技术交流

您所在的位置:首页 > 技术交流

UPS双变换DSP技术的现状及发展趋势

      电信、金融等行业的高可靠性和安全性要求是电源系统设计的最大挑战,而UPS稳压、纯净、不间断的特点使其在这些领域中广泛应用。本文重点介绍了当前主流的双变换UPS的特点和技术现状,并阐述了UPS技术的一些新技术应用和发展趋势。
       交流不间断电源(UPS)是一种恒频、稳压、纯净、不间断的高品质电源。随着现代信息技术的高速发展,它的重要性越来越明显,尤其是在电信、银行、金融以及国防等对电网的可靠性要求极高的行业更为突出! 按照UPS的系统性能,标准IEC62040-3和欧洲等效标准ENV50091-3定义了三种UPS:备用UPS;线路交互UPS;双变换UPS。备用UPS仅在市电供电发生故障时才为负载提供电源,平时一直处于待输出状态。该种机型一般容量很小,各项性能指标都很不理想,但是成本很低,可以满足一般对电源性能要求不是很高的客户需要。
      线路交互UPS也称为在线互动式UPS。在市电的各项性能指标均能满足要求时,优先市电供电,一旦市电出现异常,立即转为UPS供电,以此达到确保供电质量的目的。线路交互UPS成本较低,性能上较后备机优越,为部分对电源性能有一定要求的客户所欢迎。
      但是,对于多数对电源质量要求极高的客户,双变换UPS(也叫在线式UPS) 可以提供比前两种UPS更高的性能。传统的双变换UPS已有30多年的历史,其技术成熟、性能完善,主要的技术指标已经达到了很高的水平。但是由于系统采用UPS与市电串连的结构,因此存在一些固有的缺点。由于传统的双变换UPS输入端一般采用晶闸管相控整流器,输入谐波电流较大,对市电电源污染严重。近年来,随着大功率UPS和其他非线性负载设备的增加,谐波问题日益突出,已经成为人们非常关注的问题之一。为此,本文将重点阐述采用双变换结构、容量在30kVA以上的大容量UPS,分析其市场上的主流机型、该机型的发展方向以及其将采用的部分热点技术。
      双变换UPS
      双变换UPS输入采用晶闸管相控整流,输出配备隔离变压器。该类UPS是当前市场的主流机型,目前市场上各大型通讯局站均配备该种机型。该系统由整流器/充电器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。正常的情况下,市电电源经整流器/充电器变换为直流电,供给逆变器同时给蓄电池充电。逆变器将直流电变换为交流电给负载供电。当市电出现故障时,逆变器由蓄电池供电继续运行,为负载提供电源。当整流器/充电器、逆变器、蓄电池中任何部件故障、负载故障或过载时,由静态开关将负载转换至市电,由市电应急供电,这称为旁路方式。
      该种机型UPS采用晶闸管相控整流,具有成本低、效率高的特点。另外,输出采用隔离变压器隔离输出,保证了系统的安全可靠。在这种UPS中,市电电源经过了整流/逆变两次电力变换,使负载设备与市电电源完全隔离。实际上,UPS接收市电电源进行变换和调节,再生了全新的连续的高质量交流电源,其输出指标如电压和频率稳定度(静态和动态)、波形失真度等都达到了很高的水平。由于逆变器在市电正常和故障时均连续为负载供电,从市电供电向蓄电池供电的转换过程中不产生中断。
      双变换UPS中的静态开关是非常重要的部件,因为许多逆变器特别是PWN逆变器的过载能力较差,一般不能承受较大的负载设备的启动电流和负载短路电流。在这种情况下,逆变器将进入限流状态,故一般不能启动较大的负载设备或在输出短路时不能熔断输出熔断器以排除故障。当UPS输出电流大于一定值时,静态开关将负载转换市电电源,利用市电启动负载或排除故障。

