典型不間斷電源技術及選型

朱 琰 琰

(中國能源建設集團有限公司工程研究院, 北京　100022)

?

典型不間斷電源技術及選型

朱 琰 琰

(中國能源建設集團有限公司工程研究院, 北京100022)

摘要：介紹了目前在數(shù)據(jù)中心和智能電網(wǎng)領域已經(jīng)成功應用的幾種典型不間斷電源(UPS)技術,闡述了其工作原理、系統(tǒng)特征和優(yōu)缺點,并比較了幾種典型UPS系統(tǒng)的技術參數(shù)。提出可根據(jù)不同的客戶需求,選擇合適的UPS系統(tǒng)。以動態(tài)旋轉(zhuǎn)儲能技術的UPS系統(tǒng)將成為未來技術發(fā)展方向,為市場帶來更多的選擇和競爭。

關鍵詞：靜態(tài)UPS; 動態(tài) UPS; 飛輪UPS; 柴油耦合動態(tài)UPS; 無間斷橋接

0引言

目前,不間斷電源(Uniterrupted Power Supply,UPS)系統(tǒng)在智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心和醫(yī)療機構(gòu)等對電能質(zhì)量和接入點參數(shù)要求高的場所得到了廣泛的應用。在環(huán)境保護和能源可持續(xù)發(fā)展的大趨勢下,UPS技術也由傳統(tǒng)的蓄電池儲能向更多樣化、更清潔的技術過渡[1-3]。盡管互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center,IDC)市場上仍以蓄電池儲能的靜態(tài)UPS為主,但隨著數(shù)據(jù)資源的集中化和規(guī)?；?數(shù)據(jù)中心向著更高密度、更加綠色的方向發(fā)展,采用旋轉(zhuǎn)飛輪、壓縮空氣等新技術的UPS系統(tǒng)將得到越來越多的關注[4-5]。

1典型UPS技術

1.1靜態(tài)UPS

蓄電池儲能的靜態(tài)UPS也被稱為雙轉(zhuǎn)換UPS,即UPS系統(tǒng)經(jīng)由交流-直流-交流的過程始終保持電壓和頻率的穩(wěn)定。典型的靜態(tài)UPS系統(tǒng)通常由整流器、逆變器、蓄電池、轉(zhuǎn)換開關和內(nèi)部旁路(靜態(tài)旁路)組成。在正常工作狀態(tài)下,交流輸入電源經(jīng)整流器-逆變器的組合電路給負荷供電,并對電池充電;當供電受到嚴重干擾或斷電時,蓄電池放電以保證電力的持續(xù)和穩(wěn)定。當UPS器件出現(xiàn)故障時,如逆變器故障或內(nèi)部短路等,轉(zhuǎn)換開關自動將UPS系統(tǒng)由雙轉(zhuǎn)換模式轉(zhuǎn)為內(nèi)部旁路模式,直至內(nèi)部故障被隔離或解除。典型的靜態(tài)UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　典型的靜態(tài)UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中,箭頭方向是正常工作狀態(tài),即充電狀態(tài)下的電流方向。靜態(tài)UPS的交流-直流-交流兩次轉(zhuǎn)換可以起到較好的電源調(diào)節(jié)效果,但在系統(tǒng)選型和應用中以下問題需要引起重視:

(1) 電池系統(tǒng)的壽命通常約為10 a,之后需要更新整個電池系統(tǒng);但是UPS模塊的使用壽命通常比電池系統(tǒng)的略長,導致更新后的電池系統(tǒng)不能得到充分利用,或提前結(jié)束模塊的使用期限。因此,在日常使用中需對電池系統(tǒng)進行監(jiān)控和維護。

(2) 大多數(shù)靜態(tài)UPS可在負荷功率因數(shù)超前或滯后0.8的區(qū)間內(nèi)正常運行。IT設備的大量電力電子元件呈非線性特征,需要考慮當功率因數(shù)超出以上區(qū)間時,有些靜態(tài)UPS低于額定容量運行,就要求在設計上提前考慮容量冗余。

(3) 當UPS系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部故障或遭遇較大波動時,會自動切換到內(nèi)部旁路,直到故障被清除,這是為了保護UPS器件本身不被損壞,但結(jié)果是負荷直接受供于電網(wǎng)電源,失去了電壓和頻率調(diào)節(jié)的保護。盡管只發(fā)生在故障情況下,實際卻是靜態(tài)UPS的一個缺陷,因為動態(tài)UPS和飛輪UPS通常具有更大的故障排除能力,可以持續(xù)運轉(zhuǎn),直到電力保護動作切斷相應線路,避免了由于主電源短暫波動而切換至旁路失去保護負荷的能力。

