三相大功率UPS電源的五大新技術(shù)

時(shí)間：2018-10-26作者：北京嘉銘恒達(dá)科技有限公司瀏覽：506

三相大功率UPS電源主要運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心與關(guān)鍵電源兩種場(chǎng)景,目前在IDC、Colo、金融、電信、醫(yī)療、半導(dǎo)體、石油石化、機(jī)場(chǎng)、軌道交通、電力等各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)近三十年的市場(chǎng)推廣與實(shí)際使用,用戶對(duì)工頻機(jī)、高頻機(jī)、固定功率一體機(jī)、模塊化UPS等概念已經(jīng)有了深刻的理解。

近十年來(lái),在大型及大型數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體等行業(yè)需求的推動(dòng)下,三相大功率UPS電源出現(xiàn)了很多新的理念與創(chuàng)新。本文對(duì)其中重要的五大新技術(shù)做簡(jiǎn)單介紹。

三種運(yùn)行模式

1逆變器**運(yùn)行模式(雙變換)




如圖1所示,工頻機(jī)高頻機(jī)從電氣變換技術(shù)角度來(lái)看,都是采用的雙變換在線式技術(shù),即能量經(jīng)過(guò)整流器逆變器兩次能量變換后,由逆變器提供電壓精度為1%、諧波含量小于5%的正弦波交流電給負(fù)載供電。這種運(yùn)行模式也可以稱為:逆變器**運(yùn)行模式(雙變換)。




逆變器**模式的優(yōu)勢(shì)是輸出電壓精度高達(dá)1%。劣勢(shì)是由于能量的兩次**轉(zhuǎn)換,在正常15%～60%負(fù)荷下,UPS整機(jī)效率較低僅88%～95%。同時(shí)電流每秒鐘都流經(jīng)整流器逆變器的功率器件,元器件疲勞老化嚴(yán)重,壽命降低,導(dǎo)致UPS可用性降低。而可用性才是用戶對(duì)UPS的較重要需求。

逆變器**模式(雙變換)本身就是一種低可用性的運(yùn)行模式。這是這么多年以來(lái)才痛苦認(rèn)識(shí)到的一個(gè)事實(shí)。

有沒(méi)有新的思路?小功率的后備式UPS和在線互動(dòng)式UPS正常情況下是旁路市電輸出供電,不是也保護(hù)了IT負(fù)荷嗎?

1

IT負(fù)荷其實(shí)對(duì)交流電的要求不高,允許電壓-20%/+10%,頻率40～70Hz,允許中斷時(shí)間10～20ms。逆變器**模式較為驕傲的1%輸出精度其實(shí)沒(méi)有意義。

2

今天市電電網(wǎng)的可用性得到了很大提高,城市10kV電網(wǎng)可用性達(dá)到99.94%(見(jiàn)表1)。這兩個(gè)因素促使我們認(rèn)識(shí)到三相*功率UPS其實(shí)也可以和小功率UPS一樣選擇旁路**運(yùn)行模式。事實(shí)上早在2010年,各廠家三相UPS就允許用戶選擇工作在旁路**模式,即ECO模式(經(jīng)濟(jì)模式)。







2旁路**運(yùn)行模式(ECO模式)

 

如圖2所示,在正常情況下,UPS**運(yùn)行在靜態(tài)旁路,由市電直接給負(fù)載供電。當(dāng)旁路電壓出設(shè)定窗口范圍時(shí),會(huì)切換到逆變器輸出模式。該模式的優(yōu)勢(shì)是達(dá)99%。劣勢(shì)是由于市電直供,會(huì)產(chǎn)生雙向*,輸入功率因數(shù)輸入諧波電流指標(biāo)較差。重要的是,當(dāng)旁路故障需要切換回逆變器模式時(shí),會(huì)出現(xiàn)4～20ms的切換時(shí)間,某些情況下會(huì)造成負(fù)載運(yùn)行中斷,大地降低了UPS的可用性。




在這種情況下,能否找到一種運(yùn)行模式,既有高可用性,還能提高運(yùn)行效率,同時(shí)性能指標(biāo)參數(shù)也能滿足負(fù)載要求,就成為各廠家研發(fā)的重要目標(biāo)。




