典型不间断电源技术及选型

朱 琰 琰

(中国能源建设集团有限公司工程研究院, 北京　100022)



典型不间断电源技术及选型

朱 琰 琰

(中国能源建设集团有限公司工程研究院, 北京100022)

摘要：介绍了目前在数据中心和智能电网领域已经成功应用的几种典型不间断电源(UPS)技术,阐述了其工作原理、系统特征和优缺点,并比较了几种典型UPS系统的技术参数。提出可根据不同的客户需求,选择合适的UPS系统。以动态旋转储能技术的UPS系统将成为未来技术发展方向,为市场带来更多的选择和竞争。

关键词：静态UPS; 动态 UPS; 飞轮UPS; 柴油耦合动态UPS; 无间断桥接

0引言

目前,不间断电源(Uniterrupted Power Supply,UPS)系统在智能电网、微电网、数据中心和医疗机构等对电能质量和接入点参数要求高的场所得到了广泛的应用。在环境保护和能源可持续发展的大趋势下,UPS技术也由传统的蓄电池储能向更多样化、更清洁的技术过渡[1-3]。尽管互联网数据中心(Internet Data Center,IDC)市场上仍以蓄电池储能的静态UPS为主,但随着数据资源的集中化和规模化,数据中心向着更高密度、更加绿色的方向发展,采用旋转飞轮、压缩空气等新技术的UPS系统将得到越来越多的关注[4-5]。

1典型UPS技术

1.1静态UPS

蓄电池储能的静态UPS也被称为双转换UPS,即UPS系统经由交流-直流-交流的过程始终保持电压和频率的稳定。典型的静态UPS系统通常由整流器、逆变器、蓄电池、转换开关和内部旁路(静态旁路)组成。在正常工作状态下,交流输入电源经整流器-逆变器的组合电路给负荷供电,并对电池充电;当供电受到严重干扰或断电时,蓄电池放电以保证电力的持续和稳定。当UPS器件出现故障时,如逆变器故障或内部短路等,转换开关自动将UPS系统由双转换模式转为内部旁路模式,直至内部故障被隔离或解除。典型的静态UPS系统结构如图1所示。

图1　典型的静态UPS系统结构

图1中,箭头方向是正常工作状态,即充电状态下的电流方向。静态UPS的交流-直流-交流两次转换可以起到较好的电源调节效果,但在系统选型和应用中以下问题需要引起重视:

(1) 电池系统的寿命通常约为10 a,之后需要更新整个电池系统;但是UPS模块的使用寿命通常比电池系统的略长,导致更新后的电池系统不能得到充分利用,或提前结束模块的使用期限。因此,在日常使用中需对电池系统进行监控和维护。

(2) 大多数静态UPS可在负荷功率因数超前或滞后0.8的区间内正常运行。IT设备的大量电力电子元件呈非线性特征,需要考虑当功率因数超出以上区间时,有些静态UPS低于额定容量运行,就要求在设计上提前考虑容量冗余。

(3) 当UPS系统发生内部故障或遭遇较大波动时,会自动切换到内部旁路,直到故障被清除,这是为了保护UPS器件本身不被损坏,但结果是负荷直接受供于电网电源,失去了电压和频率调节的保护。尽管只发生在故障情况下,实际却是静态UPS的一个缺陷,因为动态UPS和飞轮UPS通常具有更大的故障排除能力,可以持续运转,直到电力保护动作切断相应线路,避免了由于主电源短暂波动而切换至旁路失去保护负荷的能力。

(4) 在线模式下,性能较好的静态UPS效率可达92%～93%,低于动态UPS、飞轮UPS的95%。静态UPS节能模式只是在主电源正常的状态下将负荷切换到内部旁路,当主电源波动时又快速转换成UPS在线状态。该控制模式在负荷对电源要求不特别高的情况下是可以接受的,如数据中心的供冷系统;然而对于较敏感的IT设备仍存在风险,在选择节能模式时需慎重。

(5) 静态UPS系统的最大优点是技术发展已比较成熟,产品的维修和升级非常方便。同时,静态UPS模块的容量范围很广,在系统的绝缘电压和故障水平能承受的情况下,可并联至3 MVA的系统。

1.2动态UPS

动态UPS的核心是三相同步电动机-发电机组(Motor-Generator,MG),其电动机和发电机的绕组在同一个定子上。MG的作用相当于一个旋转的隔离变压器,能有效减少谐波等干扰。动态UPS系统中还有一个电感扼流线圈,为负荷提供了无功功率,使UPS的输入功率因数接近1[6]。在UPS在线模式下,MG与扼流线圈组合,使UPS系统几乎能消除输入电源的各种干扰,对电能质量的调控效果非常好。电能储存有两种模式:相当于飞轮的功率桥旋转储能,传统的蓄电池充电模式。在系统受到严重干扰时,电能流向通过MG瞬间逆转,确保稳定的电压和频率;后备能源起动,为负荷提供有功功率,实现平滑过渡的不间断供电(无间断桥接)。典型的动态UPS系统结构如图2所示。

