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    德赢app官网下载德赢体育平台app托管能源白皮书(一):UPS架构的发展

    发表:德赢app官网下载德赢体育平台app托管文员   文章来源:德赢app官网下载德赢体育平台app托管   
    [摘要] 近年来,随着大数据、云计算等技术的快速发展,传统的数据中心也迎来了一个飞速变革的时期。作为数据中心供配电系统的重要组成部分,UPS也开始发生变化。可靠,高效,易用易维护成为越来越多UPS厂家关注的重点特性。 ……


    近年来,随着大数据、云计算等技术的快速发展,传统的数据中心也迎来了一个飞速变革的时期。作为数据中心供配电系统的重要组成部分,UPS也开始发生变化。可靠,高效,易用易维护成为越来越多UPS厂家关注的重点特性。

    那么从UPS产生至今,共经过了哪些变化?是什么引起了这些变化?现在市场上主流的产品有哪些?本文将对这几个问题进行解答。

    1、UPS分类方法

    UPS的分类方法有很多,从储能方式可以大致分为动态UPS和静态UPS,动态UPS和静态UPS又可以细分为后备式,在线互动式,在线双转换式等;从技术上有工频高频之分,高频机中又细分为塔式机和模块化。

    1.1 动态UPS分类

    动态UPS的不间断供电是通过旋转部件释放动能,静态UPS以蓄电池为储能工具,动态UPS的典型代表是飞轮UPS,静态UPS目前市场应用最多的是双在线转换式UPS。

    动态飞轮UPS经过几十年的发展与改进,在大功率UPS市场有着独树一帜的应用。市场上应用的飞轮UPS主要有如下几种。

    a).在线双变换式飞轮UPS(典型代表:Vycon解决方案)

    这种结构与在线双变换式UPS非常相像,区别在于,使用飞轮代替了电池进行储能,需要搭配传统UPS进行使用,因此应用比较局限。

    Vycon于2002年成立,专门从事飞轮储能研发生产。产品主要应用在北美。该飞轮后备时间可以达到15~90s。



    b).旋转在线式飞轮UPS(典型代表:Piller解决方案)

    不同于以上的Vycon解决方案,该解决方案替代传统UPS。

    耦合扼流圈主要功能是实现电能转换,补偿和滤波。

    核心部件是M/G电动-发电机(UNIBLOCK?) ,市电正常时作为电动机带动飞轮(给飞轮充电),市电异常时飞轮放电,作为发电机,完全是机械式取代电力电子变 换,没有电力电子变换的精确控制,电网适应性和逆变出的质量会变差。

    Piller是UPS领域的百年老店,主打产品UNIBLOCK-T,总部在德国。目前产品主要应用在欧洲和北美。


    c).在线互动式飞轮UPS(典型代表:Active Power解决方案)

    该方案替代传统UPS+电池方案。

    在线互动式是目前国内应用最多的方案。工作原理同在线互动式UPS,类似一个有源滤波器,可实现简单的滤波和稳压功能,拓扑简单,效率较高。但是电网适应性和输出性能指标明显偏差。


    1.2 三种动态UPS抗电网干扰能力对比

    以上是三种比较典型的动态UPS,下面表格对这三种动态UPS抗电网干扰能力做一个简单的对比。

    b1

    表1:三种动态UPS抗电网干扰能力对比

    通过以上表格可以看出,在线双变换式飞轮UPS是抗干扰能力最强的,但是这种飞轮UPS必须搭配传统UPS进行使用,应用比较局限,目前国内应用最多的是在线互动式飞轮UPS。

