天津數(shù)字廣播大廈UPS的系統(tǒng)配置與產(chǎn)品選型

韓德柱

[摘 要]UPS電源是能夠提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷電源供應(yīng)的重要外部設(shè)備。從功能上來說，UPS可以在市電出現(xiàn)異常時，有效地凈化市電，還可以在市電突然中斷時持續(xù)一定時間給計(jì)算機(jī)等設(shè)備供電。從用途上來說，隨著信息化社會的快速發(fā)展，UPS廣泛地應(yīng)用于從信息采集、傳送、處理、存儲到應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)，其重要性日益突出。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字；廣播大廈UPS；系統(tǒng)配置；產(chǎn)品選型

中圖分類號：TN949.197 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）15-0290-02

一、UPS系統(tǒng)配置方案

在新建數(shù)字廣播大廈工藝供配電系統(tǒng)中，UPS直接為工藝用電設(shè)備供電，UPS及其相關(guān)供配電設(shè)備的質(zhì)量和可靠運(yùn)行直接關(guān)系到未來我臺節(jié)目的安全播出。因此，UPS系統(tǒng)配置方案在整個工藝配電系統(tǒng)中起到極為重要的作用。

依據(jù)目前規(guī)劃，九層UPS機(jī)房主要為播出系統(tǒng)供電，配置四臺UPS主機(jī)，按照2（N+1）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，即雙機(jī)雙母線配置，如圖1。系統(tǒng)主要為分布于七至九層各區(qū)域的播出設(shè)備供電，兩路來電在末端配電箱進(jìn)行切換，目前計(jì)算的負(fù)荷約為135KW。正常情況下，四臺UPS主機(jī)均攤用電負(fù)荷。即便在極端情況下，如當(dāng)其中的三臺UPS主機(jī)同時出現(xiàn)故障，且不能向用電設(shè)備供電時，最后一臺UPS主機(jī)可以承擔(dān)起全部的用電負(fù)荷。

六層UPS機(jī)房主要為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電，配置兩臺UPS主機(jī)，按照2N的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，即單機(jī)雙母線配置，如圖1。系統(tǒng)主要為分布于六層各區(qū)域的工藝設(shè)備供電，并且還為負(fù)一層至九層工藝豎井內(nèi)的設(shè)備供電，兩路來電在末端配電箱進(jìn)行切換，目前計(jì)算的負(fù)荷約為169KW。正常情況下，兩臺UPS主機(jī)均攤用負(fù)荷。當(dāng)一臺UPS主機(jī)出現(xiàn)故障時，另一臺主機(jī)可以承擔(dān)起全部的用電負(fù)荷。

三層UPS機(jī)房主要為錄制系統(tǒng)供電，考慮到用電保障級別與經(jīng)濟(jì)成本，目前預(yù)留兩臺UPS主機(jī)，計(jì)算的負(fù)荷約為80KW。在預(yù)留UPS主機(jī)的情況下，在設(shè)備前端配置辦公用的小型UPS來滿足用電需求。

蓄電池系統(tǒng)為UPS電源提供應(yīng)急電能，每臺主機(jī)配一組電池。按照單母線供電不少于30分鐘的原則，在九層機(jī)房為每臺主機(jī)配置單套供電時間不少于15分鐘的電池組，在六層機(jī)房為每臺主機(jī)配置單套供電時間不少于30分鐘的電池組。

一般認(rèn)為容量在200KVA及以下的主機(jī)屬于中小功率的UPS電源系統(tǒng)。根據(jù)目前我臺未來規(guī)劃的負(fù)載情況，適宜配置中小型UPS電源系統(tǒng)。另外，根據(jù)產(chǎn)品說明和使用規(guī)定，因?yàn)榭紤]到單機(jī)的負(fù)載率過高會影響到產(chǎn)品的實(shí)際使用壽命，所以要保證單機(jī)所帶負(fù)載一般不超過額定容量的80%。例如，若兩臺UPS主機(jī)并機(jī)且平均分配負(fù)載的情況下，單臺UPS主機(jī)所帶負(fù)載最高不要超過40%。

在依據(jù)設(shè)計(jì)院的相關(guān)設(shè)計(jì)方案，考慮UPS系統(tǒng)配置方案和容量的同時，還需要確定UPS機(jī)型的選用。

