三相大功率UPS電源主要運行在數據中心與關鍵電源兩種場景,目前在IDC、Colo、金融、電信、醫療、半導體、石油石化、機場、軌道交通、電力等各行業得到廣泛應用。經過近三十年的市場推廣與實際使用,用戶對工頻機、高頻機、固定功率一體機、模塊化UPS等概念已經有了深刻的理解。
近十年來,在大型及**大型數據中心、半導體等行業需求的推動下,三相大功率UPS電源出現了很多新的理念與創新。本文對其中重要的五大新技術做簡單介紹。
如圖1所示,工頻機高頻機從電氣變換技術角度來看,都是采用的雙變換在線式技術,即能量經過整流器逆變器兩次能量變換后,由逆變器提供電壓精度為1%、諧波含量小于5%的正弦波交流電給負載供電。這種運行模式也可以稱為:逆變器優先運行模式(雙變換)。
逆變器優先模式的優勢是輸出電壓精度高達1%。劣勢是由于能量的兩次**轉換,在正常15%～60%負荷下,UPS整機效率較低僅88%～95%。同時電流每秒鐘都流經整流器逆變器的功率器件,元器件疲勞老化嚴重,壽命降低,導致UPS可用性降低。而可用性才是用戶對UPS的較重要需求。
逆變器優先模式(雙變換)本身就是一種低可用性的運行模式。這是這么多年以來才痛苦認識到的一個事實。
有沒有新的思路?小功率的后備式UPS和在線互動式UPS正常情況下是旁路市電輸出供電,不是也保護了IT負荷嗎?
IT負荷其實對交流電的要求不高,允許電壓-20%/+10%,頻率40～70Hz,允許中斷時間10～20ms。逆變器優先模式較為驕傲的1%輸出精度其實沒有意義。
今天市電電網的可用性得到了很大提高,城市10kV電網可用性達到99.94%(見表1)。這兩個因素促使我們認識到三相中大功率UPS其實也可以和小功率UPS一樣選擇旁路優先運行模式。事實上早在2010年,各廠家三相UPS就允許用戶選擇工作在旁路優先模式,即ECO模式(經濟模式)。
如圖2所示,在正常情況下,UPS優先運行在靜態旁路,由市電直接給負載供電。當旁路電壓**出設定窗口范圍時,會切換到逆變器輸出模式。該模式的優勢是效率高達99%。劣勢是由于市電直供,會產生雙向*,輸入功率因數輸入諧波電流指標較差。更重要的是,當旁路故障需要切換回逆變器模式時,會出現4～20ms的切換時間,某些情況下會造成負載運行中斷,較大地降低了UPS的可用性。
在這種情況下,能否找到一種運行模式,既有高可用性,還能提高運行效率,同時性能指標參數也能滿足負載要求,就成為各廠家研發的重要目標。
2012年獲得了**級旁路優先模式(E變換)的專利。如圖3所示,正常情況下,逆變器與旁路市電并聯工作,相當于有源濾波器,逆變器提供諧波電流和無功功率,旁路市電回路提供基波電流和有功功率。輸出電壓由旁路決定。這種模式的優勢是整流器和逆變器的功率器件流過的電流較小,元器件疲勞老化輕微,壽命延長,UPS可用性提高。由于逆變器一直在并聯運行,當旁路市電**出窗口范圍時,系統會0ms切換回逆變器工作,不存在切換失敗切換時間長的問題。該種模式效率高達98.8%,僅次于ECO模式。另外,由于可控制旁路回路只提供基波電流和有功功率,因此輸入功率因數0.99,輸入諧波電流<5%。
目前主流*品牌廠家在三相大功率UPS系列上均與E變換技術類似的運行模式,供用戶選擇使用。
工頻機和早期的高頻機均采用兩電平逆變器技術。如圖4所示。
工頻機采用變壓器交流升壓技術。工頻機一般配置32只12V電池,浮充狀態下直流母線電壓432V,較低,只能逆變出160V交流電,只好在逆變器后端采用升壓工頻變壓器,輸出220/380V交流電。逆變器功率器件的承壓為432V,較低,選用800V耐壓值的IGBT即可滿足要求。
高頻機采用DC/DC直流升壓技術。高頻機一般配置40～64只電池,為取消變壓器,**逆變器可以直接逆變出220V/380V交流電,高頻機在整流器后增加了一個IGBT的DC/DC升壓環節,使得兩電平逆變器前端的直流母線電壓達到800V,這樣逆變器功率器件的承壓為800V,需要選用1500V耐壓值的IGBT才能滿足要求。
