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UPS及EPS的应用技术与发展趋势

UPS及EPS的应用技术与发展趋势

点击数:7903 次   录入时间:03-04 12:03:00   整理:http://www.55dianzi.com   电工文摘
    1)用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的,也是最常见的应急备用电源,由于柴油发电机的容量较大,可并机运行且连续供电时间长,所以已经有较长的应用历史。然而,无论发电机的起动速度有多快,从停电后使发电机接到起动信号开始,至发电机电压、频率等达到稳定可以供电时为止,至少需要数十s至数min,这段时间,所有用电设备均停止工作,就可能造成少数设备的损坏或出现生命财产的安全问题。而EPS的启动一般不会超过25ms,所以不会影响设备的正常工作。

    另一方面,柴油发电机应用在应急供电场合,有诸多不利之处,主要有:

    (1)在高层建筑中,柴油发电机组一般放在地下室,设计难度大,造价高,配备进风、冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑;

    (2)存在火灾隐患。其油罐像一个极为危险的“炸弹”,万一失火,后果不堪设想;

    (3)日常维护比较频繁,工作量大;

    (4)柴油发电机噪音大,产生公害;

    (5)排烟中有大量的二氧化硫,污染严重,影响环保。

    以负载容量为200kW为例,将EPS与柴油发电机组的性价比作一个比较。选用EPS时,其额定功率与负载功率比为1:1即可,其总价约为60万元左右。而选用柴油发电机时,其额定功率与负载功率比应为1.3~1.5:1,对200kW的负载,柴油发电机组需250kVA规格,该机组价格为40万元左右,但是除机组本身价格之外,还需外加其他辅助装置费用约16~29万元,现以20万元计算,即选用柴油发电机组总价为60万元左右。所以,二者价格相差不多。从中也不难看出,如果EPS容量小于200kW时,其价格要小于柴油发电机组的综合造价。目前消防应急供电场合的负载总容量一般在200kW以下,从投资的长远利益考虑,EPS较柴油发电机组经济得多。

    2)用UPS作为应急电源EPS从原理结构上和UPS大同小异。在线式UPS不论市电是否正常,它都一直由逆变器供电,即按照“市电输入→整流→逆变→输出”的顺序进行,只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出,如图5所示。而EPS,当市电正常时,市电通过开关S输出给负载,同时充电器对电池充电。当控制系统检测到市电停电时,逆变器工作,使开关S切换至逆变输出状态,向负载提供电能,如图6所示。

图5    UPS供电系统

图6    EPS供电系统

    从以上供电系统图可以看出,UPS是一种双变换结构的不间断电源,主要为负载提供稳定的高质量电能,不受市电电网的影响,而且其转换时间一般在10ms以内,所以,UPS被广泛应用于计算机、程控交换机、医疗设备及精密电子仪器等不能中断供电的场所。但正因为UPS不仅担负着应急供电外,还担负着改善电力品质的任务,所以其逆变器要连续不断地工作,使用寿命相对较短,一般为5~8年,尤其是电池的更换较为频繁。另一方面,UPS的逆变器长期处于工作中,自身的损耗较大,而且对使用环境要求很高,只能放在计算机房或空调房间里。

    UPS专为IT行业的计算机类和通讯类负载而设计,其负载适应能力不及EPS,举例说明,如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负载,那么在UPS的设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的起动电流通常是其额定电流的5~7倍,而UPS的过载能力标准规定:过载125%时,A类为10min,B类为1min,C类为30s;过载150%时10s。如果想要UPS能承受电动机起动电流的冲击能力,势必要增大UPS的额定容量,这无疑将加大投资,还未必能彻底解决问题。因此,选用UPS作为应急电源,工作既不可靠,还得花费大量资金。

3    UPS/EPS的发展趋势

3.1    UPS的控制技术

    中小型UPS的AC/DC和DC/AC变换大多数仍采用模拟控制电路,AC/DC变换器的控制芯片大多数已集成化,使用简单,工作可靠。DC/AC变换器的控制有两种基本方式,一种是单闭环控制,另一种是双闭环控制。前者控制电路简单,但难于实现输出端短路自动恢复。后者控制有电流内环和电压外环,电压调节器的输出为电流调节器的给定,因此,限制电流给定幅值也就限制了逆变器的最大输出电流。

    当前,数字控制已成为新型UPS控制技术发展的主流,数字控制器具有精度高,抗干扰能力强,易于实现对UPS的检测、故障诊断和隔离,易于实现遥控遥测,实现多台UPS的并联和热插拔,易于实现对蓄电池的监控和管理。也就是说,计算机的介入使UPS具备了智能化,可以使其运行在最优状态。

