您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 市场营销 > 大型不断电系统的设计与规划
摘要:台湾众多的不断电系统厂商中,绝大部分都是以设计生产离线式UPS或是单相小容量的在线式UPS为主,三相大容量UPS则仅有数家专业厂商在研发设计及生产。大部分的大型UPS皆仰赖进口,而其价格昂贵,故障维修时常因备品需国外原厂寄送,过长的等待修复时间常招人诟病。台湾由于电子科技及半导体产业的进步发展,使其对制程所需的精密仪器设备对电源品质的要求日益提高,也带动了对大型UPS的需求。本文将针对三相大型不断电系统的设计与规划,从系统架构与工作原理、相控整流器的谐波改善技术、主动滤波器的控制方法、逆变器的并联控制技术、UPS的电池管理及远端监控管理等做一详细的说明。前言影响电力品质因素有下列几种:(1)电压过高或过低;(2)突波及杂讯;(3)电压闪烁;(4)三相不平衡;(5)谐波失真;(6)频率异常;(7)市电中断。目前不断电电源供应系统(以下简称不断电系统或UPS)已被广泛应用在用户端,以解决可能发生的电源品质异常问题。不断电系统的操作原理为:市电正常时先将电能储存于蓄电池,市电中断后再自蓄电池内取出供负戴使用。一般来说不断电系统依其电路架构区分,可分为在线型(on-line)、电源互动型(line-interactive)及离线型(off-line)三种。各类型不断电系统皆有其优缺点及适用场合,其中离线型不断电系统常见为单相低容量产品,此类系统所具备的功能较少,售价也较低,较普遍应用于个人电脑与其周边设备上。然而该类不断电系统属热机待命型,因此当市电中断时,不断电系统须经过侦测、决定、及动作三个控制步骤,方能将电池电量经逆变器(inverter)作用投入负载使用。换言之,市电瞬断时,负载须承受4-12毫秒因系统转换所造成的断电时间。电源互动型不断电系统以逆变器的市电并联运转技术为基础进行设计,其逆变器同时负责电池充电及放电的电能转换工作。此类系统由于逆变器平常即与市电并联运作,因此可减少系统从断电到电池释能所需的转换时间。在线型不断电系统则先将市电电压整流成直流型式,并将直流电压与备用电池连结,再由逆变器二次转换为稳定可靠的交流电源输出给负载使用。使用在线型不断电系统,负载将完全不会感受到市电电压的变化,故可提供负载设备最佳的电力防护方案,在实际应用中,较常用于保护对电源品质要求较高的仪器设备上。对于三相大型不断电系统而言,其所接负载包括电脑、通讯设备、监视设备、防灾、重要照明及重要动力设备,由于工作区域常属不允许电压瞬断的操作环境,故常采在线型系统[1]。此时用户所关切的技术问题包括不断电系统的输入功率因数、电流谐波量、电池寿命及维护管理、系统容量及扩充与监控通讯功能的完整性等。其中功率因数及电流谐波量可由设计不同的整流器架构,搭配电力滤波器予以改善。电池寿命则由其操作环境、充放电技术及完善的管理系统所决定。系统容量及扩充,可采多机并联运转方式提高不断电系统的供电容量。值得注意的是,不断电系统的并联运转除有助于其未来在供电容量上的扩充外,对于整体系统运转可靠度的提升,也有相当助益[2]。监控通讯功能则可以发展网路UPS并采用阶层化的管理,以达到远端监控的目的。在本文中除对该并联技术进行介绍外,第二节将说明三相大型不断电系统的电力架构与运转模式;第三节分别探讨整流器输入级的设计考量;其中包含了滤波器的控制技术;第四节详述了电池的管理技术及设计考量;第五节则是逆变器设计及并联控制方法;第六节则为UPS的整体设计考量,如何提高系统的可用性;第七节则为UPS远端监控与管理;第八节则为结论。三相大型UPS的电力架构与运转模式目前三相大型不断电系统可分为动态型及静态型两类,其中动态型不断电系统利用飞轮及马达发电机组(MGSet)等机械储能原理抑制系统可能发生的输出电压变化,其主要缺点为输出电压及频率稳定度差、暂态反应时间较长、系统体积庞大、噪音较大、维护保养较为复杂等。随着电力电子技术的进步及功率半导体元件的发达,目前静态型不断电系统已被大家广为使用。