科華技術UPS電源YTR1101 標機內置電池

科華技術UPS電源YTR1101 標機內置電池

UPS領域內近年來一直爭論不休的一個問題:靜止變換式UPS和飛輪儲能式UPS,哪種模式更適用于數據中心?

1 概述
　　
　　UPS領域內近年來一直爭論不休的一個問題:靜止變換式UPS和飛輪儲能式UPS,哪種模式更適用于數據中心?
　　
　　在飛輪儲能式中的慣量方程式為
　　
　　
　　
　　式中:J為飛輪轉動的慣量,ω為飛輪旋轉的角速度。
　　
　　可以在停電后利用飛輪的慣性儲能帶動發電機繼續向計算機供電5s,以滿足將當時的計算結果放入內存。于是就形成了在電動發電機同軸上加裝飛輪的方案。在1967年我國為一研究所進口了一臺“1900”計算機,配套的供電設備就是一臺20kVA容量的UPS,如圖1所示。這就是第一代UPS(Uninterruptible Power Supply)。UPS的問世就是為了保護計算機的程序不被破壞,UPS又有計算機孿生兄弟的美稱。令人遺憾的是由于飛輪地轉速太慢，只有1500r/min(頻率為50Hz時)1800r/min(頻率為60Hz時)，需要飛輪的重量要非常大。如圖1所示，20kVA就需要配5T的飛輪，那么400kVA就要配100T的巨大飛輪，這顯然是不經濟的，為了這區區5s更是令人乍舌。
　　
　　幸好的是上個60年代可控硅(晶閘管)整流器問世了,這種半控器件可以調整輸出電壓的高低。于是專家們就以此推出了可以延長發電機在市電停電后的供電時間。其結構原理如圖2所示。可控硅整流器輸出電壓給電池組充電和驅動直流電動機,以此帶動同軸上的同步交流發電機為計算機供電,市電停電時蓄電池組就可繼續維持直流電動機的旋轉,使發電機不間斷地向計算機供電。通過適當配置蓄電池組的容量就可以滿足計算機各種后備時段的要求。隨著可控硅整流器產品的成熟,UPS制造商又推出了可控硅逆變器,代替了笨重的電動機和發電機。由于逆變電路是全橋結構輸出的三根線都是火線,而用戶實際用的是具有零線的三相四線制電壓,必須加一個“Δ-Y”變壓器才能投入使用。工頻機UPS中的輸出隔離變壓器就是為了這個目的而加入的。時至今日這只“Δ-Y”變壓器還牢牢地存在于工頻機UPS體內。由于工頻機UPS工作在工業頻率又有輸出變壓器,效率不足90%,六脈沖控制的可控硅整流器又是破壞電網波形的天然殺手,又必須加裝諧波濾波器更導致效率下降。
　　
　　無論如何,從此靜態UPS和動態UPS開始分為兩支,各自按照自己的方向謀求發展。
　　
　　2  當今UPS的分類
　　
　　目前,UPS供電系統分為兩大類:動態(飛輪出能式)UPS和靜態(靜止變換式)UPS,如圖3所示。動態UPS又分為接觸軸承式和磁懸浮式。靜態UPS又分為工頻機UPS和高頻機UPS:高頻機UPS旗下又分為傳統變換式(還包括再現互動式和三端口等)、Delta變換式和“高壓直流”UPS。對靜態UPS再此不作介紹。
　　
　　3 飛輪儲能式動態UPS
　　
　　本來動態UPS是接受計算機需要的建議而率先問世的,結果在以計算機為基礎的數據中心讓靜態UPS搶了風頭。其原因是飛輪的轉速仍未脫出1500～1800r/min的范疇,設備的體積很大并且噪聲也令人難以接受,這種動態UPS只能用在不怕干擾的工業環境和空曠的地方。
　　
　　其實動態UPS有著很多鮮為人知的優點。近年來,在國內外的數據中心、半導體芯片制造業、某些特種軍用通信系統及政府的機要部門正日益關注和選用,其優點為:
　　
　　①更地提高UPS的效率。相關的資料顯示,可將UPS的效率從工頻機靜態UPS的90%左右提高到飛輪UPS的98%;
　　
　　②可將故障率明顯偏高的蓄電池部件從UPS中徹底取消。不僅有助于提高UPS的可靠性,還可以大幅度地減少電源值班人員的維修工作量;
　　
　　③由于動態UPS主要是金屬結構,相對于靜態UPS而言不太受溫度環境的影響。可靠性明顯提高;
　　
　　④維護周期長,壽命長。減輕了維護人員的工作量。
　　
　　對于這種飛輪動態UPS而言,當市電供電正常時,它在利用市電向用戶供電的還將部分電能通過具有電動機和發電機調控功能的“同步補償機(G/M)”裝置而以動能的形式儲存在其巨大的飛輪中。
