現(xiàn)突變并反饋到前級(jí)時(shí),系統(tǒng)采取相關(guān)動(dòng)作較無(wú)變壓器的高頻機(jī)來(lái)說(shuō)會(huì)延遲幾十甚至幾百個(gè)ms,此時(shí)流過(guò)IGBT的沖擊電流已經(jīng)足夠損壞UPS甚至引發(fā)火災(zāi)。
第二,在逆變器IGBT管直通故障時(shí)隔斷直流危險(xiǎn)電壓。工頻機(jī)變壓器確實(shí)可以避免直流傳遞至副邊,但高頻機(jī)通過(guò)快速檢測(cè)與保護(hù)措施一樣可以避免直流 危險(xiǎn)電壓對(duì)負(fù)載造成危害。當(dāng)高頻機(jī)逆變某IGBT出現(xiàn)直通故障時(shí),UPS控制器可立即檢測(cè)輸出電流異常,并通過(guò)整流單元關(guān)機(jī)及輸出端口熔絲保護(hù)等措施快速 隔斷直流危險(xiǎn)電壓到輸出端口的路徑。在保護(hù)過(guò)程中,輸出到負(fù)載端口的電壓約為持續(xù)幾個(gè)ms的400V直流。對(duì)于使用開關(guān)電源供 電的IT負(fù)載來(lái)說(shuō),其輸入允許電壓可以達(dá)到276Vac,整流之后電壓也在400Vdc左右,器件選型等均依據(jù)母線電壓選型。此時(shí)輸入端口的400Vdc 不會(huì)超出器件耐受范圍,不可能對(duì)設(shè)備造成傷害。而對(duì)于工頻機(jī)而言,其原邊加載直流電壓,將導(dǎo)致電流急劇增大,溫度快速上升,可能引發(fā)火災(zāi)等更嚴(yán)重故障。
第三,可以降低零地電壓。許多服務(wù)器等 設(shè)備都有零地電壓的要求,盡管這樣設(shè)計(jì)的原因已無(wú)法考證,因?yàn)閺睦碚撋蟻?lái)說(shuō)零地電壓的大小并不會(huì)影響IT設(shè)備的正常工作。在數(shù)據(jù)中心中,IT設(shè)備只允許使 用TN-S或TN-C-S供電制式,那么IT設(shè)備輸入端口的零地電壓主要由零線接地點(diǎn)(TN-S系統(tǒng))或零線與地線分離點(diǎn)(TN-C-S系統(tǒng))至IT輸入 端口的零線阻抗與零線電流及系統(tǒng)中三次諧波電流決定。在相同的系統(tǒng)中,無(wú)論是工頻機(jī)還是高頻機(jī)均不會(huì)影響零線阻抗,而零線電流及三次諧波電流主要是與三相 負(fù)載配置與負(fù)載特性有關(guān),即UPS的類型不會(huì)對(duì)于零地電壓不會(huì)有明顯的影響。真正決定零地電壓的是配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。如果需要改善零地電壓,最好是從配電系 統(tǒng)入手,著手減少線路阻抗與零線電流。減少線路阻抗最有效的方式即在負(fù)載的列頭柜內(nèi)置隔離變壓器。需要注意的是在應(yīng)用時(shí)有將工頻機(jī)變壓器副邊直接接地的做 法,這是一種不規(guī)范的做法。工頻機(jī)變壓器N線并未隔離,對(duì)于TN-S系統(tǒng)和N與PE已經(jīng)分開的TN-C-S系統(tǒng),N線重新接地也將導(dǎo)致PE線有電流流過(guò), 可能干擾設(shè)備正常工作。國(guó)標(biāo)還是IEC標(biāo)準(zhǔn)均不允許此種不規(guī)范做法。
而第四,工頻UPS的變壓器可以起到隔離作用,可以保障人身安全。為了保障主旁平穩(wěn)切換,工頻UPS輸出N線由旁路引入,也即工頻機(jī)的變壓器并不能 起到電氣隔離作用,也不能重新接地。在需要隔離場(chǎng)合的場(chǎng)景,即使使用工頻UPS,其旁路也必須加一變壓器用于隔離N線,以實(shí)現(xiàn)真正的隔離。
實(shí)際上,變壓器的設(shè)計(jì)反而增大了環(huán)流的風(fēng)險(xiǎn)。圖-3所示為兩類機(jī)型的環(huán)流路徑。工頻機(jī)UPS的并聯(lián)就是變壓器的直接并聯(lián),整條回路上沒(méi)有器件限制,電壓的偏差很容易產(chǎn)生環(huán)流。而高頻機(jī)的環(huán)流路徑上具備多個(gè)二極管,小于2V的電壓差根本形不成環(huán)流。
圖-3 工頻機(jī)與高頻機(jī)并機(jī)環(huán)流路徑
5.工頻機(jī)增加用戶投資
由于工頻機(jī)整流工作在市電頻率,需要更大的電感儲(chǔ)能。其更大體積的電感與無(wú)法省掉的變壓器均由銅和磁性材料組成,成本難以下降,價(jià)格一般比高頻機(jī)要高30%以上。
