1 引言

UPS是用于關鍵負載的不間斷電源。在電信和數(shù)據(jù)中心,一般采用雙變換UPS,以滿足可靠性和功能性的要求,雙變換UPS將交流輸入電源進行整流/逆變兩次電力變換,輸出高質量交流電,關鍵負載不會受到市電各種*的影響。但是,兩次電力變換的損耗較大,降低了UPS系統(tǒng)的效率。

隨著IT技術的發(fā)展和IT設備功率密度的增加,數(shù)據(jù)中心總功率和UPS的損耗不斷增加,高額的運行費用已成為運營企業(yè)的沉重負擔。為此,對UPS的效率提出了更高的要求。近年來,雖然雙變換UPS的系統(tǒng)滿載效率最高已達94%左右。但UPS系統(tǒng)的損耗仍然十分可觀。例如,在小容量數(shù)據(jù)中心中,假設負荷功率約為100kW,UPS的功率損耗為6kW,一年損耗的能量為52560kWh。許多現(xiàn)代大型的數(shù)據(jù)中心的負荷還要大得多,UPS的損耗將按比例增加。

此外,為了滿足可維性和故障容限的要求,數(shù)據(jù)中心常常采用并聯(lián)冗余UPS和雙母線UPS。因此,UPS單機的負載率很低。假設N=1,單機UPS最大負載率,理論上N+1并聯(lián)冗余UPS為50%,2N雙母線系統(tǒng)為50%,2(N+1)雙母線系統(tǒng)為25%。實際上,N+1并聯(lián)冗余UPS的單機UPS的負載率為30%～40%,2N雙母線系統(tǒng)為30%～40%,2(N+1)雙母線系統(tǒng)為15%～20%。在如此低的負載率下,UPS的系統(tǒng)效率將會從滿載時的90%的范圍下降到80%的范圍。

在這種情況下,采取適當措施進一步提高UPS系統(tǒng)的效率是非常必要的。例如,可以采用高效率UPS設備(無變壓器UPS或模塊化UPS)和高壓直流供電系統(tǒng)等。還可以通過改變UPS的運行策略,采用經濟運行方式,節(jié)能效果更佳。具有經濟運行方式的UPS稱為“經濟模式UPS”。

所謂經濟模式UPS,實際上是在市電質量很好時,UPS采用市電直接為負載供電。從而獲得最高的供電系統(tǒng)效率,達到節(jié)能的目的。當市電故障或質量下降時,UPS轉換為雙變換方式,以滿足負載對電能質量的要求。經濟模式UPS技術適用于單機UPS、并聯(lián)冗余UPS和雙母線UPS。采用經濟模式UPS是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要措施。美國綠色網絡聯(lián)盟(TGG)提出的數(shù)據(jù)中心成熟模型(DCMM)電源部分明確建議采用經濟模式UPS。

UPS的經濟運行方式還有其他名稱,例如節(jié)能方式、節(jié)能系統(tǒng)(ESS)、高效率方式,VFD方式等,本文采用傳統(tǒng)的術語“經濟方式”(Ecomode)和“經濟模式UPS”(Ecomode UPS)。本文闡述經濟模式UPS的工作原理和性能,分析經濟模式UPS高效率和高可靠性,討論經濟模式UPS實施方法和應用考慮。

2 UPS系統(tǒng)術語說明

IEC62040-3規(guī)定了三種UPS內部技術(UPS拓撲),包括備用式UPS(passive stand by UPS)、在線互動式UPS(lineinteractive UPS)、雙變換式UPS(double conversion UPS)。這些UPS具有不同的電源質量,可以獲得不同程度的電源保護。

其中雙變換式UPS的輸入/輸出技術指標都很高,輸出電壓和頻率穩(wěn)定,不受輸入電源電壓和頻率變化的影響。但是負載功率經整流-逆變兩次變換,損耗較大,系統(tǒng)效率不高。備用式UPS和在線互動式UPS都屬于單變換UPS,正常時利用市電直接為負載供電,備用式UPS輸出電壓和頻率與輸入電源電壓和頻率相同;在線互動式UPS可以與輸入市電電源互動,穩(wěn)定其輸出電壓,而輸出頻率與輸入電源頻率相同。單變換UPS的突出的優(yōu)點是系統(tǒng)效率很高,特別是備用式UPS,系統(tǒng)效率最高。

按照UPS輸出電壓和頻率對于輸入電源電壓和頻率的依賴性,IEC62040-3還規(guī)定了UPS性能分類代碼,包括電源質量、輸出波形和輸出瞬態(tài)特性的分類代碼。其中UPS電源質量分為三類,分別用三個字符或兩個字符表示,即VFD,VI和VFI。

VFD表示UPS的輸出電壓和頻率取決于輸入電源(市電)的電壓和頻率變化。

VI表示UPS的輸出電壓與輸入電源(市電)無關,輸出頻率取決于輸入電源(市電)的頻率變化。

VFI表示UPS的輸出電壓和頻率與輸入電源(市電)的電壓和頻率無關。

這些電源質量代碼與UPS內部技術具有對應關系,備用式UPS的電源質量是VFD,在線互動式UPS的電源質量是VI,雙變換式UPS的電源質量是VFI。

表1是UPS電源質量的分類詳細說明。

3 雙變換式UPS的結構和工作方式

雙變換式UPS系統(tǒng)的電源質量最高,對負載提供了最好的保護。是電信和數(shù)據(jù)中心應用最多的UPS。本文以下部分僅討論雙變換式UPS。

雙變換式UPS系統(tǒng)由整流器、逆變器、靜態(tài)開關和蓄電池(含電池變換器)4個主要部件組成(如圖1所示)。

圖1示出了雙變換式UPS的三種工作方式:

①雙變換方式:市電供給整流器交流電,整流器供給逆變器直流電。逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣?供給負載。UPS在大多數(shù)時間內都工作于這個方式,也稱為正常方式。

②蓄電池方式:如果市電電源故障或質量下降,不能滿足整流器的要求時,整流器不能再為逆變器供電,逆變器由蓄電池供電,繼續(xù)供給負載交流電。此時,輸出電壓和頻率是獨立的。

③旁路方式:當UPS故障或需要進行維護時,靜態(tài)開關閉合(導通),負載直接由市電電源(旁路電源)供電。

4 經濟模式UPS的結構和工作方式

(1)結構

雙變換式UPS的唯一缺點是效率較低。為了適應節(jié)能的需要,雙變換式UPS可以設計和配置為包括IEC62040-3的性能分類多方式雙變換式UPS,其中一個運行方式是利用VFD高效率的經濟運行方式,即利用市電直接為負載供電。這種UPS稱為經濟模式雙變換UPS,簡稱經濟模式UPS。

經濟模式UPS的硬件結構與常規(guī)雙變換UPS相同,也由整流器、逆變器、靜態(tài)開關和蓄電池4個功能部件組成。沒有增加任何新的元件,所以沒有增加系統(tǒng)的復雜性。原有功能元件被用于新的方式中,獲得了新性能,增加了新的工作方式。

(2)工作方式

經濟模式UPS與常規(guī)雙變換UPS工作方式的區(qū)別是,除了前述三個工作方式外,增加了第四個工作方式,即經濟方式(或節(jié)能方式)。在經濟方式中,靜態(tài)旁路開關開通,UPS負載由市電直接供電,正如備用UPS(VFD),損耗最小(典型值為1%左右),效率最高。

經濟模式UPS組合了雙變換UPS(VFI)和單變換UPS(VFD)的優(yōu)點,獲得了很好的效果。每當輸入電源(市電)的情況發(fā)生變化時,UPS系統(tǒng)就自動進行工作方式的轉換。既滿足關鍵負載對電源質量的要求,又達到節(jié)能的目的。

如圖2所示,當市電的指標在可接受的極限內時,UPS運行于經濟方式,采用市電直接為負載供電。因此可獲得最高的系統(tǒng)效率。效率的典型值在98%～99%,而雙變換式UPS的效率最高為94%左右。這表明采用經濟方式,效率可提高4%～5%。

當市電的指標超出預定的指標,但整流器尚能正常運行時,系統(tǒng)轉換到雙變換方式,通過整流器/逆變器為負載供電,使負載與市電的各種*完全隔離。

當市電電源中斷或持續(xù)異常,超出整流器所能接受的范圍時,UPS就運行于蓄電池方式,利用蓄電池提供的能源,經逆變器繼續(xù)為負載供電。

當UPS設備本身故障或需要進行維護時,UPS運行于旁路方式,負載經靜態(tài)開關由市電直接供電。

其中雙變換方式和蓄電池方式之間的轉換以及雙變換方式和旁路方式之間的轉換,與常規(guī)雙變換式UPS完全相同。經濟方式和雙變換方式之間的轉換是經濟模式UPS所特有的,這個轉換的控制是采用冗余控制裝置實現(xiàn)的。例如,在由多個UPS模塊組成的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)中,每個UPS模塊都有其獨立的數(shù)字信號處理器(DSP),當運行在經濟方式時,所有DSP都連續(xù)監(jiān)視市電輸入電壓和頻率、負載電壓和頻率。如果任何一個DSP檢測出欠壓或頻率變化,即發(fā)出向雙變換方式轉換的命令。這種固有冗余控制電路非常可靠安全。經濟方式和雙變換方式的轉換和返回條件可根據(jù)市電情況適當調節(jié),以適應不同站點的具體情況。如果市電情況較差,在規(guī)定的時間內出現(xiàn)多次反復轉換,UPS將在一段時間內(例如1h)保持在雙變換方式。

(3)經濟方式與旁路方式的區(qū)別

經濟方式與旁路方式之間有很大的區(qū)別,如圖2所示,在經濟方式中,整流器和逆變器保持在特殊的“準備好”狀態(tài),整流器開機并可為蓄電池充電。逆變器的控制電路正常運行,繼續(xù)保持與市電電源同步,但是逆變器的功率半導體器件的驅動信號沒有接入,因此被關斷。因為半導體器件沒有進行開關運行,沒有流過電流,故不產生損耗。應該指出,在經濟方式下,UPS模塊的控制電路仍然正常運行也會消耗功率,但功率損耗很小,對系統(tǒng)效率的影響可以忽略。

因為在經濟方式中控制電路保持正常運行,當市電質量降低,需要轉換到雙變換運行方式時,所需要的功率半導體器件的驅動信號可以立即加上。所以,經濟模式UPS從經濟方式向雙變換方式轉換(或相反轉換)的轉換時間非常短。轉換過程中對關鍵負載沒有影響。

經濟方式是UPS的正常工作方式,而旁路方式是UPS故障時采取的應急供電方式。雖然兩者同樣是將負載轉換到由市電直接供電,逆變器不帶負載,不產生損耗,節(jié)能效果相同。但是,在旁路方式中整流器和逆變器的主電路和控制電路全部斷開。當需要轉換回雙變換方式時,必須首先加上逆變器的控制電路,待逆變器與旁路電源同步后才能轉換,故轉換時間較長。

編輯：Harris

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