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淺析信息網(wǎng)絡(luò)的綠色供電——大功率UPS系統(tǒng)
[ 通信界 | 武漢洲際通信電源集團公司 徐海波博士 | m.k-94.cn | 2007/5/10 8:52:32 ]
 

□ 武漢洲際通信電源集團公司 徐海波博士


一、大功率UPS產(chǎn)品的屬性
  1. 高可靠性。一般中大功率UPS是指額定供電容量在20KVA 及以上的系統(tǒng)產(chǎn)品。出于配電合理性及適用性需求, 該類產(chǎn)品采用三相帶中線輸入,三相帶中線輸出方式。其作為信息化網(wǎng)絡(luò)中心的核心供電設(shè)備,由于涉及到所接入的關(guān)鍵設(shè)備量多、影響面廣,需要具備極高可靠性。
  2. 不間斷與優(yōu)質(zhì)供電。理想情況下,供電電源具有標準正弦波特征 (如輸出相電壓有效值為220V,頻率為50Hz)。但實際由于電氣化、自動化的高度發(fā)展與應(yīng)用,在一定程度上對電力造成極大的污染。應(yīng)EMI 設(shè)計的需要,通常設(shè)備在其輸入部分接有Y交流電容,每個Y電容都會產(chǎn)生一定的漏電流,隨著同一配電系統(tǒng)中用電設(shè)備輸入端Y電容的增加,會導致接地電壓升高,在三相負載嚴重不平衡時,中性線電流增大,同樣導致接地電壓升高,直接危害到設(shè)備運行安全。采用超隔離設(shè)計的中大功率UPS 則可較好地解決此問題。
隨機類干擾無時不在污染著市電,影響設(shè)備工作穩(wěn)定性。消除此類軟故障的有效措施是向用電設(shè)備提供凈化電力電源,這已成為擔負設(shè)備供電的中大功率UPS 主要功能之一。一般非隔離式 UPS 對于此類干擾無抑制作用,采用雙變換拓撲結(jié)構(gòu)、帶輸出隔離變壓器的UPS產(chǎn)品可將此類干擾極大程度衰減,取到良好的凈化作用。供電故障如短路、中線脫落、缺相、市電中斷對信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成極為嚴重威脅,不間斷供電系統(tǒng)(UPS)應(yīng)解決該類故障而誕生。目前,在線式中大功率 UPS 可實現(xiàn)零時延不間斷供電。在負載一定的前提下,不間斷供電持續(xù)時間長短與系統(tǒng)選用的蓄電池容量、充電管理性能、逆變器工作效率密切相關(guān)。
  3. 高運行效率。中大功率 UPS 對電力變換效率不僅涉及到本身的可靠性,同時涉及到用戶的使用成本。中大功率 UPS 產(chǎn)品的工作效率與其設(shè)計性能和變換器拓撲方式密切相關(guān)。采用雙變換拓撲結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在確保不間斷供電的同時,能向負載提供純凈的電能,但運行效率受到一定影響,一般達 90% ~ 93%。在電網(wǎng)供電品質(zhì)較好的地方,可采用技術(shù)手段,如采用部分補償式交流穩(wěn)壓方案,在市電狀況較好時適時旁路供電方式切換等,將整機平均運行效率適當提高到96% ~ 98% 。
  4. 環(huán)境及負載適應(yīng)能力。目前,國內(nèi)大部分地區(qū)電網(wǎng)供電品質(zhì)不高,電壓波動范圍大,市電頻率不穩(wěn)定。許多進口 UPS 產(chǎn)品對輸入工作電壓設(shè)計范圍為 +/- 10 ~ 12.5% , 這與實際應(yīng)用環(huán)境要求的 +/- 20% 相差較大。由于在采用雙變換拓撲結(jié)構(gòu)中大功率 UPS 中,蓄電池組常采用直流母線直充電方式,當市電電壓較底時,直流母線電壓不能維持在蓄池組正常浮壓水平,從而導致蓄電池組頻繁不合理放電,直接影響備用時間及蓄池組使用壽命。此問題需要在蓄電池組能量管理中加以解決。
  通常接入負責區(qū)域供電的中大功率UPS 輸出端的不同類負載設(shè)備用電狀況不同,部分長期工作,部分間隙式工作,受現(xiàn)場配電線路拓撲限制,往往很難實現(xiàn)三相負載平衡,經(jīng)常會出現(xiàn)三相負載嚴重不平衡狀況。為此,帶三相不平衡負載能力是衡量中大功率UPS重要性能指標之一。采用三相獨立逆變回路拓撲結(jié)構(gòu)的UPS 產(chǎn)品可以實現(xiàn)帶100% 不平衡負載確保輸出電壓穩(wěn)定度。
  AC/DC 變換是在線式雙變換拓撲UPS 產(chǎn)品中的一個重要環(huán)節(jié)。在實現(xiàn)該變換過程的同時,或多或少對供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不同程度干擾,按照現(xiàn)階段技術(shù)與器件水平,要實現(xiàn)無干擾全功率AC/DC 變換并不太現(xiàn)實。實際產(chǎn)品中主要還是采用三相可控整流技術(shù)方案。為此,采取適當技術(shù)手段,降低電流諧波成分及相位校正,減少無功分量是中大功率UPS 產(chǎn)品設(shè)計中需要解決的重要問題。
  5.完善的保護功能。保護功能分為UPS 裝置的自身保護與對負載的保護,完善的保護功能在中大功率UPS 中顯得尤為重要。 當戶外供電線路遭受雷擊,在其零線(中性線)與大地之間會產(chǎn)生強感應(yīng)電壓。一般非全隔離式 UPS 經(jīng)過零線將雷擊感應(yīng)電壓直接傳遞到用戶設(shè)備端,從而導致設(shè)備損壞;而采用帶隔離變壓器的 UPS 其輸出/輸出完全隔離,在雷擊發(fā)生時,雷擊感應(yīng)電壓被阻斷,負載零線與大地之間等電位,對于用戶設(shè)備真正實現(xiàn)了有效防雷擊保護。輸出短路、故障過載也時有發(fā)生,為了防止故障擴大及保護UPS裝置,需要在故障發(fā)生時及時發(fā)出告警信號,來執(zhí)行相應(yīng)的保護工作。