若从电路架构进一步来分析,静态型三相大型不断电系统可分成Delta变换型及二次转换在线型(doubleconversion)两种。Delta变换型UPS的优点为效率高,但最大的缺点在于不断电系统输出频率会随着输入电源变化而变动,此意味着当输入电源频率不稳定时,UPS的输出频率也会随之变得不稳定。因此在电力品质不佳的地区或是UPS搭配紧急发电机使用时,此种架构的UPS即无法使用。而二次转换在线型UPS则没有此种缺点,由于系统输入端与输出端系采全隔离架构,因此输出电压及频率完全由逆变器独立控制。当市电频率异常时,逆变器的输出会以额定电压及频率自立运转(freerunning),因此大型UPS几乎都是属于二次转换在线型。图1大型UPS基本架构图图1所示是目前广泛应用于大型三相UPS的系统架构图,其主要组成有输入电抗器、相位控制整流器/充电器(rectifier/charger)、逆变器(inverter)、静态转换开关(StaticTransferSwitch,STS)、输出变压器、手动维修旁路开关及电池组。其基本运转模式有:(1)正常运转模式(normalmode)市电由输入端送入,经整流器转为直流电源供逆流器使用及同时对电池充电,逆流器把直流电源应用脉波调变技术转为一稳定而无杂讯的交流电源,以供各种负载使用,如图2(a)所示。(2)电池放电模式(batteryback-upmode)当市电停电时,电池立即提供直流电源供逆流器继续正常运作,所以输出端不会有断电的现象,如图2(b)所示。(3)备用电源供电模式(reservemodeorbypassmode)当逆流器遇到异常状况,如温度过高、超载、输出短路、输出电压异常等,逆流器会自动保护锁机。如此时市电的电源品质在合格范围内,UPS会自动将负载藉静态转换开关无间断地切换至备用电源,如图2(c)所示。(4)手动维护旁路供电模式(maintainbypassmode)当维护或保养时,先将UPS转为备用电源供电模式,利用先投入(CB4)再切离(CB3)(makebeforebreak)将负载不间断地转经由维护旁路开关(CB4)继续供电,最后切离CB1、CB2、FB。此时,UPS内部(除端子排及各开关外)全无电源,可确保维护人员的安全,如图2(d)所示。整流器输入级的设计考量(一)整流器及被动式滤波器在图1中L1、REC、LDC及CDC及相关的控制电路构成UPS的整流器/充电器。其中REC是由SCR组成的相位控制整流器,作为输出的电压及电流控制,一般是采6脉波(6-pulse)整流器架构;LDC及CDC是直流滤波器以减少直流的涟波电压;L1是输入的匹配变压器或电感器,依德国VDE的标准,应有5%的标么阻抗以减少因相位整流器在换向时所造成电压凹陷(linenotches)现象反馈至输入汇流排,造成输入侧电压波形失真,进而影响其他接在同一汇流排的设备。使用相控整流器的主要优点为:控制电路简单、低频切换效率高、可靠度高、适合用于大功率大电流的整流器。但其最大的缺点为由于整流器的非线性特性所产生的高电流谐波失真率及由于相控整流器须考量低市电电压输入时仍须维持稳定的直流输出而造成较低的输入功率因数。典型的6脉波整流器架构,其主要的谐波电流成分为5次及7次谐波,而其总谐波失真率约为30%。为了进一步降低相控整流器所产生的电流谐波,避免高谐波对汇流排上的其他设备产生不良的影响,一般来说可以用12脉波(12-pulse)整流器、被动式滤波器或主动滤波器(ActivePowerFilter,APF)来降低总谐波失真率。表1所示为6脉波整流器、12脉波整流器、6脉波整流器加被动滤波器及6脉波整流器加主动滤波器的比较表。表16脉波整流器、12脉波整流器及6脉波整流器加滤波器的比较表12脉波整流技术,其主要原理为采用两组相控整流器,其中一组输入系利用变压器将交流电压移相30度,各自整流后,再于直流侧予以合成,产生12步阶直流涟波效果。12脉波型整流电路所产生的谐波电流最低为11次及13次谐波,还高于6脉波型整流技术所产生的5次及7次谐波,且其总谐波含量也较6脉波型为低,其总谐波失真率约为10%。