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三相大功率UPS的五项新技术

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-02-02 1:30:58 * 浏览: 33
在过去的十年中,在大型和超大型数据中心,半导体以及其他行业的需求的驱动下,三相大功率UPS电源中出现了许多新的概念和创新。本文简要介绍了五种重要的新技术。三相大功率UPS电源主要用于数据中心和关键电源场景。它们目前广泛用于IDC,Colo,金融,电信,医疗,半导体,石油和石化,机场,铁路运输,电力和其他行业。经过近30年的市场推广和实际使用,用户对工业变频机,高频机,固定功率多合一机,模块化UPS等概念有了深刻的了解。在过去的十年中,受大型和超大型数据中心,半导体以及其他行业需求的驱动,三相大功率UPS电源中出现了许多新概念和创新。本文简要介绍了五种重要的新技术。 1三种工作模式(逆变器优先,旁路优先,超级旁路优先)(1)逆变器优先运行模式(双转换)如图1所示,从电气转换技术的角度来看,工业用高频机是高频机,则使用双转换在线技术,即在整流器逆变器对能量进行两次转换后,逆变器将提供电压精度为1%且谐波含量小于5%的正弦波交流电,以为负载供电。此操作模式也可以称为:逆变器优先操作模式(双重转换)。的逆变器优先模式的优点是输出电压精度高达1%。缺点是由于两个100%的能量转换。在正常的15%〜60%负载下,UPS效率仅降低88%〜95%。同时,电流每秒流经整流器逆变器的功率器件,使组件严重疲劳和老化,寿命缩短,导致UPS可用性降低。可用性是UPS的最重要要求。逆变器优先模式(双重转换)本身是一种低可用性操作模式。这是一个已经痛苦地认识了很多年的事实。有什么新主意吗?市电输出功率通常会绕过低功率备用UPS和在线交互式UPS,它们不保护IT负载吗?仔细研究会发现两点:IT负载实际上会影响交流电源。要求不高,允许电压为-20%/ + 10%,频率为40到70Hz,允许的中断时间为10到20ms。逆变器优先模式最引以为傲的1%输出精度实际上是毫无意义的。 ②今天,城市电网的可用性已经大大提高,城市10kV电网的可用性已达到99.94%(见表1)。这两个因素促使我们认识到,三相中高功率UPS实际上可以像低功率UPS那样选择旁路优先运行模式。实际上,早在2010年,各种制造商的三相UPS就允许用户选择以旁路优先模式工作,即ECO模式(经济模式)。 (2)旁路优先运行模式(ECO模式)2如图2所示,在正常情况下,UPS在静态旁路中优先运行,市电直接为负载供电。当旁路电压超过设置窗口范围时,它将切换到逆变器输出模式。此模式的优势是效率为99%。缺点是城市直接供电会产生双向*,输入功率因数和输入谐波电流指标很差。更重要的是,当需要将旁路故障切换回逆变器模式时,将发生4-20ms的切换时间,这在某些情况下会导致负载中断,从而大大降低UPS的可用性。在这种情况下,是否要找到一种不仅具有高可用性,而且还可以提高运行效率的运行模式,同时性能指标参数也可以满足负载要求,已经成为R&R的重要目标。 D各种厂家。 (3)超旁路优先模式(E转换模式)施耐德有限公司获得超旁路优先模式(E的专利)如图3所示,正常情况下,逆变器与旁路市电并联工作,等效于有源滤波器。逆变器提供谐波电流和无功功率,旁路市电电路提供基本电流。电流和有功功率。输出电压由旁路决定。这种模式的优点是流经整流器和逆变器功率器件的电流很小,组件略有疲劳和老化,寿命得以延长,UPS可用性得到提高。由于逆变器已并联运行,因此当旁路市电超出窗口范围时,系统将在0ms内切换回逆变器以工作。切换失败时,切换时间不会很长。该模式的效率高达98.8%,仅次于ECO模式。另外,由于可控旁路电路仅提供基本电流和有功功率,因此输入功率因数为0.99,输入谐波电流lt为5%。目前,主流一线品牌生产商在三相大功率UPS系列上具有与E转换技术类似的运行模式,供用户选择。 2多级逆变器技术工业变频器和早期的高频机都使用两级逆变器技术。如图4所示。工业变频器采用变压器AC Boost技术。工频机一般配备32个12V电池,浮空状态下的直流母线电压为432V,该电压低,只能逆变160V交流电。因此,在逆变器的背面使用了升压型电源变压器,以输出220 / 380V交流电源。逆变器电源设备的电源电压为432V,相对较低。可以使用800V IGBT耐压来满足要求。高频机采用DC / DC直流升压技术。高频机通常配备40至64个电池。为了消除变压器并确保逆变器可以直接逆变220V / 380V交流电源,高频机在整流器之后增加了IGBT DC / DC升压链接,使两路电源的直流母线电压在前端平面逆变器达到800V。这样,逆变器功率器件的电源电压为800V,需要1500V IGBT耐压才能满足要求。