多制式模塊化綠色UPS電源技術(shù)

一、前言

近年來(lái)，國(guó)家在“信息化帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)化”及“節(jié)能減排低碳經(jīng)濟(jì)”的方針指引下，我國(guó)各企事業(yè)單位的信息化建設(shè)步伐大大加快，這使得UPS的市場(chǎng)需求量逐年快速增長(zhǎng)。隨著節(jié)能減排的政策要求UPS技術(shù)的迅猛發(fā)展，UPS技術(shù)本身也在不斷的進(jìn)步著。目前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)型UPS存在著諸多的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：

1.運(yùn)行效率低下，普遍輕載效率低于80%。

2.采用工頻變壓器等元件將消耗大量的鋼材和銅，成本高、體積笨重。

3.普遍采用了不控或相控整流器，其輸入功率因數(shù)隨負(fù)載的降低而降低，并產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)。

4.可用性差，單機(jī)不能冗余運(yùn)行，可靠性低，故障率高，維護(hù)難及初期投資成本大。

當(dāng)前UPS存在的問(wèn)題，向UPS廠商提出了更高的要求。目前，電源領(lǐng)域的專(zhuān)家一致認(rèn)為，UPS應(yīng)向“綠色化、模塊化，智能化”方向發(fā)展。“綠色化”要求UPS電源系統(tǒng)以高效率及高功率因素運(yùn)行，并對(duì)電網(wǎng)不造成諧波污染，對(duì)其他用電設(shè)備不產(chǎn)生電磁干擾。“模塊化”在大幅提高供電系統(tǒng)可靠性，降低初期投資容量、熱插拔簡(jiǎn)化維護(hù)操作的同時(shí)，由于避免了“大馬拉小車(chē)”的工況，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。“智能化”可實(shí)現(xiàn)UPS的多制式運(yùn)行及靈活的故障診斷與保護(hù)，確保供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

由于電信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和IT支撐平臺(tái)的發(fā)展，特別是IDC(客戶(hù)托管機(jī)房)業(yè)務(wù)的開(kāi)展，使得通信機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器等使用交流供電的IT設(shè)備大量增加，相應(yīng)配置的UPS(交流不間斷電源)的數(shù)量也與日俱增。但由于傳統(tǒng)整機(jī)式UPS的一些弊病，為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃和通信電源維護(hù)工作帶來(lái)很大的困擾，而模塊化UPS正是人們?yōu)榻鉀Q傳統(tǒng)整機(jī)式UPS供電的局限性而發(fā)展起來(lái)的一種新型UPS設(shè)備。

二、模塊化UPS將是綠色電源必然的發(fā)展方向

滿(mǎn)足“綠色電源”特征的模塊化UPS將是必然的發(fā)展方向，但長(zhǎng)期以來(lái)其國(guó)內(nèi)市場(chǎng)一直為國(guó)外產(chǎn)品所壟斷。國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格昂貴，維修不易。因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模塊化綠色UPS是推動(dòng)我國(guó)電源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)高效用電的重要舉措。

廣東志成冠軍集團(tuán)為國(guó)內(nèi)UPS行業(yè)的籠頭企業(yè)。經(jīng)過(guò)多年自主研發(fā)UPS的技術(shù)，高頻模塊化綠色UPS于2006年10月成功推出。該產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

1、高可靠性的模塊化技術(shù)

由模塊化綠色UPS所構(gòu)成的供電系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過(guò)UPS模塊的并聯(lián)運(yùn)行，將大幅提高供電的可靠性，節(jié)省初期投資，而功率模塊與旁路模塊的熱拔插功能大大簡(jiǎn)化了維護(hù)工作。

圖1 UPS模塊化冗余運(yùn)行示意圖

圖1中，模塊化UPS供電系統(tǒng)由3個(gè)UPS模塊并聯(lián)運(yùn)行為負(fù)載供電，其中，UPS模塊的主電路框圖如圖2所示，主要包括PFC高頻整流器，三相三電平逆變器及逆變輸出隔離開(kāi)關(guān)(接觸器)等部分。其中，交流接觸器用于在關(guān)機(jī)或故障時(shí)將逆變器從并聯(lián)系統(tǒng)中斷開(kāi)，便于檢修與維護(hù)。

圖2 UPS模塊的主電路框圖

如圖2所示，三相或單相市電電源從空氣開(kāi)關(guān)輸入，進(jìn)入PFC高頻整流單元。高頻整流單元是UPS與市電電網(wǎng)的接口部分，它將三相或單相交流電變換為穩(wěn)定的±430V直流電送至直流母線，為后級(jí)的高頻逆變電路提供穩(wěn)定的直流母線電壓。