綜上,從性能、可靠性、價(jià)格上講,高頻機(jī)比工頻機(jī)均具備優(yōu)勢(shì)。從各主要廠家的系列來(lái)看,業(yè)界主要廠商均已不推出新工頻機(jī)型,部分廠商已全面轉(zhuǎn)向高頻機(jī)的研發(fā)與銷售。工頻機(jī)被高頻機(jī)取代已是大勢(shì)所趨。
三、從高頻塔式機(jī)UPS到模塊化UPS的發(fā)展
模塊化UPS早在上世紀(jì)九十年代即已出現(xiàn),但因?yàn)榧夹g(shù)能力沉寂了很長(zhǎng)時(shí)間。而自2000年起,由于DSP、數(shù)字控制等技術(shù)的發(fā)展,多功率模塊并聯(lián)均流控制問(wèn)題得以逐步解決,模塊化UPS技術(shù)開始蓬勃發(fā)展。2009-2010年中國(guó)電信對(duì)模塊化UPS展開深入測(cè)試,根據(jù)各地實(shí)際使用單位的反饋,中國(guó)電信認(rèn)為業(yè)界主流模塊化UPS已滿足通信行業(yè)的使用要求,并于2011年底開始對(duì)模塊化UPS進(jìn)行集中采購(gòu)。中國(guó)移動(dòng)模塊化UPS也以單獨(dú)標(biāo)段進(jìn)行集采。
四、模塊化UPS與高頻塔式UPS的對(duì)比
1.模塊化UPS系統(tǒng)可用性高
供配電系統(tǒng)作為現(xiàn)在信息系統(tǒng)極為重要的一環(huán),對(duì)其一個(gè)基本的要求就是該系統(tǒng)必須能連續(xù)工作。而要達(dá)到連續(xù)工作這一目的,首先是系統(tǒng)應(yīng)具備較高的可靠 性,其次該系統(tǒng)必須做到能夠快速修復(fù)。如果不能快速修復(fù),就可能面臨二次故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn),客戶的負(fù)載就不能保障連續(xù)工作。
在快速修復(fù)方面,模塊化UPS具備天生優(yōu)勢(shì)。首先,在修復(fù)時(shí)間上,由于快速插拔這一特性,模塊化UPS現(xiàn)場(chǎng)即可完成更換,平均的修復(fù)時(shí)間在半小時(shí)之 內(nèi),相比于傳統(tǒng)塔式機(jī)典型修復(fù)時(shí)間24小時(shí),修復(fù)速度明顯提升。其次,在修復(fù)質(zhì)量上,模塊化UPS的修復(fù)形式是將故障模塊更換,而傳統(tǒng)塔式機(jī)需要原廠派專 業(yè)工程師到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障定位,然后拆機(jī)修復(fù)故障電路、單板,修復(fù)周期長(zhǎng),而且存在溝通和定位過(guò)程,易造成重復(fù)工作,影響故障處理效率。
可能有的用戶會(huì)質(zhì)疑,認(rèn)為模塊化UPS的N+1體系結(jié)構(gòu)不如1+1并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定。確實(shí),從理論上來(lái)講,N+1并機(jī)系統(tǒng)中1+1的可靠性肯定是最高的。但是實(shí)際的場(chǎng)景中往往不是這么簡(jiǎn)單:
首先,此結(jié)論忽略了負(fù)載率這一情況,作為1+1并機(jī)系統(tǒng),最多只能允許一臺(tái)UPS損壞;而對(duì)于模塊化UPS體系,以4+1為例,100%負(fù)載的時(shí)候 可靠性要低于1+1,但是75%負(fù)載率的時(shí)候,模塊化體系實(shí)際就變成了3+2,50%的時(shí)候就變成了2+3,可靠性要遠(yuǎn)大于1+1并機(jī)。在常見應(yīng)用場(chǎng)景 中,UPS負(fù)載率是在20~40%左右的,在這種情況下模塊化的優(yōu)勢(shì)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。
其次,不同于傳統(tǒng)單機(jī),模塊化UPS可以輕易實(shí)現(xiàn)N+2、N+3這種冗余模式,僅需增加1-2個(gè)模塊即可實(shí)現(xiàn),而塔式機(jī)要做到此模式不僅僅是增加1臺(tái)主機(jī),機(jī)器運(yùn)輸、場(chǎng)地安裝、走線設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的配電、電池都需變更,導(dǎo)致投資大幅增加。
綜上,UPS模塊化在實(shí)際場(chǎng)景中可靠性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)塔式并機(jī);再加上UPS快速維護(hù)、擴(kuò)容的特性,模塊化UPS的可用性更是大大高于傳統(tǒng)塔式機(jī)。