3.1.1    DSP的应用

    采用数字信号处理器(DSP)的数字PWM技术,是数字控制技术的核心,用于保证UPS输出电压的质量,即保证输出电压、频率和输出电压波形满足技术指标的要求。数字控制的另一个重要功能是实现UPS的初始自检和运行自检,进行故障保护和故障隔离,这是模拟控制器无法胜任的。由于数字控制器的灵活性,使UPS控制器的硬件电路可以标准化,从而简化了生产、使用和维修,也大大提高了工作可靠性。

3.1.2    控制电路的全微处理器化

    UPS电路是由以下几部分组成的:主电路、驱动电路、监控显示及控制保护电路和通信界面电路。其中监控、显示及控制保护电路和通信界面电路,可以运用数字化设计技巧简化其电路,并解决原类比电路需要调整、具有温漂及参数调整不易的缺欠。采用的方法是:

    1)全微处理器化利用微处理器来执行监控、显示及控制保护电路和通信界面电路的功能;

    2)半微处理器化利用类比电路处理快速反馈保护电路,而由处理器处理慢速反馈、报警、显示及通信界面的功能。

3.2    蓄电池技术

    蓄电池是UPS的心脏,不管UPS电路多么先进,其性能最终取决于它的电池,一旦电池失效,再好的UPS也无法提供不间断供电。

    目前,UPS一般都使用免维护密封铅酸蓄电池,由于采用阴极吸收式密封技术,克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点,具有“免维护”、使用方便、不污染环境、体积小、重量轻的优点。它使用高氢过电位的板栅材料,减少了电池在存放和充电过程中的气体分解。正极表面的超细玻璃纤维膜,阻止了活性物质脱落,提高了电池的寿命。安全阀的使用使蓄电池很少产生气体,又可使已产生的氧气被负极铅所吸收,使蓄电池无水的损失,达到了密封免维护的目的。

    一般情况下,影响电池性能的主要因素是连续充电,电池连续充电大约要减少一半的使用寿命。目前国外使用一种ABM(Advanced Battery Management)三阶段电池管理方案,即充电分成三个阶段:第一阶段是恒流均衡充电,将电池容量充到90%;第二阶段是浮充充电,将电池容量充到100%,然后停止充电;第三阶段是自然放电,在这个阶段里,电池利用自身的漏电流放电,一直到规定的电压下限,再重复上述的三个阶段。这种方式改变了以前那种充满电后,仍使电池处于一天24h的浮充状态,因此延长了电池的寿命。

    金属化镍氢电池具有高能量密度的优点,而且又无镍镉电池可能造成的镉污染,将其应用于UPS可以收到小型轻量化的优点。但其缺点是售价太高。美国Alupower公司研发的高功率铅-空气备用电源装置(RPU),运行≥50h,功率从600W到6000W,电压有DC24V和48V两种,其能量密度是铅酸电池的十多倍,重量只有铅酸电池的1/10,所占空间只有铅酸电池的1/7,有望取代铅酸蓄电池应用于UPS。

3.3    UPS的冗余技术和在线维护(热插拔)

    开关整流器的并联和热插拔已成为通信电源的基本运行方式,这种运行方式即所谓N+1冗余供电方式,用于取代主备方式,使电源的可靠性大幅度提高。主备方式的备份电源的容量和主电源相同,因此使电源成本提高,而且在转换时还会造成电能中断。N+1冗余供电方式不仅降低了电源成本,并且还保证了供电不中断。这种冗余供电方式的实质是通过并联平行操作的电源模块提供分布式电源,所有的模块并联运行并平均负担当前的负载,电源阵列比额定容量多配置一个功率模块,当一个模块出现故障时,特设的电路将故障模块从负载上断开,其它模块将立即支持所有负载,使其连续不间断地供电。替换模块后UPS的控制电路和蓄电池均能在线运行。这种灵活的模块化设计,用户可以自行堆叠电池模块,以增加UPS的输出功率,延长供电时间,大大增强了电源的可靠性。

    UPS的并联和热插拔技术要比开关整流器的并联复杂得多,这是因为交流电的变量比直流电多,有相序、频率、相位、电压幅值和波形等5个变量,其任意一个与市电电源不一致,都不能使UPS投入电网。在投入电网后还必须不断地检测各台UPS输出的有功功率和无功功率,通过调节电压和相位实现各UPS输出有功功率和无功功率的平均分配。

    由此可见,UPS的并联工作有3个方面。一是正常工作的UPS自动投入电网,二是并联运行的UPS之间,有功功率和无功功率的均匀分配,三是UPS退出并联,特别是在不干扰电网的情况下快速切除故障UPS。这3个要求的实现,也就解决了UPS的热插技术。

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