飛輪UPS的技術(shù)原理及應(yīng)用

提到飛輪動(dòng)態(tài)UPS,可能很多工程技術(shù)人員對(duì)此比較陌生。為了對(duì)動(dòng)態(tài)UPS有進(jìn)一步的了解,以下簡(jiǎn)單介紹一下UPS的發(fā)展歷程。

UPS從最初的飛輪發(fā)電機(jī)到今天,已經(jīng)度過(guò)了40多個(gè)春秋,由單一旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式發(fā)展到今天的多功能旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式、靜止變換式、旋轉(zhuǎn)靜止結(jié)合式三大類。最早的UPS原本是用途廣泛的電力保障設(shè)備,隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電力電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,誕生了比第一代旋轉(zhuǎn)式UPS更為先進(jìn)的靜止變換式UPS。最初的靜止變換式UPS其功率器件由晶閘管制成,并在大、中容量UPS中得到了廣泛應(yīng)用。MOS功率管普遍地應(yīng)用在中小容量的UPS中,但這種功率管難以達(dá)到高電壓、大電流,其飽和壓降大于晶體管,于是兼具前兩者優(yōu)點(diǎn)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)應(yīng)運(yùn)而生,促使UPS的逆變技術(shù)更趨成熟。但I(xiàn)GBT有寄生電流擎住效應(yīng),在一定程度上限制了其使用。

1 UPS的分類

(1)靜態(tài)UPS

靜止式UPS分為在線式和后備式。這兩種UPS的結(jié)構(gòu)大致相同,其主體結(jié)構(gòu)都包括整流(充電)器、蓄電池、逆變器和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等4個(gè)部分。二者的區(qū)別在于工作方式不同:在線式UPS的逆變器自始至終都在工作,而后備式UPS只有在供電異常時(shí)才啟動(dòng)逆變器。后備式UPS供電質(zhì)量雖然差,但其效率高,價(jià)格低廉,多用于家庭及對(duì)電網(wǎng)要求不高的場(chǎng)所。在線式UPS供電質(zhì)量相對(duì)要高,但價(jià)格貴得多,因此多用于精密設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域及特殊供電要求的場(chǎng)所。而互動(dòng)式UPS兼顧了前兩者某些優(yōu)點(diǎn),效率高、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、性能價(jià)格合理,逐漸得到用戶的認(rèn)可。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨嚴(yán)峻,不同廠家根據(jù)用戶的特殊要求而設(shè)計(jì)了不同應(yīng)用場(chǎng)合的UPS,如郵電專用型、電站專用型、鐵路專用型、油田專用型等。

(2)動(dòng)態(tài)UPS

動(dòng)態(tài)UPS的不間斷供電是依靠旋轉(zhuǎn)部件釋放動(dòng)能實(shí)現(xiàn)的。動(dòng)態(tài)UPS與靜態(tài)UPS在技術(shù)上各有所長(zhǎng),以不同的技術(shù)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)重要負(fù)載的不間斷供電。動(dòng)態(tài)UPS彌補(bǔ)了靜態(tài)變換式UPS的不足(需配套大量的蓄電池)。動(dòng)態(tài)UPS結(jié)合自身的顯著特點(diǎn),經(jīng)過(guò)幾十年不斷的發(fā)展和改進(jìn),在大功率UPS市場(chǎng)已經(jīng)獨(dú)樹(shù)一幟。動(dòng)態(tài)UPS相比靜態(tài)UPS,單機(jī)效率高，優(yōu)勢(shì)明顯，功能強(qiáng)大，具備了集成化的電源解決方案。由于其結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，因此隨著功率應(yīng)用的增高，其高效率產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更加突出。因此在大功率UPS國(guó)際市場(chǎng)上得到了廣泛應(yīng)用。

2 飛輪儲(chǔ)能UPS供電系統(tǒng)描述

那么到底什么是飛輪旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)UPS呢？其技術(shù)原理是怎樣的?有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？

美國(guó)Active Power飛輪儲(chǔ)能UPS屬于在線式UPS的一種,它集傳統(tǒng)在線式UPS和動(dòng)態(tài)UPS二者技術(shù)特點(diǎn)于一身。以下以其為例介紹這種UPS的構(gòu)成、特點(diǎn)及工作原理。

