科華技術(shù)UPS電源YTR1101 標機內置電池

科華技術(shù)UPS電源YTR1101 標機內置電池

UPS領(lǐng)域內近年來(lái)一直爭論不休的一個(gè)問(wèn)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(lǐng)域內近年來(lái)一直爭論不休的一個(gè)問(wèn)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(dòng)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?xún)δ軒?dòng)發(fā)電機繼續向計算機供電5s,以滿(mǎn)足將當時(shí)的計算結果放入內存。于是就形成了在電動(dòng)發(fā)電機同軸上加裝飛輪的方案。在1967年我國為一研究所進(jìn)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(wèn)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(chēng)。令人遺憾的是由于飛輪地轉速太慢，只有1500r/min(頻率為50Hz時(shí))1800r/min(頻率為60Hz時(shí))，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(jīng)濟的，為了這區區5s更是令人乍舌。
　　
　　幸好的是上個(gè)60年代可控硅(晶閘管)整流器問(wèn)世了,這種半控器件可以調整輸出電壓的高低。于是專(zhuān)家們就以此推出了可以延長(cháng)發(fā)電機在市電停電后的供電時(shí)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(dòng)直流電動(dòng)機,以此帶動(dòng)同軸上的同步交流發(fā)電機為計算機供電,市電停電時(shí)蓄電池組就可繼續維持直流電動(dòng)機的旋轉,使發(fā)電機不間斷地向計算機供電。通過(guò)適當配置蓄電池組的容量就可以滿(mǎn)足計算機各種后備時(shí)段的要求。隨著(zhù)可控硅整流器產(chǎn)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(dòng)機和發(fā)電機。由于逆變電路是全橋結構輸出的三根線(xiàn)都是火線(xiàn),而用戶(hù)實(shí)際用的是具有零線(xiàn)的三相四線(xiàn)制電壓,必須加一個(gè)“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(gè)目的而加入的。時(shí)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(yè)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(wǎng)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(wú)論如何,從此靜態(tài)UPS和動(dòng)態(tài)UPS開(kāi)始分為兩支,各自按照自己的方向謀求發(fā)展。
　　
　　2  當今UPS的分類(lèi)
　　
　　目前,UPS供電系統分為兩大類(lèi):動(dòng)態(tài)(飛輪出能式)UPS和靜態(tài)(靜止變換式)UPS,如圖3所示。動(dòng)態(tài)UPS又分為接觸軸承式和磁懸浮式。靜態(tài)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(dòng)式和三端口等)、Delta變換式和“高壓直流”UPS。對靜態(tài)UPS再此不作介紹。
　　
　　3 飛輪儲能式動(dòng)態(tài)UPS
　　
　　本來(lái)動(dòng)態(tài)UPS是接受計算機需要的建議而率先問(wèn)世的,結果在以計算機為基礎的數據中心讓靜態(tài)UPS搶了風(fēng)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(dòng)態(tài)UPS只能用在不怕干擾的工業(yè)環(huán)境和空曠的地方。
　　
　　其實(shí)動(dòng)態(tài)UPS有著(zhù)很多鮮為人知的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),在國內外的數據中心、半導體芯片制造業(yè)、某些特種軍用通信系統及政府的機要部門(mén)正日益關(guān)注和選用,其優(yōu)點(diǎn)為:
　　
　　①更地提高UPS的效率。相關(guān)的資料顯示,可將UPS的效率從工頻機靜態(tài)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(dòng)態(tài)UPS主要是金屬結構,相對于靜態(tài)UPS而言不太受溫度環(huán)境的影響。可靠性明顯提高;
　　
　　④維護周期長(cháng),壽命長(cháng)。減輕了維護人員的工作量。
　　
　　對于這種飛輪動(dòng)態(tài)UPS而言,當市電供電正常時(shí),它在利用市電向用戶(hù)供電的還將部分電能通過(guò)具有電動(dòng)機和發(fā)電機調控功能的“同步補償機(G/M)”裝置而以動(dòng)能的形式儲存在其巨大的飛輪中。
　　