通過研究場效應管和IGBT等功率器件的失效率曲線,發現1500V耐壓值的功率器件其失效率數倍于800V耐壓值的功率器件。這樣,研發人員意到降低功率器件的承壓從而選擇低耐壓值的功率器件理論上可以提高逆變器的可用性。用戶體驗實踐也證明工頻機逆變器比兩電平高頻機的逆變器可用性高。為改善高頻機的可用性,業內研發了三電平四電平逆變器。
如圖5所示為三電平逆變器功率器件的承壓為400V,低于工頻機。
四電平逆變器功率器件的承壓為266V(見圖6),遠低于工頻機的432V。
2010年獲得了四電平逆變器技術的專利。該技術的運用,不但提高了逆變器的可用性,還提高了UPS效率,達到96.5%。
那么是否五電平、六電平逆變器的可用性會更高呢,答案不是這樣的,因為電平數越多,逆變器需要的功率器件的數量就越多,使得逆變器出故障的可能性增多。因此,需要在功率器件的耐壓值和數量上找到合理的平衡。實踐證明運行在**范圍內的數萬臺四電平逆變器可用性大大優于傳統的工頻機。
大型及**大型數據中心及半導體行業的用戶,經常會搭建功率為1500kW及以上的UPS系統,這就需要采用多臺UPS并聯的系統架構。并機電氣架構大家都知道有兩種,多臺UPS直接并機,和公用靜態旁路的多臺UPS并機。
而并機物理架構目前也發展出有兩種。
如圖7(a)所示并機物理結構1,為傳統的多臺單機通過外部配電柜和電纜進行并聯,總共需要7個外部配電柜和多組電纜。每臺UPS都有外配的主輸入、旁路輸入、UPS輸出、電池回路等四把交直流斷路器和四組交直流電纜,使得UPS系統操作復雜造成可用性降低、配套的配電柜和電纜成本高、對現場施工環境要求高、對現場施工人員技術要求高、施工工期長。
為解決上述問題,必須采用新的集成化預制化的物理結構的并機系統。
如圖7(b)所示位并機物理結構2,為多臺功率柜和輸入輸出I/O柜通過外部主配電柜和主電纜進行并聯,總共需要4個配電柜和少量電纜。每臺UPS功率柜內部集成了自動控制的接觸器和熔斷器,內部還集成和預制了主輸入、旁路輸入、主輸出和電池母線的銅排背板與公共的I/O柜連接,每臺UPS不再需要外配四把分斷路器和四組分電纜。
新型的并機物理結構簡化了整個UPS系統,簡化了開關機操作,銅排連接使得輸出阻抗一致性高,這些特點都有利于提高UPS系統的可用性。
新型的并機在電氣架構上還包括了公用的1500kW靜態旁路,這種電氣架構早就被證明可用性**普通的多臺UPS直接并機的電氣架構。減少了外部配套的配電柜和電纜。
新型的并機物理結構其實也是模塊化的并機架構,可以根據用戶需求增減功率柜,目前市場上的功率柜一般為200～300kW。靈活性與適應性更高。
2003年在單系統較大可達1600kW的MW系列UPS使用了類似的并機物理架構,并于2016年改良后運用到了單系統較大可達1500kW的N+1的VX系列UPS產品上。
計算可知,由于普通鉛酸蓄電池大約每3～4年更換一次,在三相大功率UPS系統10～12年全生命周期過程中,用戶花在電池系統上面的錢甚至**過UPS主機。事實上UPS每秒鐘都在使用都在出力都在發揮價值,而電池一年只有1.22次放電機會,而且放電時間可能只有幾分鐘(在配套發電機系統的情況下)。可見傳統模式下,我們對電池系統的利用太低了。
由于電動汽車和儲能行業的驅動,2018年鋰電池的成本已經降低到1.1～1.4元/Wh,而鉛酸電池的成本為0.7元/Wh。在可見的1～2年內,鋰電池的價格將會與鉛酸電池齊平。
很多UPS系列都號稱可以兼容鋰電池,但實際上有較大差異。一種兼容是把鋰電池當普通鉛酸電池用。這種兼容沒有任何意義,花了鋰電池的價格只享受到鉛酸電池的好處,得不償失。