2、高效高頻整流技術(shù)

為提高功率密度及整機(jī)效率，減小對(duì)電網(wǎng)的污染，整流器采用了單管功率因數(shù)校正(PFC)的高頻整流技術(shù)，如圖3所示。每相的高頻整流電路只需一個(gè)IGBT即可提供正負(fù)直流母線電壓，效率很高。采用了帶功率因數(shù)校正的高頻整流技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)UPS輸入的功率因數(shù)為1，輸入電流諧波大大降低(諧波畸變率小于5%)，可對(duì)直流母線電壓實(shí)現(xiàn)快速調(diào)控，從而在大大減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染的同時(shí)，大大降低了直流母線電壓的紋波系數(shù)，提高了直流母線電壓的穩(wěn)定性，此外，對(duì)蓄電池的充放電更加地靈活。而所有模塊的高頻整流電路的輸出能夠并聯(lián)運(yùn)行，這也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 PFC高頻整流單元主電路示意圖

圖3是一個(gè)含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器APFC(Active Power Factor Correction)的高頻整流器電路原理及波形圖。主電路由單相橋式不控整流器和DC-DC Boost變換器組成。虛線框內(nèi)為控制電路，包括：電壓誤差放大器VAR、電流誤差放大器CAR、乘法器、比較器C和驅(qū)動(dòng)器等。假定負(fù)載需要一個(gè)電壓為V*0的直流電壓，有源功率因數(shù)校正器APFC的工作原理如下：將主電路的輸出電壓V0和指令輸出電壓V*0送入一個(gè)比例積分PI型電壓誤差放大器VAR，VAR的輸出是個(gè)直流量m，當(dāng)實(shí)際輸出直流電壓V0大于指令值V*0時(shí)，V0>V*0，m減小;當(dāng)V0二極管整流電壓Vdc檢測(cè)值Vdc=|VS|(交流電源電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值)和VAR的輸出電壓信號(hào)m共同加到乘法器的輸入端，用乘法器的輸出m|VS|作為電感電流iL(|iS|=iL)的電流指令值ir，因此電流指令ir(ir=mvdc)=m·|VS|的波形與交流電源電壓VS相同，即指令電流ir是與交流電源 VS同相位的正弦波，而ir的大小則取決于實(shí)際電壓V0與電壓指令值V*0的誤差。將ir與電感電流iL的檢測(cè)值(iL=|iS|)一起送入比例、積分PI型電流誤差比較器CAR，CAR的輸出作為開(kāi)關(guān)管T的PWM驅(qū)動(dòng)控制電壓Vr，最后將Vr與一個(gè)恒頻三角波V△送入比較器C，C的輸出被取作開(kāi)關(guān)管T的驅(qū)動(dòng)信號(hào)VG，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器功率放大后再驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件T。當(dāng)iL=|iS|

圖3(c)給出輸入電壓VS、Vdc指令和僅有很小紋波的iL、iS波形。由圖可見(jiàn)，輸入電流被高頻PWM調(diào)制成接近正弦(含有高頻紋波)的波形。圖3(a)中iD為流過(guò)二極管的電流，iT為流過(guò)開(kāi)關(guān)管T的電流。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，ID=0 ，|is|=iL=ir ;當(dāng)開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí)，iT=0 ， |is|=iL=iD;具有高頻紋波的輸入電流iS經(jīng)很小的LC濾波后即可得到較光滑的正弦波電流，它也正是每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中IS(IL)的平均值。

3、數(shù)字化的高頻三電平逆變技術(shù)

逆變部分是UPS的核心部分。由于直流母線電壓達(dá)到±430V，我們?cè)谖諊?guó)際最新的、高性?xún)r(jià)比的逆變器方案的基礎(chǔ)上，采用了三電平逆變器結(jié)構(gòu)，如圖4所示。三電平電路有效地解決了IGBT的耐壓?jiǎn)栴}，在SPWM調(diào)制中也可大大降低IGBT的開(kāi)關(guān)頻率。三電平電路也使得逆變器的熱損耗小、噪音低、電磁干擾小、功率密度高，且性能可靠，工作穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)。三電平電路輸出的SPWM電壓波形經(jīng)過(guò)LC濾波后輸出純正的正弦電壓波形。通過(guò)采用合理的輸入輸出共地技術(shù)，使得逆變器不再需要笨重而昂貴的輸出工頻變壓器及高頻隔離變壓器，從而大大降低了成本、體積及損耗。