　　此時(shí),對于其“同步補償機(G/M)”裝置而言,不僅承擔著(zhù)短時(shí)效的能量轉換調控功能,將來(lái)自市電的電能變換成儲存在飛輪中的機械能。它還承擔著(zhù)自動(dòng)穩壓以及對可能來(lái)自市電電網(wǎng)和用電設備所產(chǎn)生的諧波電流執行自動(dòng)補償的調控功能,就是將輸出電流的諧波含量THDI值實(shí)時(shí)地調節到趨于零。當市電供電中斷時(shí),它可以利用原來(lái)儲存其飛輪中的巨大動(dòng)能的慣性驅動(dòng)同步補償機(G/M)裝置繼續旋轉。此時(shí))裝置將自動(dòng)承擔著(zhù)發(fā)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(shí)用階段的推動(dòng)因素有:
　　
　　①對于當今的技術(shù)相當成熟的電力工業(yè)而言,由于普遍采用了由信息化管理的、智能化供電的電網(wǎng)調度技術(shù),以及在用戶(hù)的供電系統中采用ATS開(kāi)關(guān)在雙路市電輸入電源之間自動(dòng)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(fā)生長(cháng)時(shí)間的停電事故的幾率是極低的。這樣一來(lái),就為依靠動(dòng)能型的慣性能量來(lái)確保負載的連續供電的飛輪UPS得到實(shí)際應用創(chuàng )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(wǎng)的調查發(fā)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(gè)國家的126個(gè)供電電網(wǎng)的調查發(fā)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(kāi)關(guān)自動(dòng)切換調控技術(shù)的用戶(hù)設備而言,當其優(yōu)先供電的輸入電源發(fā)生停電事故時(shí),其另一路備用電源可在小于1～3s的時(shí)間間隔內恢復向用電設備供電。
　　
　　理論上講,ATS開(kāi)關(guān)會(huì )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(kāi)關(guān)的典型切換時(shí)間為≤200ms左右。導致ATS開(kāi)關(guān)的總切換時(shí)間可能長(cháng)達幾秒的原因是:為了防止因市電電網(wǎng)發(fā)生偶發(fā)性閃斷而導致ATS開(kāi)關(guān)在兩路市電電源之間執行不必要地、頻繁地誤切換動(dòng)作,從而導致在用電設備的輸入端產(chǎn)生令人厭煩的尖峰型電源干擾從而導致ATS開(kāi)關(guān)使用壽命縮短。為此,有必要人為地為ATS開(kāi)關(guān)設置適當延時(shí)切換保護功能。對于具備有“雙總線(xiàn)輸入”供電條件的用戶(hù)而言,是可以通過(guò)選用飛輪UPS的技術(shù)途徑來(lái)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(wǎng)中,發(fā)生長(cháng)時(shí)間停電故障的幾率是極低的。這樣一來(lái),就為能充分發(fā)揮出飛輪UPS對可能來(lái)自市電電網(wǎng)的瞬態(tài)電壓波動(dòng)、閃斷、瞬態(tài)干擾、諧波電流執行實(shí)時(shí)補償型調控功能的技術(shù)優(yōu)勢奠定下堅實(shí)的技術(shù)基礎。
　　
　　②與傳統雙變換在線(xiàn)式的靜態(tài)UPS相比,飛輪UPS具有如下明顯的技術(shù)優(yōu)勢,如表1所示為目前動(dòng)態(tài)UPS和靜態(tài)UPS的大概對比。動(dòng)態(tài)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(wú)需電池組的維護和可靠性高等技術(shù)性能上均明顯地優(yōu)于雙變換在線(xiàn)式的靜態(tài)UPS。在此需要說(shuō)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(tài)UPS的效率高4%～5%。來(lái)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(jià)格增幅較大的背景下,其節能降耗和綠化環(huán)保的效應尤為明顯。采用飛輪儲能的動(dòng)態(tài)UPS可以更加節能的另一個(gè)原因是:由于它自帶有風(fēng)冷電扇及無(wú)需配置要求環(huán)境溫度小于25℃的電池組。
　　
　　再也無(wú)需為UPS機房配置具有高耗運行特性的空調機組。但應說(shuō)明的是,仍需為它配置必要的熱風(fēng)排除系統。
　　
　　正因為動(dòng)態(tài)UPS有著(zhù)這些特點(diǎn),飛輪儲能的技術(shù)也在不斷發(fā)展。好多公司都在作著(zhù)這方面的努力。比如荷蘭的動(dòng)態(tài)UPS飛輪的速度開(kāi)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(dòng)態(tài)UPS,圖5是160kVA的原理結構圖。該系統由燃油發(fā)動(dòng)機、離合器、感應耦合器和同步發(fā)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(shí)輸入斷路器Q1和輸出斷路器Q2閉合,市電經(jīng)過(guò)Q1、電感L和Q2向負載供電,這時(shí)同步發(fā)電機G作同步電動(dòng)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(wú)干擾。
　　