(4) 在線模式下,性能較好的靜態(tài)UPS效率可達92%～93%,低于動態(tài)UPS、飛輪UPS的95%。靜態(tài)UPS節(jié)能模式只是在主電源正常的狀態(tài)下將負荷切換到內(nèi)部旁路,當主電源波動時又快速轉(zhuǎn)換成UPS在線狀態(tài)。該控制模式在負荷對電源要求不特別高的情況下是可以接受的,如數(shù)據(jù)中心的供冷系統(tǒng);然而對于較敏感的IT設備仍存在風險,在選擇節(jié)能模式時需慎重。

(5) 靜態(tài)UPS系統(tǒng)的最大優(yōu)點是技術發(fā)展已比較成熟,產(chǎn)品的維修和升級非常方便。同時,靜態(tài)UPS模塊的容量范圍很廣,在系統(tǒng)的絕緣電壓和故障水平能承受的情況下,可并聯(lián)至3 MVA的系統(tǒng)。

1.2動態(tài)UPS

動態(tài)UPS的核心是三相同步電動機-發(fā)電機組(Motor-Generator,MG),其電動機和發(fā)電機的繞組在同一個定子上。MG的作用相當于一個旋轉(zhuǎn)的隔離變壓器,能有效減少諧波等干擾。動態(tài)UPS系統(tǒng)中還有一個電感扼流線圈,為負荷提供了無功功率,使UPS的輸入功率因數(shù)接近1[6]。在UPS在線模式下,MG與扼流線圈組合,使UPS系統(tǒng)幾乎能消除輸入電源的各種干擾,對電能質(zhì)量的調(diào)控效果非常好。電能儲存有兩種模式:相當于飛輪的功率橋旋轉(zhuǎn)儲能,傳統(tǒng)的蓄電池充電模式。在系統(tǒng)受到嚴重干擾時,電能流向通過MG瞬間逆轉(zhuǎn),確保穩(wěn)定的電壓和頻率;后備能源起動,為負荷提供有功功率,實現(xiàn)平滑過渡的不間斷供電(無間斷橋接)。典型的動態(tài)UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　典型的動態(tài)UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2中,動態(tài)UPS系統(tǒng)主要由MG、扼流線圈、儲能單元(旋轉(zhuǎn)儲能的功率橋和蓄電池)和內(nèi)部旁路(自動控制)組成,箭頭方向為正常工作狀態(tài),即充電狀態(tài)下的電流方向。動態(tài)UPS系統(tǒng)有以下特征:

(1) 動態(tài)UPS系統(tǒng)較靜態(tài)UPS系統(tǒng)更簡潔,節(jié)省了大量電力電子元件,減少了諧波污染和故障率;MG與扼流線圈的組合,決定了其對電能質(zhì)量的修正效果明顯優(yōu)于靜態(tài)UPS。

(2) 功率橋作為儲能單元的無間斷橋接時間,由其容量和所帶負荷決定,通常足夠系統(tǒng)后備電源的起動、穩(wěn)定并與UPS耦合,實現(xiàn)電源的無間斷切換;但是對無間斷橋接時間有更高要求的系統(tǒng),蓄電池是后備電源的另一選擇,可以提供10～15 min的持續(xù)動力,直至系統(tǒng)的后備電源切入。

(3) 使用功率橋作為儲能單元的UPS系統(tǒng),占地面積遠小于蓄電池系統(tǒng),不需要對電池系統(tǒng)監(jiān)控、冷卻和回收,比蓄電池UPS環(huán)保得多。

(4) 動態(tài)UPS系統(tǒng)的壽命通常為25 a,保養(yǎng)和維護相對容易;功率橋的軸承約10 a更換一次,其他元件在廠家提供的年度保養(yǎng)中定期維護。

(5) 動態(tài)UPS容錯能力相對靜態(tài)UPS更強。當UPS系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)故障或電源波動時,MG通過感性扼流線圈繼續(xù)提供無功功率而穩(wěn)定電壓,避免了在暫態(tài)故障時切換至旁路運行。

(6) 動態(tài)UPS系統(tǒng)的單機容量通常為500～3 000 kVA,支持系統(tǒng)并聯(lián),特別適合容量較大的數(shù)據(jù)中心,不足之處是制造商數(shù)量有限,可能影響故障診斷和維修的速度。

1.3飛輪UPS

飛輪UPS是利用飛輪旋轉(zhuǎn)儲存動能的UPS系統(tǒng)。典型的飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪、軸承、電機、電力電子裝置和各種控制、輔助組件組成。其原理是物理形式的能量轉(zhuǎn)換:充電狀態(tài)下,電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn),存儲動能;放電狀態(tài)下,飛輪釋放動能,帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn),將動能轉(zhuǎn)化為電能。典型的飛輪UPS設計中使用了交流-直流-交流的雙轉(zhuǎn)換電路,將存儲動能轉(zhuǎn)為交流電。典型的飛輪UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　典型的飛輪UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3中,典型飛輪UPS系統(tǒng)主要由飛輪、轉(zhuǎn)換電路、扼流線圈和內(nèi)部旁路(自動控制)組成,箭頭方向為正常工作狀態(tài)(充電狀態(tài)下)的電流方向。飛輪UPS系統(tǒng)有以下特征[7]:

(1) 飛輪UPS作為儲能單元的無間斷橋接時間是由其容量和所帶負荷決定的,如果需要更多時間起動系統(tǒng)的后備電源,可以增大飛輪容量(存儲更多勢能)。

(2) 對電能質(zhì)量的修正效果較好,通常優(yōu)于靜態(tài)UPS,但是雙轉(zhuǎn)換電路的電力電子元件產(chǎn)生的諧波會對負荷有一定影響。飛輪UPS的容錯能力優(yōu)于靜態(tài)UPS,不需要在暫態(tài)故障時切換旁路運行。

(3) 在正常工作維護的情況下,飛輪UPS系統(tǒng)的壽命通常為20～25 a,飛輪軸承5～10 a更換一次,其他元件特別是電力電子元件需要定期更換。

(4) 飛輪UPS單機容量≥250 kVA,在絕緣和故障水平可承受的情況下可以并聯(lián)成幾十MVA的系統(tǒng);占地面積遠小于蓄電池系統(tǒng),也沒有電池系統(tǒng)所必需的監(jiān)控設備、冷卻要求和回收要求,適合于較大的數(shù)據(jù)中心。

1.4柴油耦合動態(tài)UPS

柴油耦合動態(tài)UPS是飛輪UPS和柴油發(fā)電機的組合,柴油發(fā)電機即為場地的后備電源。典型的柴油耦合動態(tài)UPS系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)儲能機構(gòu)飛輪、柴油機、電磁離合器、電動機-發(fā)電機組、扼流線圈和內(nèi)部旁路(自動控制)組成。飛輪和電動機-發(fā)電機組的組合相當于同步發(fā)電機,柴油機通過電磁離合器與同步發(fā)電機耦合。典型的柴油耦合動態(tài)UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　典型的柴油耦合動態(tài)UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4中,箭頭方向是正常工作狀態(tài)下電流方向。柴油耦合動態(tài)UPS系統(tǒng)有以下特征:

(1) 在線模式下,飛輪UPS不斷旋轉(zhuǎn)儲備動能,扼流線圈可以減少來自主電網(wǎng)的諧波污染和系統(tǒng)的暫態(tài)故障,保護用戶端負荷;用戶端IT負荷產(chǎn)生的諧波被有效過濾,確保與主電網(wǎng)接入點處的諧波水平滿足相應技術參數(shù)要求。

(2) 當系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)故障或主電源波動時,同步發(fā)電機通過感性扼流線圈繼續(xù)提供有功和無功功率,維持負荷的電壓和頻率,不需要切換至旁路運行;當主電源故障時柴油機起動,為負荷提供有功功率,實現(xiàn)不間斷供電。

(3) 自帶發(fā)電機,不要求再接入備用電源或備用發(fā)電機,尤其適用于對空間受限或沒有備用電源的數(shù)據(jù)中心。

(4) 單個系統(tǒng)容量為500～3 000 kVA,適合于高密度、大容量的數(shù)據(jù)中心;通常所需容量越大,選擇柴油耦合動態(tài)UPS系統(tǒng)的性價比越高。目前,柴油耦合動態(tài)UPS系統(tǒng)在多個大型數(shù)據(jù)中心都有成熟的應用。