3級(jí)旁路**運(yùn)行模式(E變換模式)

 

2012年獲得了級(jí)旁路**模式(E變換)的**。如圖3所示,正常情況下,逆變器與旁路市電并聯(lián)工作,相當(dāng)于有源濾波器,逆變器提供諧波電流和無(wú)功功率,旁路市電回路提供基波電流和有功功率。輸出電壓由旁路決定。這種模式的優(yōu)勢(shì)是整流器和逆變器的功率器件流過(guò)的電流較小,元器件疲勞老化輕微,壽命延長(zhǎng),UPS可用性提高。由于逆變器一直在并聯(lián)運(yùn)行,當(dāng)旁路市電出窗口范圍時(shí),系統(tǒng)會(huì)0ms切換回逆變器工作,不存在切換失敗切換時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。該種模式達(dá)98.8%,僅次于ECO模式。另外,由于可控制旁路回路只提供基波電流和有功功率,因此輸入功率因數(shù)0.99,輸入諧波電流<5%。




目前主流*品牌廠家在三相大功率UPS系列上均與E變換技術(shù)類(lèi)似的運(yùn)行模式,供用戶選擇使用。




多電平逆變器技術(shù)

工頻機(jī)和早期的高頻機(jī)均采用兩電平逆變器技術(shù)。如圖4所示。




工頻機(jī)采用變壓器交流升壓技術(shù)。工頻機(jī)一般配置32只12V電池,浮充狀態(tài)下直流母線電壓432V,較低,只能逆變出160V交流電,只好在逆變器后端采用升壓工頻變壓器,輸出220/380V交流電。逆變器功率器件的承壓為432V,較低,選用800V耐壓值的IGBT即可滿足要求。

高頻機(jī)采用DC/DC直流升壓技術(shù)。高頻機(jī)一般配置40～64只電池,為取消變壓器,保證逆變器可以直接逆變出220V/380V交流電,高頻機(jī)在整流器后增加了一個(gè)IGBT的DC/DC升壓環(huán)節(jié),使得兩電平逆變器**的直流母線電壓達(dá)到800V,這樣逆變器功率器件的承壓為800V,需要選用1500V耐壓值的IGBT才能滿足要求。

通過(guò)研究場(chǎng)效應(yīng)管和IGBT等功率器件的失效率曲線,發(fā)現(xiàn)1500V耐壓值的功率器件其失效率數(shù)倍于800V耐壓值的功率器件。這樣,研發(fā)人員意到降低功率器件的承壓從而選擇低耐壓值的功率器件理論上可以提高逆變器的可用性。用戶體驗(yàn)實(shí)踐也證明工頻機(jī)逆變器比兩電平高頻機(jī)的逆變器可用性高。為改善高頻機(jī)的可用性,業(yè)內(nèi)研發(fā)了三電平四電平逆變器。

如圖5所示為三電平逆變器功率器件的承壓為400V,**工頻機(jī)。




四電平逆變器功率器件的承壓為266V(見(jiàn)圖6),遠(yuǎn)**工頻機(jī)的432V。




2010年獲得了四電平逆變器技術(shù)的**。該技術(shù)的運(yùn)用,不但提高了逆變器的可用性,還提高了UPS效率,達(dá)到96.5%。

那么是否五電平、六電平逆變器的可用性會(huì)高呢,答案不是這樣的,因?yàn)殡娖綌?shù)越多,逆變器需要的功率器件的數(shù)量就越多,使得逆變器出故障的可能性增多。因此,需要在功率器件的耐壓值和數(shù)量上找到合理的平衡。實(shí)踐證明運(yùn)行在**范圍內(nèi)的數(shù)萬(wàn)臺(tái)四電平逆變器可用性大大**傳統(tǒng)的工頻機(jī)。




新型物理架構(gòu)的大功率并機(jī)系統(tǒng)