飛輪儲(chǔ)能UPS由輸入保險(xiǎn)、輸入接觸器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、在線電感器、輸出接觸器、逆變器、濾波電感器、飛輪、旁路等組成。Active Power UPS核心技術(shù)為飛輪儲(chǔ)能技術(shù),擁有35項(xiàng)美國(guó)專利。飛輪和電機(jī)系統(tǒng)密封在真空容器內(nèi),能量蓄滿時(shí)飛輪轉(zhuǎn)速高達(dá)7700r/min,如圖1所示。動(dòng)態(tài)飛輪UPS可以提供優(yōu)質(zhì)電源,確保精密的儀器設(shè)備和生產(chǎn)線免受毫秒級(jí)電網(wǎng)波動(dòng)的影響,減少數(shù)據(jù)通信中的高誤碼率。

圖1 飛輪UPS的旋轉(zhuǎn)部分

UPS在市電出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),由于飛輪的慣性能補(bǔ)償短時(shí)間的電壓突變,保證了輸出電壓的穩(wěn)定。在市電中斷時(shí),由于飛輪的慣性將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?滿載時(shí)可維持額定電壓12s,在此期間發(fā)電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)帶載,恢復(fù)對(duì)重要負(fù)載的正常供電。其不間斷供電工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 飛輪儲(chǔ)能UPS的不間斷供電工作過(guò)程

3 飛輪UPS的工作原理及運(yùn)行模式

飛輪UPS內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是目前市場(chǎng)上并不常見(jiàn)的在線互動(dòng)式,具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。在正常情況下,電源經(jīng)過(guò)輸入接觸器在濾波電感的作用下濾除有害的高次諧波,然后直接通過(guò)輸出接觸器直接輸出給負(fù)載,在此過(guò)程中對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),保證滿足負(fù)載要求。

圖3 飛輪UPS工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Active Power UPS采用飛輪動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能技術(shù),能大大改善電能質(zhì)量,完全零切換,電能回充時(shí)間短,特別適合防止瞬時(shí)波動(dòng)?？蓱?yīng)對(duì)電源的各種異常,保障設(shè)備正常工作。

4 各種電力意外情況下UPS工作過(guò)程

4.1 電壓驟降和瞬時(shí)中斷

(1)電壓一旦驟降或中斷,DSP能在瞬間測(cè)出。

(2)輸入電壓在220(l±l0%)之內(nèi)時(shí),不耗用飛輪能量。

4.2 諧波

(1)基于DSP技術(shù)測(cè)出負(fù)載的諧波電流,通過(guò)IGBT逆變器和濾波電感構(gòu)成的電力有源濾波系統(tǒng)實(shí)時(shí)地向系統(tǒng)注入反向等量的補(bǔ)償電流,以達(dá)到消除諧波和進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/P>

(2)負(fù)載諧波不會(huì)在輸入側(cè)出現(xiàn)。

(3)輸入側(cè)無(wú)需脈沖整流濾波器,便于和同容量的柴油發(fā)電機(jī)組整合使用。

4.3 功率因數(shù)及電壓波動(dòng)

(1)通過(guò)無(wú)功電流在輸入側(cè)以及在電感和逆變器之間的流動(dòng),將輸出電壓波動(dòng)幅度控制在±2%之內(nèi),并使輸入側(cè)功率因數(shù)達(dá)0.99。

(2)在額定輸入電壓時(shí)沒(méi)有有功電流的交換。

(3)負(fù)載的超前和滯后電流由市電逆變器提供(無(wú)功電流的大小取決于輸入和輸出的電壓差)。

(4)負(fù)載的有功功率由市電輸入提供。

4.4 浪涌、尖峰及其它毛刺*

(1)使用高能瞬態(tài)電壓浪涌抑制器(TVSs)和大容量在線電感進(jìn)行過(guò)濾。

(2)瞬態(tài)能量通過(guò)逆變器被直流電容吸收,從容應(yīng)對(duì)6000V以上的瞬間高壓。

4.5 頻率輸出

頻率波動(dòng)頻率超出特定窗口時(shí),在線的靜態(tài)開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)斷,由飛輪放電來(lái)提供穩(wěn)定的頻率輸出。