2.模塊化UPS的擴(kuò)展性更好
塔式機(jī)擴(kuò)容需要購(gòu)買整臺(tái)新機(jī)、將機(jī)器安裝到位、將系統(tǒng)中其他UPS轉(zhuǎn)旁路后把新機(jī)接入系統(tǒng),整個(gè)步驟中不僅投資高、安裝時(shí)間長(zhǎng),而且在并入新機(jī)時(shí)由于整個(gè)系統(tǒng)處于旁路狀態(tài),存在市電中斷導(dǎo)致負(fù)載掉電的風(fēng)險(xiǎn)。
而模塊化只要初期規(guī)劃好配電系統(tǒng),就可以通過(guò)增加模塊來(lái)匹配負(fù)載的提升,且在擴(kuò)容過(guò)程中保障對(duì)原有負(fù)載的不間斷供電。
3.模塊化UPS運(yùn)輸安裝難度低
塔式機(jī)UPS需要作為一個(gè)整體來(lái)安裝、運(yùn)輸,大型單機(jī)就會(huì)比較困難。如容量400kVA的UPS重量一般為1500kg左右,體積超過(guò)3m3,塔式 機(jī)UPS會(huì)受到運(yùn)輸通道不足、重量高難運(yùn)輸?shù)睦щy,而模塊化UPS一方面可以將模塊、機(jī)架分開搬運(yùn),另一方面多數(shù)機(jī)型機(jī)架之間可以分開運(yùn)輸,塔式UPS可 能遇到的問(wèn)題將迎刃而解。
4.模塊化UPS實(shí)際運(yùn)行效率高
目前高頻塔式UPS與模塊化UPS均可做到最高96%的效率值,但這是在負(fù)載率在50%以上才能達(dá)到的。而前面提到,因?yàn)橄到y(tǒng)冗余及超前規(guī)劃,常見 工況下UPS負(fù)載率在20~40%左右。高頻塔式機(jī)在此工況下只能做到94~95%的效率,而主流模塊化UPS普遍具備“模塊休眠”特性在保證一定系統(tǒng)冗 余的基礎(chǔ)上,可以休眠一定數(shù)量的模塊(可以手動(dòng)或者設(shè)置自動(dòng)),讓UPS系統(tǒng)工作在效率比較高的區(qū)域,即保持在效率最高點(diǎn)96%附近。圖-4即展示了休眠 提升負(fù)載率與運(yùn)行效率的原理。
圖-4 休眠可有效提升UPS負(fù)載率與運(yùn)行效率
而且有些廠家考慮到模塊老化時(shí)間可能不同,更進(jìn)一步開發(fā)了“輪換休眠功能”:即每隔一段設(shè)定好的周期,休眠模塊進(jìn)行輪換,以平均每個(gè)模塊的老化時(shí)間,提升整體UPS系統(tǒng)壽命。圖-5展示了輪換休眠的典型過(guò)程。
圖-5 輪換休眠技術(shù)
五、結(jié)束語(yǔ)
自其誕生之日起,模塊化UPS就旨在滿足用戶對(duì)于供電系統(tǒng)的可用性、可靠性、可維護(hù)性及節(jié)能等方面的需求。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行驗(yàn)證,模塊化UPS在這些 方面相較傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)確實(shí)具備很大優(yōu)勢(shì)。隨著能源成本持續(xù)增加及用戶對(duì)供電系統(tǒng)的靈活性、可用性等要求的進(jìn)一步提高,模塊化UPS必將得到更廣泛的應(yīng) 用。
本文作者:王其英 來(lái)源:C114中國(guó)通信網(wǎng)
尊重版權(quán),擴(kuò)大好文影響力!
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- ADC 總諧波失真
- 貿(mào)澤電子持續(xù)擴(kuò)充工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品陣容
- 更高精度、更低噪音 GMCC美芝電子膨脹閥以創(chuàng)新?lián)屨夹袠I(yè)“制高點(diǎn)”
- 本立租完成近億元估值Pre-A輪融資,打造AI賦能的租賃服務(wù)平臺(tái)
- 中微公司成功從美國(guó)國(guó)防部中國(guó)軍事企業(yè)清單中移除
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
晶體諧振器
晶體振蕩器
晶閘管
精密電阻
精密工具
景佑能源
聚合物電容
君耀電子
開發(fā)工具
開關(guān)
開關(guān)電源
開關(guān)電源電路
開關(guān)二極管
開關(guān)三極管
科通
可變電容
可調(diào)電感
可控硅
空心線圈
控制變壓器
控制模塊
藍(lán)牙
藍(lán)牙4.0
藍(lán)牙模塊
浪涌保護(hù)器
雷度電子
鋰電池
利爾達(dá)
連接器
流量單位