    1.3 静态UPS分类

    以上介绍了动态UPS的一些常见架构,下面对应介绍一些静态UPS。不同于动态UPS,静态UPS以电池为储能工具。从工作原理分类来说,常见的静态UPS主要有后备式,在线互动式,Delta变换式以及在线变换式双四种。

    a).后备式UPS

    后备式UPS只有在供电异常才启动逆变器,正常供电时无法对市电电网问题进行调节,供电质量相比而言较差,但其效率较高。

    该架构多用于容量小于3KVA的UPS,结构简单,一般备电时间在10分钟左右,通常是方波输出,主要应用场景是PC机等。


    b).在线互动式UPS

    在线互动式UPS相比后备式而言,增加了稳压环节,供给负载改良过的市电。其成本低,电路比较简单,但是无法消除输入失真和干扰。并且切换时有转换时间。该架构应用于功率容量5KVA的以下的小容量UPS ,结构简单,通常是方波输出或模拟正弦波输出。多用于对PC或办公设备提供保护 。


    c).Delta变换式UPS

    Delta变换UPS的核心为Delta变换器和主变换器。

    Delta变换器的作用为:

    l 控制输入电流,是一个高阻正弦波电流源;

    l 控制电流充电;

    l 补偿输入电压,保证输出电压稳定不变;

    l 控制调整输入功率因数。


    主变换器的作用为:

    l 控制并稳定输出电压,是一个低内阻正弦波电压源;

    l 给电池充电;

    l 市电掉电时,向负载供电;

    l 市电正常时,补偿负载电流中的无功和谐波成分。

    从Delta变换器和主变换器的作用可以看出,Delta变换式UPS对输入调节能力更强,当然,结构也比在线互动式复杂。该架构应用于功率容量20-200KVA的UPS,输出为正弦波。

    d).在线变双换式UPS

    在线双变换式UPS可以为负载提供很完美的保护,可以滤除电网中基本所有的干扰和谐波,缺点是架构复杂,一般成本较高。该架构应用于功率容量为1-1200 KVA的UPS;几个 架构对比来说可靠性最高,目前80% UPS均采用该架构,输出为标准正弦波,主要对IT负载或其它行业重要负载提供保护。



    UPS工作状态有多种,分别为主路模式,静态旁路模式,电池模式以及维修旁路模式。在线双变换式UPS从架构来说还分为工频机和高频机,后文将会讲到。

    1.4 静态UPS抗电网干扰能力对比

    下表为以上介绍的四种静态UPS架构对电网干扰能力的对比。

    b2

    ○:可以抵抗       ╳:可以部分抵抗       △:无法抵抗

    表2:静态UPS抗电网干扰能力对比

    可以看出,在线双变换式是抗电网干扰能力最强的。

    1.5 动态与静态UPS的对比

    以上分别介绍了动态和静态UPS的一些基本拓扑结构,那么动态和静态UPS对比而言又各有什么优劣呢?

    静态UPS与动态UPS最大的区别在于其储能方式,一个是电池储能,一个是飞轮储能,下表对比这两种储能方式的优劣。

    b3

    表3:蓄电池储能与飞轮储能对比

    可以看出蓄电池储能与飞轮储能各有优劣,但是飞轮储能的后备时间一般仅有15秒,这使得其使用场景受到很大的局限。

    以下再对比以下目前主流的静态UPS与动态UPS,分别为在线双变换式与在线互动式飞轮UPS,其中在线双变换式以华为UPS5000系列为例,在线互动式飞轮UPS以Active Power为例。

    b4

    表4:在线双变换式与飞轮UPS参数对比

    从以上对比来看,除效率外,其他参数UPS5000要优于Active Power飞轮UPS,并且在UPS通常工作的低载段(40%)效率并不输给飞轮UPS。 表4:在线双变换式与飞轮UPS参数对比

    通过以上两个对比我们可以得出如下结论:

    -  与传统UPS相比,飞轮UPS在节能、环保等方面具备一定优势;

    -  飞轮UPS由于固有的缺陷,应用存在一定的局限性:

                    备电时间短,仅15S,油机启动失败会造成严重停电事故;

                    价格昂贵,且必须与油机配合使用,增加了初始投资;

                    系统复杂,需要原厂专业维护,维护成本高;

                    电网适应性差,输入输出性能指标都弱于在线双变换式UPS。

    基于上述分析,飞轮UPS仅适用于以下场景:

                    可接受新技术,绿色环保型供电系统;

                    电网质量很好,较少断电事故,系统可靠性要求不高的场合


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