4.6 長(zhǎng)時(shí)間電力中斷

(1)對(duì)于持續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間的電力波動(dòng),通常將Active Power UPS和發(fā)電機(jī)組整合使用以提供不間斷電源。

(2)輸入側(cè)無(wú)整流濾波器,總畸變4%。

(3)保護(hù)發(fā)電機(jī)組免受瞬態(tài)影響。

(4)對(duì)發(fā)電機(jī)組的頻繁測(cè)試不會(huì)損害整個(gè)系統(tǒng)的壽命和可靠性。

5 飛輪動(dòng)態(tài)UPS的優(yōu)點(diǎn)

飛輪動(dòng)態(tài)UPS具有傳統(tǒng)UPS無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn):

(1)摒棄了傳統(tǒng)UPS中兩個(gè)不可靠的部件:傳統(tǒng)型UPS的蓄電池組和滿載持續(xù)運(yùn)行的逆變器。電池是最薄弱的環(huán)節(jié),電池故障占傳統(tǒng)型UPS故障的60%。

(2)模塊化設(shè)計(jì),容量擴(kuò)充方便。這種飛輪UPS的控制系統(tǒng)是共用的,對(duì)于380V配電系統(tǒng),一個(gè)儲(chǔ)能模塊的容量為250kVA/200kW,可實(shí)現(xiàn)按需分期投資。

(3)采用快速IGBT設(shè)計(jì),集整流和逆變于一體,平均故障間隔時(shí)間為65年。

(4)效率高達(dá)97%以上,經(jīng)濟(jì)可靠,而且不會(huì)因帶非線性負(fù)載而降低效率。

(5)外形尺寸更小,場(chǎng)地需求只有傳統(tǒng)UPS的1/3。

(6)能與發(fā)電機(jī)組良好地匹配。

(7)對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波反射。

6 飛輪動(dòng)態(tài)UPS的主要參數(shù)

6.1 輸入特性

(1)功率因數(shù):0.99(額定負(fù)載和電壓下)。

(2)電流諧波畸變率:3%(線性負(fù)載);

(3)不會(huì)對(duì)市電造成回饋污染。

6.2 輸出特性

(1)功率因數(shù):0.7(滯后)至0.9(超前)。

(2)電壓諧波畸變率:3%(額定線性負(fù)載);5%(額定非線性負(fù)載)。

(3)電壓調(diào)節(jié):穩(wěn)態(tài)±2%(輸入±10%內(nèi),平衡或不平衡負(fù)載);瞬態(tài)±5%(100%突加負(fù)載)。

(4)頻率調(diào)控:輸入50Hz±10%,輸出50Hz±0.2%。

6.3 過(guò)載能力(有市電狀態(tài))

(1)過(guò)載1000%時(shí),10ms。

(2)過(guò)載500%時(shí),1s。

(3)過(guò)載200%時(shí),30s。

(4)過(guò)載125%時(shí),10min。

6.4 維持時(shí)間

(1)15s(滿載)。

(2)30s(半載)。

6.5 質(zhì)保和安全體系

(1)所有產(chǎn)品均經(jīng)工廠嚴(yán)格的檢驗(yàn)和測(cè)試。

(2)獲得ISO9001、CE、UL等認(rèn)證。

(3)安全滿足 5009i-1-1。

(4)抗擾動(dòng)性和電磁兼容性滿足EN50091-2。

7 飛輪動(dòng)態(tài)UPS的應(yīng)用模式

(1)與發(fā)電機(jī)組、ATS柜整合使用,可持久不間斷供電。

(2)和傳統(tǒng)型UPS整合使用。飛輪儲(chǔ)能模式比電池更適于多次短時(shí)間的電源故障,并可以顯著延長(zhǎng)現(xiàn)有UPS電池的壽命,從而使整個(gè)UPS系統(tǒng)的可靠性大大增加

(3)其它改善電源品質(zhì)和短時(shí)保護(hù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

(4)可移動(dòng)供電。