通信動(dòng)力系統(tǒng)UPS的概述及配置計(jì)算

2020-07-21 09:58:46吉志明

通信電源技術(shù) 2020年8期

吉志明

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

0 引言

UPS（Uninterruptible Power Supply）是指不間斷電源系統(tǒng)，不僅能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)電源，而且當(dāng)系統(tǒng)停電后能夠確保系統(tǒng)可以繼續(xù)正常工作，避免系統(tǒng)突然停電而丟失數(shù)據(jù)、影響工作或造成事故[1]。UPS同時(shí)連接負(fù)載和輸入電源，當(dāng)系統(tǒng)正常供電時(shí)，在逆變器和整流器的作用下，可為重要負(fù)載提供穩(wěn)頻、穩(wěn)壓、優(yōu)質(zhì)的電源，而不被電網(wǎng)中的瞬間電壓波動(dòng)、電涌、頻率偏移、線路噪聲等“污染”干擾，同時(shí)整流器向蓄電池組充電；當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，蓄電池組電能通過逆變器為負(fù)載繼續(xù)供電。

1 UPS的組成及工作原理

以UL31系列UPS為例，其組成主要包括：ACDC-AC變換主回路（由逆變模塊INV和整流模塊REC組成）、旁路靜態(tài)開關(guān)（反向并聯(lián)可控硅）、TR2（輸出隔離變壓器）、Q3BP（維修旁路空開）、逆變靜態(tài)開關(guān)、輸人空開、輸出空開及蓄電池組等。該UPS配備有輸出隔離變壓器，具有高頻雙變換功能，采用了全數(shù)字控制技術(shù)，因此可直接加入至設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。圖1為UL31系列UPS的組成。

圖1 UL31系列UPS的組成

在UL31系列UPS結(jié)構(gòu)中各部件的主要功能如下。

主回路上的Q1：負(fù)責(zé)外網(wǎng)主路電源輸入的控制。

整流模塊：將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC），通過整流器后為負(fù)載或蓄電池組供電；還可通過逆變模塊DC/AC轉(zhuǎn)換，將蓄電池或整流模塊提供的直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源，再經(jīng)隔離變壓器后輸出。

蓄電池組：蓄電池組是由多個(gè)電池串聯(lián)組成，用來(lái)存儲(chǔ)和提供電能。當(dāng)電網(wǎng)正常供電時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存，當(dāng)電網(wǎng)停止供電后的一段時(shí)間內(nèi)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能繼續(xù)為系統(tǒng)供電。UPS的供電持續(xù)時(shí)間由蓄電池組的容量大小決定。當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，蓄電池組經(jīng)逆變器為負(fù)載供電，也可以由外輸臨時(shí)電源通過旁路回路經(jīng)靜態(tài)開關(guān)為負(fù)載供電。當(dāng)UPS處于檢修維護(hù)狀態(tài)時(shí)，可接通Q3BP開關(guān)來(lái)開通旁路，以確保負(fù)載的持續(xù)供電。電網(wǎng)主電源經(jīng)空氣斷路器Q1、熔斷器、自藕變壓器進(jìn)入到高頻六管整流器，三相交流電通過整流、功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的直流電，由于電路控制采用了DSP實(shí)時(shí)處理及延時(shí)軟啟技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字通訊與控制，具有很高的抗外網(wǎng)沖擊能力，使得直流電源質(zhì)量更加穩(wěn)定，有效降低了蓄電池組使用壽命受充電紋波的影響。在直流母線與蓄電池組之間設(shè)有接觸器，只有當(dāng)直流母線電壓高于一定閥值時(shí)該接觸器才會(huì)導(dǎo)通，電流再經(jīng)過直流濾波電路提供給逆變器。

逆變靜態(tài)開關(guān)：由兩個(gè)可控硅反向并聯(lián)而成，由于開關(guān)結(jié)構(gòu)無(wú)觸點(diǎn)，故稱為靜態(tài)開關(guān)。靜態(tài)開關(guān)屬于交流開關(guān)，有并機(jī)型、轉(zhuǎn)換型兩種，通過邏輯控制器實(shí)現(xiàn)斷開和閉合的控制[2]。逆變器與電網(wǎng)并聯(lián)供電系統(tǒng)中采用并機(jī)型靜態(tài)開關(guān)。在多路電源供電網(wǎng)絡(luò)中采用轉(zhuǎn)換型靜態(tài)開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)各路供電電源的自動(dòng)切換。