　　
　　此時,對于其“同步補償機(G/M)”裝置而言,不僅承擔著短時效的能量轉換調控功能,將來自市電的電能變換成儲存在飛輪中的機械能。它還承擔著自動穩壓以及對可能來自市電電網和用電設備所產生的諧波電流執行自動補償的調控功能,就是將輸出電流的諧波含量THDI值實時地調節到趨于零。當市電供電中斷時,它可以利用原來儲存其飛輪中的巨大動能的慣性驅動同步補償機(G/M)裝置繼續旋轉。此時)裝置將自動承擔著發電機的調控功能,從而確保對各種用電設備的連續不間斷地供電。能夠將飛輪UPS推向新的實用階段的推動因素有:
　　
　　①對于當今的技術相當成熟的電力工業而言,由于普遍采用了由信息化管理的、智能化供電的電網調度技術,以及在用戶的供電系統中采用ATS開關在雙路市電輸入電源之間自動執行“切投調控”操作保護性的設計方案,在市電輸入供電系統中,發生長時間的停電事故的幾率是極低的。這樣一來,就為依靠動能型的慣性能量來確保負載的連續供電的飛輪UPS得到實際應用創造出極為有利的運行條件。
　　
　　根據美國Electric Power Research Institute對美國供電電網的調查發現,90%以上停電事故的持續期一般小于10s;根據RWE公司對歐洲9個國家的126個供電電網的調查發現:95%以上的停電事故的持續期一般小于3s。
　　
　　對于在兩路市電輸入電源之間采用ATS開關自動切換調控技術的用戶設備而言,當其優先供電的輸入電源發生停電事故時,其另一路備用電源可在小于1～3s的時間間隔內恢復向用電設備供電。
　　
　　理論上講,ATS開關會導致輸入電源出現幾十到上百毫秒的供電中斷,這是因為ATS開關的典型切換時間為≤200ms左右。導致ATS開關的總切換時間可能長達幾秒的原因是:為了防止因市電電網發生偶發性閃斷而導致ATS開關在兩路市電電源之間執行不必要地、頻繁地誤切換動作,從而導致在用電設備的輸入端產生令人厭煩的尖峰型電源干擾從而導致ATS開關使用壽命縮短。為此,有必要人為地為ATS開關設置適當延時切換保護功能。對于具備有“雙總線輸入”供電條件的用戶而言,是可以通過選用飛輪UPS的技術途徑來省去配置體積龐大、故障率偏高和維護量偏大的蓄電池組。
　　
　　,既然在供電電網中,發生長時間停電故障的幾率是極低的。這樣一來,就為能充分發揮出飛輪UPS對可能來自市電電網的瞬態電壓波動、閃斷、瞬態干擾、諧波電流執行實時補償型調控功能的技術優勢奠定下堅實的技術基礎。
　　
　　②與傳統雙變換在線式的靜態UPS相比,飛輪UPS具有如下明顯的技術優勢,如表1所示為目前動態UPS和靜態UPS的大概對比。動態UPS在整機效率、輸入功率因數、負載功率因數、允許的工作溫度范圍、無需電池組的維護和可靠性高等技術性能上均明顯地優于雙變換在線式的靜態UPS。在此需要說明的是,對于飛輪UPS供電系統而言,其平均整體效率要比工頻機靜態UPS的效率高4%～5%。來自美國ActivePower公司的真空磁懸浮飛輪UPS能效甚至可提高6%。這對于當今能源價格增幅較大的背景下,其節能降耗和綠化環保的效應尤為明顯。采用飛輪儲能的動態UPS可以更加節能的另一個原因是:由于它自帶有風冷電扇及無需配置要求環境溫度小于25℃的電池組。
　　
　　再也無需為UPS機房配置具有高耗運行特性的空調機組。但應說明的是,仍需為它配置必要的熱風排除系統。
　　
　　正因為動態UPS有著這些特點,飛輪儲能的技術也在不斷發展。好多公司都在作著這方面的努力。比如荷蘭的動態UPS飛輪的速度開始提高,打破了低速旋轉飛輪的僵局。如圖4所示就是該國公司推出的一種Hitec飛輪儲能式動態UPS,圖5是160kVA的原理結構圖。該系統由燃油發動機、離合器、感應耦合器和同步發電機構成。圖5表示的是UPS在市電模式下的工作情況。當市電正常供電時輸入斷路器Q1和輸出斷路器Q2閉合,市電經過Q1、電感L和Q2向負載供電,這時同步發電機G作同步電動機旋轉呈電容性,正好和電感L構成LC濾波器,使輸出電壓清潔無干擾。
　　