二、工頻機(jī)或高頻機(jī)的選用

目前，市場上眾多品牌的UPS既有工頻機(jī)的產(chǎn)品，也有高頻機(jī)的產(chǎn)品。在中小功率產(chǎn)品中，高頻機(jī)居多。

1、兩者在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別

（1）高頻機(jī)采用IGBT整流器，而工頻機(jī)多為可控硅整流器，從時間上看IGBT的研發(fā)及商業(yè)應(yīng)用晚于可控硅。IGBT具有驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用于中小容量的負(fù)荷中心，IGBT的應(yīng)用完全可以滿足需求，而且具有體積小、重量輕、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

（2）與工頻機(jī)不同，高頻機(jī)不需要隔離變壓器

工頻機(jī)的特點(diǎn)是除了整流器、逆變器外還帶有隔離變壓器。由于過去電力電子器件的限制，缺少高耐壓、大電流的功率器件作逆變器，整流器變換出的直流電壓不能很高，所以逆變器輸出的交流電電壓較低，需要輸出隔離變壓器再進(jìn)行一次升壓。

目前，由于電力電子器件已能夠滿足中、小功率的高壓設(shè)計(jì)，帶輸出隔離變壓器的UPS，存在輸入諧波污染高和效率低下、體積笨重等固有缺陷，這類結(jié)構(gòu)在國際上已屬淘汰之列。而高頻機(jī)的出現(xiàn)解決了工頻機(jī)結(jié)構(gòu)體積大、效率低的問題。

并且，工頻UPS在多機(jī)并聯(lián)時會出現(xiàn)多個變壓器的并聯(lián)。變壓器的并聯(lián)是電力行業(yè)應(yīng)盡量避免的情況，因?yàn)樽儔浩鞑⒙?lián)時的環(huán)流是不可避免的，環(huán)流的長期存在將導(dǎo)致設(shè)備壽命的縮短。而高頻UPS因沒有輸出變壓器，所以幾乎沒有環(huán)流。

2、兩者在技術(shù)參數(shù)上的比較

（1）UPS輸入特性

輸入功率因數(shù)為衡量輸入特性優(yōu)劣的重要指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為三類：Ⅰ類為≥0.95，Ⅱ類為≥0.90，Ⅲ類為≥0.85。輸入功率因數(shù)越高對電網(wǎng)的影響就越小。輸入功率因數(shù)低，意味著輸入無功功率大，輸入諧波電流將污染電網(wǎng)，造成電壓失真，使由同一電網(wǎng)供電的變壓器、電動機(jī)等產(chǎn)生附加諧波損耗、過熱、加速絕緣老化；高次諧波對通信線路、測量儀器產(chǎn)生輻射干擾；影響電表計(jì)算精度。

目前，主流品牌的高頻機(jī)單機(jī)可滿足大于0.99，屬于Ⅰ類。而工頻機(jī)為0.9左右，屬于Ⅱ類。相比較而言，高頻機(jī)具有明顯優(yōu)勢。

（2）UPS輸出特性

逆變器的工作頻率是輸出特性的重要指標(biāo)，工作頻率的高低直接影響輸出電壓波形的好壞。

如圖2所示：

觸發(fā)開關(guān)的頻率越低，方波越寬，包絡(luò)線上鋸齒臺階毛刺越明顯，包絡(luò)曲線的平滑連續(xù)性越差，輸出的直流成分和奇次諧波成分越多。

觸發(fā)開關(guān)的頻率越高，方波越窄，包絡(luò)線上鋸齒臺階毛刺越不明顯，包絡(luò)曲線越接近平滑的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，輸出的直流成分和奇次諧波成分越少。

高頻機(jī)的逆變器工作頻率較工頻機(jī)要高，輸出端電壓波形更接近于正弦波，這樣可以盡量避免由于輸出電壓波形不良，造成對負(fù)載端播出工藝設(shè)備的損害。

所以高頻機(jī)不用加裝輸出隔離變壓器，輸出波形就較好。

又如輸出功率因數(shù)，高頻機(jī)PF≥0.9，而工頻機(jī)PF≥0.8。輸出功率因數(shù)越高，則UPS帶載能力越強(qiáng)，反之輸出功率因數(shù)越低，則UPS帶載能力越弱。