2 蓄電池組技術(shù)要求

2.1 蓄電池組的使用要求

雖然蓄電池組內(nèi)環(huán)境是免維護(hù)的，但仍須做到如下5點(diǎn)。（1）合適的環(huán)境溫度，過高或過低的環(huán)境溫度均會(huì)影響蓄電池組的使用壽命和性能。例如，過低的環(huán)境溫度會(huì)顯著降低蓄電池組的可利用容量；環(huán)境溫度過高，蓄電池組的使用壽命明顯縮短。（2）UPS電網(wǎng)系統(tǒng)通常較少發(fā)生斷電情況，這種情況下，蓄電池組長(zhǎng)期處于擱置狀態(tài)，同樣會(huì)影響蓄電池組的使用壽命。因此，應(yīng)定期（每隔3個(gè)月）對(duì)蓄電池組進(jìn)行人為放電/充電，放電量應(yīng)為蓄電池組現(xiàn)有容量的70%～80%。（3）確保VRLA的密封性能。安全閥的作用是：當(dāng)電池內(nèi)部氣體壓強(qiáng)低于外部壓強(qiáng)時(shí)，安全閥關(guān)閉，良好的密封可有效防止外部氣體吸入；當(dāng)內(nèi)部氣體壓強(qiáng)升高并超過安全閥設(shè)定值時(shí)，安全閥自動(dòng)打開并降壓。通常安全閥的開啟壓力為10～35 kPa，關(guān)閉壓力為3～30 kPa。（4）新舊蓄電池不能混合使用。這是由于舊電池在使用過程中，其內(nèi)阻會(huì)隨其壽命的衰減而增大，當(dāng)新舊電池混合使用時(shí)，充電過程中，由于新舊蓄電池內(nèi)阻差較大，就會(huì)產(chǎn)生較大的分壓，從而造成過電壓充電，對(duì)蓄電池使用壽命造成嚴(yán)重?fù)p害。又由于新電池的內(nèi)阻較小，通過新電池的電流偏大，易產(chǎn)生充電過電流，從而損害蓄電池的可用容量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成電池內(nèi)部短路而使電池?fù)p壞。因此，蓄電池組應(yīng)選用同廠家、同批次、性能相近的電池（5）蓄電池組投入使用前需對(duì)其進(jìn)行一次補(bǔ)充充電。

2.2 蓄電池組容量測(cè)試

蓄電池組補(bǔ)充充電完成待投入使用前，還需對(duì)蓄電池組進(jìn)行容量檢測(cè)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)作為日后UPS系統(tǒng)維護(hù)的參考依據(jù)。蓄電池組放電，每隔一段時(shí)間測(cè)量和記錄蓄電池組的放電時(shí)間、端電壓及環(huán)境溫度，間隔時(shí)間長(zhǎng)短與蓄電池組的率容量有關(guān)，并且在電池組的放電末期應(yīng)適當(dāng)縮減間隔時(shí)間，以便測(cè)得蓄電池組的準(zhǔn)確放電終止時(shí)間。須反復(fù)充放電并測(cè)試3次以上，詳細(xì)記錄所測(cè)數(shù)據(jù)。蓄電池組容量為：

其中：t為測(cè)試環(huán)境溫度；K為溫度系數(shù)。

測(cè)試過程中，若環(huán)境溫度不是標(biāo)準(zhǔn)要求的25 ℃，需對(duì)Ce進(jìn)行基準(zhǔn)溫度的換算。

3 UPS容量配置計(jì)算的影響因素

3.1 UPS所供負(fù)載類型

由UPS供電的負(fù)載類型較多，而且多為多種類型負(fù)載由同一套UPS供電，不同類型的負(fù)載對(duì)UPS容量配置會(huì)產(chǎn)生不同的影響。如阻性負(fù)載、容性負(fù)載和感性負(fù)載的功率因數(shù)與匹配系數(shù)均有所差異：阻性負(fù)載和感性負(fù)載的功率因數(shù)取值為1，而容性負(fù)載功率因數(shù)則通常取0.6～0.7；匹配系數(shù)取值時(shí)，容性負(fù)載取1，阻性負(fù)載通常取0.7，感性負(fù)載通常取0.3。因此在對(duì)負(fù)載容量進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)首先對(duì)每種類型的負(fù)載功率進(jìn)行折算。