大型及大型數(shù)據(jù)中心及半導(dǎo)體行業(yè)的用戶,經(jīng)常會(huì)搭建功率為1500kW及以上的UPS系統(tǒng),這就需要采用多臺(tái)UPS并聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)。并機(jī)電氣架構(gòu)大家都知道有兩種,多臺(tái)UPS直接并機(jī),和公用靜態(tài)旁路的多臺(tái)UPS并機(jī)。

而并機(jī)物理架構(gòu)目前也發(fā)展出有兩種。

如圖7(a)所示并機(jī)物理結(jié)構(gòu)1,為傳統(tǒng)的多臺(tái)單機(jī)通過(guò)外部配電柜和電纜進(jìn)行并聯(lián),總共需要7個(gè)外部配電柜和多組電纜。每臺(tái)UPS都有外配的主輸入、旁路輸入、UPS輸出、電池回路等四把交直流斷路器和四組交直流電纜,使得UPS系統(tǒng)操作復(fù)雜造成可用性降低、配套的配電柜和電纜成本高、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境要求高、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員技術(shù)要求高、施工工期長(zhǎng)。

為解決上述問(wèn)題,必須采用新的集成化預(yù)制化的物理結(jié)構(gòu)的并機(jī)系統(tǒng)。




如圖7(b)所示位并機(jī)物理結(jié)構(gòu)2,為多臺(tái)功率柜和輸入輸出I/O柜通過(guò)外部主配電柜和主電纜進(jìn)行并聯(lián),總共需要4個(gè)配電柜和少量電纜。每臺(tái)UPS功率柜內(nèi)部集成了自動(dòng)控制的接觸器和熔斷器,內(nèi)部還集成和預(yù)制了主輸入、旁路輸入、主輸出和電池母線的銅排背板與公共的I/O柜連接,每臺(tái)UPS不再需要外配四把分?jǐn)嗦菲骱退慕M分電纜。

新型的并機(jī)物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了整個(gè)UPS系統(tǒng),簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)機(jī)操作,銅排連接使得輸出阻抗一致性高,這些特點(diǎn)都有利于提高UPS系統(tǒng)的可用性。

新型的并機(jī)在電氣架構(gòu)上還包括了公用的1500kW靜態(tài)旁路,這種電氣架構(gòu)早就被證明可用性**普通的多臺(tái)UPS直接并機(jī)的電氣架構(gòu)。減少了外部配套的配電柜和電纜。

新型的并機(jī)物理結(jié)構(gòu)其實(shí)也是模塊化的并機(jī)架構(gòu),可以根據(jù)用戶需求增減功率柜,目前市場(chǎng)上的功率柜一般為200～300kW。靈活性與適應(yīng)性高。

2003年在單系統(tǒng)較大可達(dá)1600kW的MW系列UPS使用了類(lèi)似的并機(jī)物理架構(gòu),并于2016年改良后運(yùn)用到了單系統(tǒng)較大可達(dá)1500kW的N+1的VX系列UPS產(chǎn)品上。




兼容鋰電池,讓鋰電池幫我們賺錢(qián)

計(jì)算可知,由于普通鉛酸蓄電池大約每3～4年換一次,在三相大功率UPS系統(tǒng)10～12年全生命周期過(guò)程中,用戶花在電池系統(tǒng)上面的錢(qián)甚至過(guò)UPS主機(jī)。事實(shí)上UPS每秒鐘都在使用都在出力都在發(fā)揮**,而電池一年只有1.22次放電機(jī)會(huì),而且放電時(shí)間可能只有幾分鐘(在配套發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的情況下)?？梢?jiàn)傳統(tǒng)模式下,我們對(duì)電池系統(tǒng)的利用太低了。

由于電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能行業(yè)的驅(qū)動(dòng),2018年鋰電池的成本已經(jīng)降低到1.1～1.4元/Wh,而鉛酸電池的成本為0.7元/Wh。在可見(jiàn)的1～2年內(nèi),鋰電池的價(jià)格將會(huì)與鉛酸電池齊平。

很多UPS系列都號(hào)稱可以兼容鋰電池,但實(shí)際上有較大差異。一種兼容是把鋰電池當(dāng)普通鉛酸電池用。這種兼容沒(méi)有任何意義,花了鋰電池的價(jià)格只享受到鉛酸電池的好處,得不償失。





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