图2　典型的动态UPS系统结构

图2中,动态UPS系统主要由MG、扼流线圈、储能单元(旋转储能的功率桥和蓄电池)和内部旁路(自动控制)组成,箭头方向为正常工作状态,即充电状态下的电流方向。动态UPS系统有以下特征:

(1) 动态UPS系统较静态UPS系统更简洁,节省了大量电力电子元件,减少了谐波污染和故障率;MG与扼流线圈的组合,决定了其对电能质量的修正效果明显优于静态UPS。

(2) 功率桥作为储能单元的无间断桥接时间,由其容量和所带负荷决定,通常足够系统后备电源的起动、稳定并与UPS耦合,实现电源的无间断切换;但是对无间断桥接时间有更高要求的系统,蓄电池是后备电源的另一选择,可以提供10～15 min的持续动力,直至系统的后备电源切入。

(3) 使用功率桥作为储能单元的UPS系统,占地面积远小于蓄电池系统,不需要对电池系统监控、冷却和回收,比蓄电池UPS环保得多。

(4) 动态UPS系统的寿命通常为25 a,保养和维护相对容易;功率桥的轴承约10 a更换一次,其他元件在厂家提供的年度保养中定期维护。

(5) 动态UPS容错能力相对静态UPS更强。当UPS系统发生暂态故障或电源波动时,MG通过感性扼流线圈继续提供无功功率而稳定电压,避免了在暂态故障时切换至旁路运行。

(6) 动态UPS系统的单机容量通常为500～3 000 kVA,支持系统并联,特别适合容量较大的数据中心,不足之处是制造商数量有限,可能影响故障诊断和维修的速度。

1.3飞轮UPS

飞轮UPS是利用飞轮旋转储存动能的UPS系统。典型的飞轮储能系统由飞轮、轴承、电机、电力电子装置和各种控制、辅助组件组成。其原理是物理形式的能量转换:充电状态下,电动机带动飞轮旋转,存储动能;放电状态下,飞轮释放动能,带动发电机旋转,将动能转化为电能。典型的飞轮UPS设计中使用了交流-直流-交流的双转换电路,将存储动能转为交流电。典型的飞轮UPS系统结构如图3所示。

图3　典型的飞轮UPS系统结构

图3中,典型飞轮UPS系统主要由飞轮、转换电路、扼流线圈和内部旁路(自动控制)组成,箭头方向为正常工作状态(充电状态下)的电流方向。飞轮UPS系统有以下特征[7]:

(1) 飞轮UPS作为储能单元的无间断桥接时间是由其容量和所带负荷决定的,如果需要更多时间起动系统的后备电源,可以增大飞轮容量(存储更多势能)。

(2) 对电能质量的修正效果较好,通常优于静态UPS,但是双转换电路的电力电子元件产生的谐波会对负荷有一定影响。飞轮UPS的容错能力优于静态UPS,不需要在暂态故障时切换旁路运行。

(3) 在正常工作维护的情况下,飞轮UPS系统的寿命通常为20～25 a,飞轮轴承5～10 a更换一次,其他元件特别是电力电子元件需要定期更换。

(4) 飞轮UPS单机容量≥250 kVA,在绝缘和故障水平可承受的情况下可以并联成几十MVA的系统;占地面积远小于蓄电池系统,也没有电池系统所必需的监控设备、冷却要求和回收要求,适合于较大的数据中心。

1.4柴油耦合动态UPS

柴油耦合动态UPS是飞轮UPS和柴油发电机的组合,柴油发电机即为场地的后备电源。典型的柴油耦合动态UPS系统主要由旋转储能机构飞轮、柴油机、电磁离合器、电动机-发电机组、扼流线圈和内部旁路(自动控制)组成。飞轮和电动机-发电机组的组合相当于同步发电机,柴油机通过电磁离合器与同步发电机耦合。典型的柴油耦合动态UPS系统结构如图4所示。

图4　典型的柴油耦合动态UPS系统结构

图4中,箭头方向是正常工作状态下电流方向。柴油耦合动态UPS系统有以下特征:

(1) 在线模式下,飞轮UPS不断旋转储备动能,扼流线圈可以减少来自主电网的谐波污染和系统的暂态故障,保护用户端负荷;用户端IT负荷产生的谐波被有效过滤,确保与主电网接入点处的谐波水平满足相应技术参数要求。