　　此時(shí)由于斷路器也在閉合,市電電壓驅動(dòng)感應耦合器的外轉子1500r/min(市電為50Hz時(shí))～1800r/mi(市電為60Hz時(shí))運轉,這時(shí)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(lái)驅動(dòng)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(lái)160kVA的飛輪重量才1700(lb),大約772kg。這比起50kVA/5000kg來(lái)重量不足原來(lái)的四十分之一,這是多么大的進(jìn)步!其中斷路器Q3和靜態(tài)UPS一樣,是維修旁路開(kāi)關(guān)。在這種工作狀態(tài)下離合器是分離的,燃油發(fā)電機處于熄火狀態(tài)。
　　
　　當市電停電時(shí),UPS的同步發(fā)電機馬上轉為發(fā)電狀態(tài),繼續向負載不間斷地供電。斷開(kāi)Q1和Q4,這時(shí)感應耦合器中的飛輪帶動(dòng)同軸的同步發(fā)電機繼續旋轉,燃油發(fā)動(dòng)機開(kāi)始起動(dòng)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(fā)動(dòng)機的轉數同步時(shí)離合器嚙合,此時(shí)發(fā)動(dòng)機開(kāi)始接替儲能飛輪的工作。一直到市電恢復或需要停機時(shí)為止,如圖6所示。
　　
　　動(dòng)態(tài)UPS使用受阻還有一個(gè)原因,那就是飛輪科華技術(shù)UPS電源YTR1101 標機內置電池儲能的時(shí)間太短,只有15s。這和幾十分鐘(>1000s)配備電池組的靜態(tài)UPS比起來(lái),在時(shí)間上有天淵之別。也就是說(shuō)和人們習慣認定的時(shí)間相差甚遠,使用戶(hù)望之卻步。有的UPS制造商又開(kāi)動(dòng)腦筋。推出后備時(shí)間更長(cháng)的動(dòng)態(tài)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(cháng)延時(shí)動(dòng)態(tài)UPS。這個(gè)系統的結構由三部分組成,Q1第一路是市電經(jīng)電感濾波后送入AC/AC穩壓器,再過(guò)作電動(dòng)機旋傳的同步補償發(fā)電機(G/M)給重要負載供電;內部的儲能飛輪作飛速旋轉,開(kāi)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(jìn)行功率補償;第三路Q(chēng)6,在正常情況下開(kāi)始首連負載由市電直接供電,當第一和第二路輸出實(shí)現與市電同步鎖相后斷路器Q5閉合。當市電斷電或異常時(shí)Q1、Q4、Q5和Q6斷開(kāi),同步補償發(fā)電機(G/M)在儲能飛輪的帶動(dòng)下轉為同步發(fā)電機。一路Q(chēng)2是眾所周知的自動(dòng)旁路,一旦系統過(guò)載或主機系統出現問(wèn)題,負載就被直接接通市電。
　　
　　如前面所述,目前一般動(dòng)態(tài)UPS飛輪給出的后備時(shí)間大都在15s左右,換言之,后備發(fā)動(dòng)機必須在這個(gè)時(shí)間之內接替飛輪帶動(dòng)發(fā)電機的工作。就出現了一個(gè)問(wèn)題,即為了抓緊時(shí)間起動(dòng)燃油發(fā)動(dòng)機,只要市電電壓超出設定范圍,這個(gè)時(shí)間很短發(fā)動(dòng)機也必須馬上啟動(dòng),也就是說(shuō)市電電壓超限和油機起動(dòng)之間不允許有一點(diǎn)時(shí)間間隔,怕的是啟動(dòng)時(shí)間不夠。這在很多情況下就導致了誤動(dòng)作。
　　
　　比如在雷雨天氣雷電頻頻造成電網(wǎng)瞬時(shí)的超限波動(dòng),那么燃油發(fā)動(dòng)機也會(huì )頻繁起動(dòng)和關(guān)機,這就極大地損害了機器的轉動(dòng)部件,縮短了機器的壽命。為此,PILLER又推出了延長(cháng)飛輪儲能時(shí)間的方案,如圖8所示。
　　
　　圖8(a)所示為PILLER延長(cháng)飛輪科華技術(shù)UPS電源YTR1101 標機內置電池儲能時(shí)間的電池方案。當市電斷電后可控硅變流器開(kāi)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(dòng)飛輪不減速旋轉,從而帶動(dòng)同軸上的發(fā)電機繼續供電,當電池能量達到下限值時(shí),飛輪才開(kāi)始釋放能量作減速運轉,一直到燃油發(fā)動(dòng)機接替它的工作。
　　
　　圖8(a)所示電池增時(shí)模式下所增加后備時(shí)間的長(cháng)短由所選電池容量的大小來(lái)決定,圖8(b)所示是另一種用附加飛輪延長(cháng)后備時(shí)間的方案。在這里M/G也是電動(dòng)發(fā)電機設備,市電正常供電時(shí)M/G作同步電動(dòng)機模式旋轉,市電電壓異常時(shí)馬上轉為直流發(fā)電機模式,經(jīng)可控硅變流器開(kāi)始將直流電變換成和市電電壓相同的值,繼續驅動(dòng)飛輪不減速旋轉,從而帶動(dòng)同軸上的發(fā)電機繼續供電,當直流電機儲能達到下限值時(shí),飛輪才開(kāi)始釋放能量作減速運轉,一直到燃油發(fā)動(dòng)機接替它的工作。圖8(b)所示飛輪電機增時(shí)模式下所增加后備時(shí)間的長(cháng)短由所選飛輪電機的大小來(lái)決定。但考慮到各方面的原因所限此二者都不會(huì )取得太大。
　　
　　圖9(a)給出了PILLERDUPS市電故障模式。當市電異常時(shí)通往關(guān)鍵負載(CRITICAL LOAD)和重要負載(ESSENTIAL LOAD)的輸入斷路器Q1和Q4斷開(kāi),Q3閉合,通過(guò)飛輪的延時(shí)轉換切換到油機模式由后備發(fā)電機向關(guān)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(kāi),重新進(jìn)入市電模式。