其中：S為視在功率；P為有功功率；K1為匹配系數(shù)；COSφ為功率因數(shù)。

3.2 UPS工作環(huán)境

在UPS環(huán)境因素中以溫度影響最為明顯，因此需要嚴(yán)格控制系統(tǒng)的環(huán)境溫度，通?？刂圃?0 ℃左右，并確保設(shè)備擁有良好的通風(fēng)、散熱條件。除此之外，海拔也對(duì)UPS容量有一定影響，一般海拔每增加1 000 m，UPS容量需降低5%。

3.3 UPS容量使用率

通常負(fù)載的功率值呈非線性，若UPS容量較小，當(dāng)負(fù)載總電流峰值較大時(shí)，UPS長(zhǎng)期大電流供電，其輸出電流易產(chǎn)生波形，使得供電可靠性降低，影響系統(tǒng)安全。通常UPS容量使用率應(yīng)不超過0.8。

4 UPS的選型及蓄電池配置

GB50052—1995《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的強(qiáng)制性條文中規(guī)定：一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，除由兩個(gè)電源供電外，尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源。而生產(chǎn)裝置的操作及重要設(shè)備等都由UPS電源供電[3]。

4.1 電源法

采用電源法計(jì)算蓄電池組的容量是所有常用方法中最為準(zhǔn)確的一種方法，采用該方法計(jì)算時(shí)，所得到的蓄電池組配置容量最大，因此多用于重要系統(tǒng)的蓄電池組容量配置選型計(jì)算[4]。由于電源法考慮進(jìn)了蓄電池組工作時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果的環(huán)境條件等影響因素，特別是環(huán)境溫度對(duì)蓄電池組容量的影響，即使環(huán)境溫度差異較大，采用該方法也能夠準(zhǔn)確地算出電池組容量。

電源法計(jì)算方法為：

其中：Q為蓄電池組的計(jì)算容量；K為安全系數(shù)，通常取1.25；I為輸出電流；T為蓄電池組的總放電時(shí)間；t為蓄電池組環(huán)境溫度最低值；ɑ為蓄電池組溫度系數(shù)；η為電池組放電容量系數(shù)。

4.2 恒功率法

根據(jù)能量守恒定律，蓄電池組的輸出功率應(yīng)略大于負(fù)載的消耗功率，只要算出負(fù)載功率，便容易算得蓄電池組輸出功率。因此采用功率法可快速的計(jì)算出蓄電池組的配置容量，此方法也是最常用的計(jì)算方法。計(jì)算雖然方便快捷，但準(zhǔn)確度受到蓄電池后備時(shí)間、電池折舊、環(huán)境溫度等因素的影響較大，通常只適用于后備時(shí)間在1 h之內(nèi)、蓄電池組運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定、電池較新等情況，能夠較為準(zhǔn)確計(jì)算出結(jié)果。

此外，不同等級(jí)和容量的蓄電池組恒功率與其容量值不具有線性關(guān)系，因此電壓等級(jí)或電池容量不同時(shí)不能直接進(jìn)行簡(jiǎn)單的容量轉(zhuǎn)換來(lái)計(jì)算，需要分別根據(jù)各自的恒功率數(shù)據(jù)重新計(jì)算配置。蓄電池不同放電階段下的放電功率有所差異，這就需要計(jì)算不同時(shí)間下的功率值數(shù)據(jù)，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4.3 恒流法

采用恒流法計(jì)算蓄電池組配置方案比較便捷，適用于各種品牌、各種等級(jí)的蓄電池。該方法以蓄電池組的容量換算系數(shù)及標(biāo)稱電壓為基礎(chǔ)，在相應(yīng)的放電時(shí)間內(nèi)粗略的計(jì)算出蓄電池的容量。計(jì)算公式為：

其中：V標(biāo)為標(biāo)稱電壓；μ為容量換算系數(shù)。

4.4 估算法

估算法適用于各種品牌蓄電池，通常當(dāng)在未指定具體蓄電池組品牌的情況下可行采用該方法。由于各種品牌的蓄電池組放電速率差異并不大，利用蓄電池組的放電速率及最大電流可以計(jì)算出蓄電池組配置方案。放電速率是蓄電池在出廠前試驗(yàn)室測(cè)得的數(shù)據(jù)，是各品牌生產(chǎn)廠家給出的試驗(yàn)值，并不代表蓄電池組任一階段的放電速率，因此利用放電速率只能計(jì)算出蓄電池組放電速率與后備時(shí)間相對(duì)應(yīng)下的容量配置。通常實(shí)際配置=計(jì)算容量配置×（0.75～0.8）。