　　此時由于斷路器也在閉合,市電電壓驅動感應耦合器的外轉子1500r/min(市電為50Hz時)～1800r/mi(市電為60Hz時)運轉,這時整流器Z將整流的直流電壓送入感應耦合器中的直流勵磁繞組勵磁來驅動內轉子相對于外轉子1500r/min作4500r/min旋轉,于是內轉子對外的**轉速就達到了6000r/min。這樣一來160kVA的飛輪重量才1700(lb),大約772kg。這比起50kVA/5000kg來重量不足原來的四十分之一,這是多么大的進步!其中斷路器Q3和靜態UPS一樣,是維修旁路開關。在這種工作狀態下離合器是分離的,燃油發電機處于熄火狀態。
　　
　　當市電停電時,UPS的同步發電機馬上轉為發電狀態,繼續向負載不間斷地供電。斷開Q1和Q4,這時感應耦合器中的飛輪帶動同軸的同步發電機繼續旋轉,燃油發動機開始起動很快就達到了額定轉數,感應耦合器中的飛輪由于放出能量轉速逐步降低,當降低到與發動機的轉數同步時離合器嚙合,此時發動機開始接替儲能飛輪的工作。一直到市電恢復或需要停機時為止,如圖6所示。
　　
　　動態UPS使用受阻還有一個原因,那就是飛輪科華技術UPS電源YTR1101 標機內置電池儲能的時間太短,只有15s。這和幾十分鐘(>1000s)配備電池組的靜態UPS比起來,在時間上有天淵之別。也就是說和人們習慣認定的時間相差甚遠,使用戶望之卻步。有的UPS制造商又開動腦筋。推出后備時間更長的動態UPS。圖7就是德國PILLER公司推出的一款利用油機作為后備的長延時動態UPS。這個系統的結構由三部分組成,Q1第一路是市電經電感濾波后送入AC/AC穩壓器,再過作電動機旋傳的同步補償發電機(G/M)給重要負載供電;內部的儲能飛輪作飛速旋轉,開始除能;第二路是Q4,這一路是一般的常用UPS結構,它的作用是對第一路的輸出電壓進行功率補償;第三路Q6,在正常情況下開始首連負載由市電直接供電,當第一和第二路輸出實現與市電同步鎖相后斷路器Q5閉合。當市電斷電或異常時Q1、Q4、Q5和Q6斷開,同步補償發電機(G/M)在儲能飛輪的帶動下轉為同步發電機。一路Q2是眾所周知的自動旁路,一旦系統過載或主機系統出現問題,負載就被直接接通市電。
　　
　　如前面所述,目前一般動態UPS飛輪給出的后備時間大都在15s左右,換言之,后備發動機必須在這個時間之內接替飛輪帶動發電機的工作。就出現了一個問題,即為了抓緊時間起動燃油發動機,只要市電電壓超出設定范圍,這個時間很短發動機也必須馬上啟動,也就是說市電電壓超限和油機起動之間不允許有一點時間間隔,怕的是啟動時間不夠。這在很多情況下就導致了誤動作。
　　
　　比如在雷雨天氣雷電頻頻造成電網瞬時的超限波動,那么燃油發動機也會頻繁起動和關機,這就極大地損害了機器的轉動部件,縮短了機器的壽命。為此,PILLER又推出了延長飛輪儲能時間的方案,如圖8所示。
　　
　　圖8(a)所示為PILLER延長飛輪科華技術UPS電源YTR1101 標機內置電池儲能時間的電池方案。當市電斷電后可控硅變流器開始將電池組的直流電變換成和市電電壓相同的值,繼續驅動飛輪不減速旋轉,從而帶動同軸上的發電機繼續供電,當電池能量達到下限值時,飛輪才開始釋放能量作減速運轉,一直到燃油發動機接替它的工作。
　　
　　圖8(a)所示電池增時模式下所增加后備時間的長短由所選電池容量的大小來決定,圖8(b)所示是另一種用附加飛輪延長后備時間的方案。在這里M/G也是電動發電機設備,市電正常供電時M/G作同步電動機模式旋轉,市電電壓異常時馬上轉為直流發電機模式,經可控硅變流器開始將直流電變換成和市電電壓相同的值,繼續驅動飛輪不減速旋轉,從而帶動同軸上的發電機繼續供電,當直流電機儲能達到下限值時,飛輪才開始釋放能量作減速運轉,一直到燃油發動機接替它的工作。圖8(b)所示飛輪電機增時模式下所增加后備時間的長短由所選飛輪電機的大小來決定。但考慮到各方面的原因所限此二者都不會取得太大。
　　
　　圖9(a)給出了PILLERDUPS市電故障模式。當市電異常時通往關鍵負載(CRITICAL LOAD)和重要負載(ESSENTIAL LOAD)的輸入斷路器Q1和Q4斷開,Q3閉合,通過飛輪的延時轉換切換到油機模式由后備發電機向關鍵負載與重要負載供電;當市電恢復后如圖9(b)所示,輸入斷路器Q1和Q4閉合,Q3斷開,重新進入市電模式。