因此，輸出特性方面，高頻機(jī)也整體優(yōu)于工頻機(jī)。

3、結(jié)合目前國內(nèi)UPS市場行業(yè)現(xiàn)狀，在中小容量的UPS種類的選擇上，各家生產(chǎn)廠商及代理商均主推使用高頻機(jī)。并且在行業(yè)內(nèi)，高頻機(jī)的使用正成為主流趨勢?？紤]到未來一段時間內(nèi)所要求的技術(shù)領(lǐng)先性，以及在產(chǎn)品壽命期內(nèi)，工頻機(jī)產(chǎn)品逐漸減少，備品備件供應(yīng)的可持續(xù)性等各種因素，高頻機(jī)的使用成為首選。

三、選購UPS的重要因素

功率器件是在線雙變換UPS的心臟，最好選擇自行生產(chǎn)功率器件的UPS廠家，它不但選用優(yōu)質(zhì)的功率器件制造UPS，而且器件會運(yùn)行在最佳狀態(tài)，因而UPS性能好、可靠性高。并且應(yīng)選用大功率高性能的IGBT，選用高集成度和控制功能更強(qiáng)的專業(yè)組件。目前主流一線的品牌如伊頓、APC、梅蘭日蘭、艾默生等。

最好選擇全數(shù)字化、集成化控制電路的UPS，即UPS在變換、控制、反饋、測量、顯示、通信等方面均采用數(shù)字化技術(shù)。數(shù)字化代表了UPS高指標(biāo)、高可靠、高穩(wěn)定的特性。

四、用電負(fù)荷的雙電源配置

根據(jù)美國IDC的研究表明，在UPS供電中，影響供電可靠性的最大因素在于輸出側(cè)的配電系統(tǒng)，包括開關(guān)跳閘、熔絲燒毀、電路短路等供電回路故障：79%為UPS輸出與負(fù)載之間的供電線路上的故障，11%來源于UPS和蓄電池，其他故障占10%。

未來六層和九層分別設(shè)有網(wǎng)絡(luò)機(jī)房和播控機(jī)房，其中重要的工藝用電設(shè)備均由UPS供電。如六層網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，也屬于數(shù)據(jù)中心的范疇。為了解決配電回路的故障，就要將服務(wù)器等設(shè)備的電源配置成N+X冗余電源系統(tǒng)，如采用1+1電源模塊。服務(wù)器的電源冗余一般配備雙份或多份支持熱插拔的電源。正常工作時，每個電源平均輸出一部分功率，從而使每臺電源都處于輕松的符合狀態(tài)，這樣有利于電源穩(wěn)定工作。若其中一臺發(fā)生故障，則另外幾臺就會在沒有任何影響的情況下接替工作，并通過燈光或聲音報警。此時，可以在不關(guān)閉系統(tǒng)的前提下更換損壞的電源，所以采用熱插拔冗余電源可以避免系統(tǒng)因電源損壞而產(chǎn)生的停機(jī)現(xiàn)象。

所以，目前依據(jù)設(shè)計(jì)院方案，網(wǎng)絡(luò)及播出系統(tǒng)的重要工藝設(shè)備均為雙電源設(shè)備。

五、未來的施工與使用維護(hù)

在未來的施工中，當(dāng)安裝和使用UPS時，應(yīng)嚴(yán)格遵守廠家的產(chǎn)品說明書中的有關(guān)規(guī)定，保證UPS所接市電的相線和零線的順序符合要求。

在以后的使用和維護(hù)中，三相UPS電源都會不同程度地向不對稱負(fù)載或非線性負(fù)載供電，尤其網(wǎng)絡(luò)和播出系統(tǒng)的工藝設(shè)備多為非線性負(fù)荷。當(dāng)逆變器帶不平衡負(fù)載或非線性負(fù)載時，會使直流輸入電流出現(xiàn)兩倍于逆變器工作頻率的脈動分量，對設(shè)備的正常使用和壽命產(chǎn)生不良影響。

如果監(jiān)測到這種現(xiàn)象比較嚴(yán)重，可以再進(jìn)行施工改造。目前有多種方法可以濾除這種二次諧波分量，其中效果最好的是采用并聯(lián)有源濾波器的方法。它可以實(shí)現(xiàn)通過把諧波源產(chǎn)生的諧波電流分離出來，用有源濾波器產(chǎn)生的電流進(jìn)行抵消來達(dá)到抑制直流紋波的目的。因此，并聯(lián)有源濾波器適用于消除由不平衡負(fù)載或非線性負(fù)載引起的二次諧波電流分量，濾波效果是非常顯著的。

參考文獻(xiàn)

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