另鉴于12脉波型整流电路在实现时可能因两组整流器输入电流不相等而导致输入电流谐波量增加,在设计整流器控制系统时,也须加入一额外的均流控制回路。采用被动式滤波器除了可以有效降低输入电流谐波成分外,也可以提高输入功因因数。其主要原理为:在UPS的整流器输入侧并联LC谐波滤波器,藉由其制造低阻抗回路并联于谐波发生源,以有效吸收谐波含量达到滤波效果。至于谐波滤波器的设计方式可根据下式决定:其中fh为谐波频率、L为滤波电感、C为电容值。对于6脉波整流器可以采用5阶及(或)7阶型滤波器,12脉波整流器可以搭配11阶及(或)13阶滤波器使用。当UPS搭配被动式滤波器使用时,须注意评估在任何工作模式或条件下是否有谐波其振的风险,而且谐波滤波器的投入或切离应受到UPS的完全控制。例如在下列情况,UPS应自动将滤波器切离。(1)UPS工作于电池供电模式;(2)UPS工作于旁路模式;(3)UPS由发电机供电;(4)UPS空载或轻载时。(二)主动滤波器(APF)图3所示为并联式主动滤波器搭配UPS使用的架构图,它是由电流感测器、软启动电路、储能电感及电容器、IGBT功率元件及DSP数位控制器等所组成。图3并联式主动滤波器架构图图4所示为APF以DSP晶片来实现的全数位控制方块图[3]。APF的控制架构系采用电源电流控制(sourcecurrentcontrol)。其工作原理说明如下:回授负载电流(也就是UPS整流器输入电流)经过谐波抽取(harmonicextraction)运算后,分离成基波成分及谐波万分,谐波抽取器系采用移动平均控制器(movingaveragecontroller),可以快速的达成谐波分离。再经由模式选择单元(modeselectunit)可以让我们设定APF是工作在优先补偿谐波电流或是优先补偿功率因数,甚至还可以选择只补偿某些特定阶次的谐波。电压控制器是用来稳定DCBus电压;电流控制器是采用具有重复控制(repetitivecontrol)的比例积分(PI)控制器,用以改善响应速度降低输入电流谐波失真,而SVPWM的调变技术由于它的DCBus电压利用率较高,因此被采用在IGBT的驱动控制上。另外电流限制(currentlimitation)机制是用来限制APF的峰值及有效值电流以避免功率元件IGBT的损坏。图4主动滤波器DSP数位控制方块图图5所示为120安培的APF搭配200kVA的UPS,在UPS满载情况下实测的总电流谐波失真率约为3.5%。图5主动滤波器实测波形电池管理技术及设计考量在静态式不断电系统中,电池是目前最主要的储能元件,而铅酸电池因有较优的价格性能比,因此最为被大家所广泛采用。但一般铅酸电池的使用寿命仅约为3~5年,且与环境温度、充放电条件及放电次数有非常大的关系。其中减少电池放电机率、精确控制充电电压大小及降低其涟波振幅皆有助于提升电池的使用年限。为有效减少电池放电的机会,整流器设计须具备宽广的输入电压范围,市场上典型值为采输入额定电压±10%变动范围进行设计,对于电源品质不佳的地区,较佳的设计应采±20%的变动范围。此外,UPS具有良好的电池管理技术,不仅可以延长电池寿命、节省营运成本,更能提高整个系统的供电可靠度,避免市电异常时电池无法提供即时或足够的电力供应。先进的电池管理技术应包含下列几项:1.智慧型充放电控制UPS电池的充电方式应具有浮动充电(浮充)与均匀充电(均充)的功能,且充电系统须符合DIN41773国际规范。大型UPS电池组都是相当多数量的电池串接使用,因此当电池组使用一段时间后,由于每一颗电池内部的化学性质不完全相同所造成的电池内部阻抗差异会因充放电速度不同而产生不均匀的现象。此时如果充电动作仍继续进行,则已达饱和的电池即会被过度充电,而造成整串电池组的寿命及效率衰减。均充的主要目的就是当UPS电池组放电后,以一个较高的电压在一
本文标题:大型不断电系统的设计与规划
链接地址:https://www.777doc.com/doc-2547676 .html