      双变换UPS中的整流器/充电器、逆变器均为连续工作,其内部的半导体元件长期处于满负载状态,负载浪涌电流的冲击也会使半导体元件承受较大的应力,造成潜在的故障。因此,双变换UPS的静态开关和整流器/充电器、逆变器都是非常关键的部件,其半导体元件一般都降额使用或按照冗余方式设计,以提高系统的可靠性。
      双变换UPS系统的不足
      a. 输入纹波电流大
      双变换UPS的输入端一般采用6脉冲晶闸管相控整流器,有些大功率UPS采用12 脉冲晶闸管相控整流器。这些整流器内部的晶闸管整流元件在每个电源周期内轮流导通,因为换相时连接在交流电源不同相线上的两个晶闸管在短暂的时间内同时导通,造成瞬时电源相间短路,因而在电源电压波形上形成了所谓换相凹口,实际上就是电压波形失真。
      此外,当某个整流元件被触发导通时,市电电源相应的相电压就突然加到直流侧的滤波电感上,使该相电流突然上升,由于滤波电感足够大,电流基本上保持恒定,直到下一个整流元件被触发导通。结果形成了脉冲型的输入电流波形。因此该种电流波形不是平滑的正弦波,这种非正弦波是由基波和谐波分量组成的。输入端为6脉冲整流器的双变换UPS的输入电流中含有5、7、11和13次等谐波分量,总谐波失真(THD)可达30%以上。采用12脉冲整流器时,含有11,13次等谐波分量,总谐波失真为10%左右。
      另外,谐波电流在配电系统中流动时,由于集肤效应导致电路阻抗增加,引起附加的损耗,使电缆、配电设备、熔丝、变压器和备用发电机发热,从而导致了系统的可靠性降低。
      b. 电源电压波形失真较大
      在电源系统中,非线性负载可以等效为一线性负载和一系列的谐波电流源(多个不同频率的谐波电流源)的叠加。因此可以认为,连接到50Hz市电电源上的非线性负载从电源吸收基波电流并向电源反馈谐波电流,谐波电流沿着阻抗最小的通道流向电源。
      谐波电流流过电源的内阻Zsn (对谐波电流的阻抗)时,将产生谐波电压。第n次谐波电流产生的谐波电压为:
Vn=In? Zn
       电源输出电压Vn等于基波电压与谐波电压的向量和,谐波电压叠加在基波电压V1上,必然引起较大的电源电压失真。
      由于电源电压失真,还会产生更大的谐波电流。因为失真电源电压本身包含各种频次的谐波电压,加在线性负载上也会产生相同频次的谐波电流。电源电压失真会使电源系统的电容器、变压器等产生附加的发热,并能引起某些灵敏负载设备的工作异常。
      c. 功率因数较低
      在线性电路中,功率因数等于电压和电流之间的相角的余弦(cos↓),通常称为相移功率因数。在非线性电路中,相移功率因数仅适用于基波功率,对于谐波功率需采用失真功率因数。因为非线性负载的电流是由基波和各次谐波电流组成的,非线性负载功率等于基波和谐波电流产生的功率之和。由于电源电压本质上是基波电压(无谐波电压),故只有基波电流能够产生有功功率。而谐波电流只能产生无功功率,使视在功率增加。谐波电流越大,视在功率越大。而基波电流是由负载功率要求决定的,在一定的负载条件下,基波电流是固定的,因此有功功率是固定的。
      非线性电路的总功率因数由相移功率因数与失真功率因数两部分组成。因此,谐波电流越大,总功率因数越低。低功率因数将使输入电流增大,不但产生了附加的配电损耗,而且可能引起断路非正常跳闸、熔断器非正常熔断。
      值得指出的是,由谐波电流产生的无功率不可能用常规的功率因数校正电容器加以补偿。而且谐波电流还有可能引发系统谐振,因为电容器与系统电感的组合可能在某谐波频率上发生谐振,谐振电流会引起电压失真,使电容器发热。
      此外,由于双变换UPS控制方式采用模拟控制,因此容易产生器件参数飘移 


      双变换UPS的优点
      该种机型最大的优点就是效率较高,单机成本较低。由于输入采用晶闸管相控整流,在成本和功耗上相对现在Liebert推出的iTrust系列大容量UPS具有一定的优势,但是后者有良好的输入特性。
      UPS新技术
      针对上述传统双变换UPS的缺点,世界上各大型UPS厂家均着力开发新一代性能更优越的UPS,如Liebert公司最近推向市场的iTrust系列大容量UPS充分考虑了现有客户需求,在于输入采用高频整流技术,输入功率因素高达0.99以上,输入谐波电流<3%。另外,整流器与逆变器均采用全数字的控制方案,适应了现代通讯技术的发展要求。输出依然采用传统的输出隔离变压器,增强了系统的抗干扰能力,同时大大降低了控制失败导致的输出直流电压对用户负载的损坏几率,有效提高了系统的可靠性。
      另外,低成本高性能的高频机也将在一段时间之后成为市场的主流机型。该种机型UPS是在上述未来主流机型基础上省去了输出隔离变压器,大大节省了成本,大约为上述机型的60%,极具市场竞争力。缺点是目前该种技术不够成熟,可靠性较低。但是,随着技术水平的提高,可靠性将会大大增强,相信不久的将来,该种机型将成为未来UPS的新型主流机型。
      在散热技术方面,目前大部分的UPS都采用散热器风冷散热,成本较高,而且噪音很大,特别是大功率UPS(容量在60kVA以上),噪音问题尤其突出。为了在散热问题上有所突破,各大型UPS厂家均投入大量的财力、人力进行研究。目前,MGE推出的新型高频机所采用的水冷散热技术具有新的突破,尽管该种散热技术还不是完全意义上的水冷,但是其成本低、散热均匀,需要的风扇功率小,有效降低了系统噪声。图为该水冷系统示意。