  6.便利的操作與維護性能。由于操作不當而導致的UPS 裝置故障的現(xiàn)象時有發(fā)生,為此,簡化人工操作環(huán)節(jié),實現(xiàn)智能化管理是當前中大功率UPS 產(chǎn)品設(shè)計中需要倍加關(guān)注的實際工程問題。中大功率UPS已經(jīng)是較高技術(shù)集成度的核心產(chǎn)品,實際使用者通常不可能對其進行全面深入的了解。透明的用戶界面及工作狀態(tài)指示有利于引導用戶正確使用。中大功率UPS 作為核心供電設(shè)備,通常是不停機運行,而且往往是無人值守。設(shè)備運行狀況需要供應(yīng)商和用戶管理人員及時掌握,只有采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過遠程計算機對UPS 實行實時監(jiān)督和遙控。
總之,如中國科學院李成章研究員所倡導的:“只有帶輸入/輸出超隔離變壓器的雙變換型在線式 UPS 才有可能向用戶的負載提供純潔、穩(wěn)壓、無頻率突變/穩(wěn)頻、無干擾存在、波形失真度極小的全天候的高質(zhì)量正弦波電源”,中大功率UPS 應(yīng)該是能向用戶負載提供從不間斷、純潔和高品質(zhì)電能的智能化綠色供電系統(tǒng)。
  二、XS03 20~320KVA 三相全隔離不間斷電源系統(tǒng)(UPS)
  武漢洲際通信電源集團采用國際先進技術(shù),推出在線式雙變換拓撲、帶輸入/輸出超隔離變壓器的的XS03 20~320KVA 三相全隔離不間斷電源系統(tǒng)(UPS)產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品充分兼顧了國內(nèi)及其它電力環(huán)境較差的國家和地區(qū)信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展對于高質(zhì)量交流供電設(shè)備的需求,通過了信息產(chǎn)業(yè)部入網(wǎng)測試并取得入網(wǎng)證書。
該系列產(chǎn)品主要技術(shù)特色有:多處理器軟/硬件復合控制、三相獨立逆變主回路、輸入/輸出超隔離、寬電網(wǎng)電壓適應(yīng)范圍、智能充電管理及電池在線檢測、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、可選擇語言顯示界面(中文、英文)和遠程及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。
  如圖所示,UPS系統(tǒng)是由輸入無熔絲開關(guān)、輸入濾波器及保護電路、整流器、電池組、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、旁路開關(guān)、輸出隔離變壓器和輸出濾波環(huán)節(jié)等組成。在市電正常情況下,交流電源經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流電源,供電給逆變器并對電池組充電,使電池儲存足夠的電能,以便在市電中斷時,提供電力給負載使用。
  1.多處理器軟/硬件復合控制。多處理器實現(xiàn)在線優(yōu)化控制的同時,實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài),完成遠程通信功能;為了實現(xiàn)裝置高可靠性,各種控制操作采用軟/硬件冗余方式,有效提高抗干擾能力,整機運行效率大于92%。
  2.三相獨立逆變主回路。采用相序同步的三相獨立逆變主回路,各相逆變工作狀態(tài)是獨立的,相間負載不平衡不影響輸出特性。在相間負載100%不平衡情況下,輸出三相電壓不平衡度小于 1.2 % 。
  3.輸入/輸出超隔離設(shè)計。無論在逆變運行狀態(tài),還是在市電旁路運行狀態(tài)下,始終實現(xiàn)輸入/輸出超隔離。從電力線路傳導的各種干擾被有效阻斷,對于此類干擾信號的衰減能力達到 120 dB;負載零線與大地之間等電位使得接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間不存在電位差,可有效消除通常存在的公地干擾,增加設(shè)備運行的穩(wěn)定性能,確保各種信道暢通。
  4.寬電網(wǎng)電壓適應(yīng)范圍。逆變器采用變結(jié)構(gòu)控制策略,可實現(xiàn)低直流工作電壓(Vdc>= 295V)下穩(wěn)定運行,同時消除電池組不正常放電現(xiàn)象,從而具有極寬的電網(wǎng)電壓適應(yīng)范圍 (+/- 22%),使得電池組壽命得到有效延長。
  5.模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)和主控部件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,可實現(xiàn)現(xiàn)場快速維護。
  6.可選擇語言顯示界面(中文、英文)及遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。LCD顯示界面可以實時顯示 UPS 運行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)。附加遠程監(jiān)控模塊通過RS-485與UPS連接(可連接距離大于1000公尺),在故障狀況發(fā)生時有蜂鳴器告警,使用者可以通過遠程監(jiān)控模塊實現(xiàn)遠距離UPS開機和關(guān)機操作;通過SNMP 協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)計算機可以訪問處于遠距離運行的UPS 裝置。

 

1作者:武漢洲際通信電源集團公司 徐海波博士 來源:《移動通信》 編輯:顧北

 

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