(2) 当系统发生暂态故障或主电源波动时,同步发电机通过感性扼流线圈继续提供有功和无功功率,维持负荷的电压和频率,不需要切换至旁路运行;当主电源故障时柴油机起动,为负荷提供有功功率,实现不间断供电。

(3) 自带发电机,不要求再接入备用电源或备用发电机,尤其适用于对空间受限或没有备用电源的数据中心。

(4) 单个系统容量为500～3 000 kVA,适合于高密度、大容量的数据中心;通常所需容量越大,选择柴油耦合动态UPS系统的性价比越高。目前,柴油耦合动态UPS系统在多个大型数据中心都有成熟的应用。

(5) 使用寿命约为25 a,保养和维护相对容易,飞轮轴承需要5～10 a更换一次,其他元件在厂家提供的年度保养中定期维护。

2技术参数比较

典型UPS系统的技术参数对比如表1所示,不同制造商的产品会有一定差异。

表1典型UPS系统的技术参数对比

参数静态UPS动态UPS飞轮UPS柴油耦合动态UPS设计寿命/a 12～13 25 20～25 25系统效率(在线模式)/% 92～93 96～97 95～96 95～96模块容量 需要若干UPS模块并联,达到500kVA的系统 单个模块容量500kVA或以上 单个模块容量500kVA或以上 单个模块容量500kVA或以上平均检修时间(故障确诊并现场有更换部件)/h 5～6 5～6 5～6 5～6服务和维修 每年2次,每次约3h 每年2次,每次约4h 每年1次,每次约4h 每年1次,每次约6h系统大修 电池系统约10a更换,电容器5～7a更换 飞轮轴承约10a需更换 飞轮轴承约5a更换,电容器5～7a更换 飞轮轴承约10a更换制造时间 约10周 约18周 约13周 约20周系统的可扩展性 非常灵活地扩展(模块容量较小) 可扩展(模块容量较大) 可扩展(模块容量较大) 可扩展(模块容量较大)无间断桥接时间(不同负载率) 35min(25%) 25min(50%) 15min(75%) 10min(100%) 151s(25%) 76s(50%) 50s(75%) 38s(100%) 52s(25%) 28s(50%) 19s(75%) 15s(100%) 飞轮旋转过程中柴油发电机起动、耦合,并带动负荷达数小时,相当于场地的后备电源尺寸(长×宽×高)/mm UPS系统:1675×860×1800 电池系统(单独的电池间):2690×780×2667 UPS系统:4110×1320×2300 UPS系统:4318×865×1981 UPS系统:5000×2000×2430(包括柴油机的体积)价格 在500kVA以下级有价格优势 在500kVA以上级的性价比较高,比相同容量的飞轮UPS系统略贵 在500kVA以上级的性价比较高 包括作为备用电源的柴油发电机,与其他报价不具可比性;通常系统越大(≥1500kVA),性价比越高对电能质量修正效果 通常可以满足IT设备对电压和频率的波动要求 很好,系统带有MG和感性扼流线圈,可排除绝大多数干扰,输出功率因数接近1 优于静态UPS系统 优于静态UPS系统系统冷却要求 UPS房间和电池房有不同的空调和通风要求 仅UPS房间有一定的空调和通风要求 仅UPS房间有一定的空调和通风要求 仅UPS房间有一定的空调和通风要求

3结语

本文介绍了静态UPS、动态UPS、飞轮UPS、柴油耦合动态UPS等在工业领域已得到有效应用的典型UPS技术,评价了其优缺点和适用范围,并比较了典型UPS系统的技术参数。随着2015年3月《国家绿色数据中心试点工作方案》的颁布,更节能环保、系统容量更大、对电能质量修正效果更佳的动态UPS和飞轮UPS将逐步取代蓄电池储能的静态UPS;而新一代的UPS技术,如空气储能UPS、氢燃料电池UPS等将更加完善、成熟。

参考文献

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[3]李兴林,李华英.大型数据中心电源及UPS配电系统设计[J].建筑电气,2010,29(7):28-38.

[4]张乃国.也谈UPS使用中应当关注的几个基本概念[J].电源世界,2013(5):57-61.

[5]王巍,高原,姜晓弋.飞轮储能技术发展与应用[J].船电技术,2013,33(1):31-34.

[6]刘克雷,舒州.浅析模块化UPS的高可靠性[J].通信电源技术,2014,31(5):90-94.

[7]刘春娜.飞轮储能电池应用展望[J].电源技术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

中图分类号：TU 852

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)04-0028-05