(5) 使用壽命約為25 a,保養(yǎng)和維護相對容易,飛輪軸承需要5～10 a更換一次,其他元件在廠家提供的年度保養(yǎng)中定期維護。

2技術參數(shù)比較

典型UPS系統(tǒng)的技術參數(shù)對比如表1所示,不同制造商的產(chǎn)品會有一定差異。

表1典型UPS系統(tǒng)的技術參數(shù)對比

參數(shù)靜態(tài)UPS動態(tài)UPS飛輪UPS柴油耦合動態(tài)UPS設計壽命/a 12～13 25 20～25 25系統(tǒng)效率(在線模式)/% 92～93 96～97 95～96 95～96模塊容量 需要若干UPS模塊并聯(lián),達到500kVA的系統(tǒng) 單個模塊容量500kVA或以上 單個模塊容量500kVA或以上 單個模塊容量500kVA或以上平均檢修時間(故障確診并現(xiàn)場有更換部件)/h 5～6 5～6 5～6 5～6服務和維修 每年2次,每次約3h 每年2次,每次約4h 每年1次,每次約4h 每年1次,每次約6h系統(tǒng)大修 電池系統(tǒng)約10a更換,電容器5～7a更換 飛輪軸承約10a需更換 飛輪軸承約5a更換,電容器5～7a更換 飛輪軸承約10a更換制造時間 約10周 約18周 約13周 約20周系統(tǒng)的可擴展性 非常靈活地擴展(模塊容量較小) 可擴展(模塊容量較大) 可擴展(模塊容量較大) 可擴展(模塊容量較大)無間斷橋接時間(不同負載率) 35min(25%) 25min(50%) 15min(75%) 10min(100%) 151s(25%) 76s(50%) 50s(75%) 38s(100%) 52s(25%) 28s(50%) 19s(75%) 15s(100%) 飛輪旋轉(zhuǎn)過程中柴油發(fā)電機起動、耦合,并帶動負荷達數(shù)小時,相當于場地的后備電源尺寸(長×寬×高)/mm UPS系統(tǒng):1675×860×1800 電池系統(tǒng)(單獨的電池間):2690×780×2667 UPS系統(tǒng):4110×1320×2300 UPS系統(tǒng):4318×865×1981 UPS系統(tǒng):5000×2000×2430(包括柴油機的體積)價格 在500kVA以下級有價格優(yōu)勢 在500kVA以上級的性價比較高,比相同容量的飛輪UPS系統(tǒng)略貴 在500kVA以上級的性價比較高 包括作為備用電源的柴油發(fā)電機,與其他報價不具可比性;通常系統(tǒng)越大(≥1500kVA),性價比越高對電能質(zhì)量修正效果 通?？梢詽M足IT設備對電壓和頻率的波動要求 很好,系統(tǒng)帶有MG和感性扼流線圈,可排除絕大多數(shù)干擾,輸出功率因數(shù)接近1 優(yōu)于靜態(tài)UPS系統(tǒng) 優(yōu)于靜態(tài)UPS系統(tǒng)系統(tǒng)冷卻要求 UPS房間和電池房有不同的空調(diào)和通風要求 僅UPS房間有一定的空調(diào)和通風要求 僅UPS房間有一定的空調(diào)和通風要求 僅UPS房間有一定的空調(diào)和通風要求

3結(jié)語

本文介紹了靜態(tài)UPS、動態(tài)UPS、飛輪UPS、柴油耦合動態(tài)UPS等在工業(yè)領域已得到有效應用的典型UPS技術,評價了其優(yōu)缺點和適用范圍,并比較了典型UPS系統(tǒng)的技術參數(shù)。隨著2015年3月《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點工作方案》的頒布,更節(jié)能環(huán)保、系統(tǒng)容量更大、對電能質(zhì)量修正效果更佳的動態(tài)UPS和飛輪UPS將逐步取代蓄電池儲能的靜態(tài)UPS;而新一代的UPS技術,如空氣儲能UPS、氫燃料電池UPS等將更加完善、成熟。

參考文獻

[1]戴興建,鄧占峰,劉剛,等.大容量先進飛輪儲能電源技術發(fā)展狀況[J].電工技術學報,2011,26(7):133-140.

[2]包昀毅.數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代建筑電氣,2010,1(6):52-56.

[3]李興林,李華英.大型數(shù)據(jù)中心電源及UPS配電系統(tǒng)設計[J].建筑電氣,2010,29(7):28-38.

[4]張乃國.也談UPS使用中應當關注的幾個基本概念[J].電源世界,2013(5):57-61.

[5]王巍,高原,姜曉弋.飛輪儲能技術發(fā)展與應用[J].船電技術,2013,33(1):31-34.

[6]劉克雷,舒州.淺析模塊化UPS的高可靠性[J].通信電源技術,2014,31(5):90-94.

[7]劉春娜.飛輪儲能電池應用展望[J].電源技術2013,37(11):1897-1898.

Typical UPS Technologies and Comparison

ZHUYanyan

(CEEC Engineering Institute, Beijing 100022, China)

Abstract：This paper introduced the typical uninterruptible power system(UPS) technologies that have been successfully deployed in critical supply installations such as data centers and smart grids.For each UPS technology,the operational principles,system features,and advantages and disadvantages were elaborated.The typical system parameters of the UPS technologies were compared.It is pointed out that the appropriate UPS system shall be selected according to customer’s different requirements.UPS system based on dynamic rotatry energy storage technology will become the future development direction which brings more choices and competition for the market.

Key words:static UPS; rotary UPS; flywheel UPS; diesel rotary UPS; uninterruptible bridging

收稿日期：2015-07-31

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.04.007

中圖分類號：TU 852

文獻標志碼：B

文章編號：1674-8417(2016)04-0028-05