通过研究功率器件(例如场效应晶体管和IGBT)的故障率曲线,发现耐压为1500V的功率设备的功率故障时间是耐压为800V的功率设备的时间。这样,研发人员打算降低功率设备的压力,并选择理论上具有低耐压值的功率设备,以提高逆变器的可用性。用户体验实践还证明,商用变频器比两级高频变频器具有更高的可用性。为了提高高频机的可用性,业界已经开发了三电平四电平逆变器。如图5所示,三电平逆变器功率设备的压力为400V,低于工频机。四级逆变器功率设备的电压为266V(见图6),远低于工频机的432V。施耐德于2010年获得了四电平逆变器技术的专利。该技术的应用不仅提高了逆变器的可用性,而且还提高了UPS效率,达到96.5%。那么五级和六级逆变器的可用性更高吗?答案不是这样,因为级别数越多,逆变器所需的功率器件就越多,从而使逆变器出现故障。更多的可能性。因此,需要在耐压值和功率器件数量之间找到合理的平衡。实践证明,在世界范围内运行的成千上万的四电平逆变器的可用性要比传统的工频机好得多。 3具有新物理架构的大功率并行系统半导体行业中的大型数据中心和大型用户通常会构建功率在1500kW及以上的UPS系统,这需要使用多种UPS并行系统架构。众所周知,并行电气架构有两种类型事实:多个UPS直接并联,而多个静态UPS并联。有两种类型的并行物理体系结构。如图7(a)所示,并联物理结构1是传统的多台单机,通过外部配电柜和电缆并联连接。总共需要7个外部配电柜和多套电缆。每个UPS具有四个交流和直流断路器以及四组交流和直流电缆,例如主输入,旁路输入,UPS输出和电池电路,这使UPS系统的运行变得复杂,从而降低了可用性并匹配了配电机柜和电缆。成本高,现场施工环境要求高,现场施工人员技术要求高,施工周期长。为了解决上述问题,必须采用新的集成式预制物理结构并行系统。如图7(b)所示,并行物理结构2是多个电源柜和输入/输出I / O柜通过外部主配电柜和主电缆并联连接。总共需要四个配电柜和少量电缆。每个UPS电源柜都集成了自动控制的接触器和保险丝,主输入,旁路输入,主输出和电池总线的铜背板也集成并预制在UPS内,并连接到通用I / O柜。 UPS不再需要配备四个分支断路器和四个组件电缆。新的并行物理结构简化了整个UPS系统,并简化了打开和关闭的操作。铜条连接使输出阻抗一致。这些特性有利于提高UPS系统的可用性。新的并行机在电气架构中还包括一个常见的1500kW静态旁路。长期以来,这种电气架构已被证明具有比并联直接连接的多个UPS的普通电气架构更高的可用性。减少了外部匹配的配电柜和电缆。新的并行机物理结构实际上是模块化并行机体系结构,可以根据用户需求增加或减少电源柜。当前,市场上的功率柜通常为200-300kW。更大的灵活性和适应性。施耐德公司于2003年首次在单系统高达1600kW的MW系列UPS中使用了类似的并行物理架构,并于2016年将其改进为单系统高达1500kWN +1的VX系列UPS。4兼容的锂电池。让锂电池帮助我们赚钱。我们知道,由于普通铅酸电池大约每3至4年更换一次,因此在三相大功率UPS系统的10至12年完整生命周期中,用户会花在电池系统上。上面的钱甚至超过了UPS主机。实际上,UPS每秒都在使用中,其输出正在发挥其价值,一年内电池只有1.22次放电机会,放电时间可能只有几分钟(在配套发电机系统的情况下) 。可以看出,在传统模式下,我们对电池系统的利用率太低。由于电动汽车和储能行业的驱动,锂电池的成本在2018年已降至1.1至1.4元/ Wh,而铅酸电池的成本为0.7元/ Wh。在可见的1至2年中,锂电池的价格将与铅酸电池的价格相同。许多UPS系列声称与锂电池兼容,但实际上存在很大差异。一种兼容性是将锂电池用作普通铅酸电池。这种兼容性没有任何意义,锂电池的价格只能享受铅酸电池的好处,而且物有所值。兼容性的另一种类型是使用锂电池作为锂电池,以真正利用锂电池的特性并发挥其优势。与铅酸电池相比,锂电池具有电性能的优点:快速充电和快速放电,循环寿命高达6000到10,000次。 ①快速释放。电池的容量取决于放电时间。 tra普通铅酸电池100Ah通常基于20h放电。在大功率UPS通常需要的15分钟延迟时间内,100Ah铅酸电池只能放电约30Ah容量,而100Ah锂电池只能放电90Ah容量。显然,大功率UPS常用的5-30min延迟时间范围是锂电池的世界,只有将25%至40%的铅酸电池容量配置为可实现相同的延迟时间。在这种情况下,锂电池系统的价格甚至将具有优势。如果与凝胶电池相比,锂电池的价格更为明显。 ②快速充电。为了更好地与锂电池兼容,新的UPS充电功率已从传统的10%大大提高到20%到35%,40%甚至80%。这样增加了UPS充电器和整流器的成本,但可以使锂电池一天内快速多次充放电,以达到利用峰谷电价差来节省运行电费的目的。普通的UPS充电功率不足,无法利用锂电池可以快速充电的特性。 ③循环寿命为6000〜10000次。正如我们之前所说,在正常情况下,即使每年增加两次电池充放电,每年的电池总放电次数也只有4倍。