飛輪UPS的技術原理及應用

提到飛輪動態(tài)UPS,可能很多工程技術人員對此比較陌生。為了對動態(tài)UPS有進一步的了解,以下簡單介紹一下UPS的發(fā)展歷程。

UPS從最初的飛輪發(fā)電機到今天,已經(jīng)度過了40多個春秋,由單一旋轉(zhuǎn)發(fā)電機式發(fā)展到今天的多功能旋轉(zhuǎn)發(fā)電機式、靜止變換式、旋轉(zhuǎn)靜止結合式三大類。最早的UPS原本是用途廣泛的電力保障設備,隨著半導體技術和電力電子技術的進步和發(fā)展,誕生了比第一代旋轉(zhuǎn)式UPS更為先進的靜止變換式UPS。最初的靜止變換式UPS其功率器件由晶閘管制成,并在大、中容量UPS中得到了廣泛應用。MOS功率管普遍地應用在中小容量的UPS中,但這種功率管難以達到高電壓、大電流,其飽和壓降大于晶體管,于是兼具前兩者優(yōu)點的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)應運而生,促使UPS的逆變技術更趨成熟。但IGBT有寄生電流擎住效應,在一定程度上限制了其使用。

1 UPS的分類

(1)靜態(tài)UPS

靜止式UPS分為在線式和后備式。這兩種UPS的結構大致相同,其主體結構都包括整流(充電)器、蓄電池、逆變器和轉(zhuǎn)換開關等4個部分。二者的區(qū)別在于工作方式不同:在線式UPS的逆變器自始至終都在工作,而后備式UPS只有在供電異常時才啟動逆變器。后備式UPS供電質(zhì)量雖然差,但其效率高,價格低廉,多用于家庭及對電網(wǎng)要求不高的場所。在線式UPS供電質(zhì)量相對要高,但價格貴得多,因此多用于精密設備、網(wǎng)絡領域及特殊供電要求的場所。而互動式UPS兼顧了前兩者某些優(yōu)點,效率高、轉(zhuǎn)換時間短、性能價格合理,逐漸得到用戶的認可。隨著市場競爭的日趨嚴峻,不同廠家根據(jù)用戶的特殊要求而設計了不同應用場合的UPS,如郵電專用型、電站專用型、鐵路專用型、油田專用型等。

(2)動態(tài)UPS

動態(tài)UPS的不間斷供電是依靠旋轉(zhuǎn)部件釋放動能實現(xiàn)的。動態(tài)UPS與靜態(tài)UPS在技術上各有所長,以不同的技術方式實現(xiàn)對重要負載的不間斷供電。動態(tài)UPS彌補了靜態(tài)變換式UPS的不足(需配套大量的蓄電池)。動態(tài)UPS結合自身的顯著特點,經(jīng)過幾十年不斷的發(fā)展和改進,在大功率UPS市場已經(jīng)獨樹一幟。動態(tài)UPS相比靜態(tài)UPS,單機效率高，優(yōu)勢明顯，功能強大，具備了集成化的電源解決方案。由于其結構緊湊，可靠性高，因此隨著功率應用的增高，其高效率產(chǎn)生的經(jīng)濟效益更加突出。因此在大功率UPS國際市場上得到了廣泛應用。

2 飛輪儲能UPS供電系統(tǒng)描述

那么到底什么是飛輪旋轉(zhuǎn)動態(tài)UPS呢？其技術原理是怎樣的?有哪些優(yōu)點呢？

美國Active Power飛輪儲能UPS屬于在線式UPS的一種,它集傳統(tǒng)在線式UPS和動態(tài)UPS二者技術特點于一身。以下以其為例介紹這種UPS的構成、特點及工作原理。

飛輪儲能UPS由輸入保險、輸入接觸器、靜態(tài)開關、在線電感器、輸出接觸器、逆變器、濾波電感器、飛輪、旁路等組成。Active Power UPS核心技術為飛輪儲能技術,擁有35項美國專利。飛輪和電機系統(tǒng)密封在真空容器內(nèi),能量蓄滿時飛輪轉(zhuǎn)速高達7700r/min,如圖1所示。動態(tài)飛輪UPS可以提供優(yōu)質(zhì)電源,確保精密的儀器設備和生產(chǎn)線免受毫秒級電網(wǎng)波動的影響,減少數(shù)據(jù)通信中的高誤碼率。

圖1 飛輪UPS的旋轉(zhuǎn)部分

UPS在市電出現(xiàn)波動時,由于飛輪的慣性能補償短時間的電壓突變,保證了輸出電壓的穩(wěn)定。在市電中斷時,由于飛輪的慣性將動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?滿載時可維持額定電壓12s,在此期間發(fā)電機自動起動帶載,恢復對重要負載的正常供電。其不間斷供電工作過程如圖2所示。

圖2 飛輪儲能UPS的不間斷供電工作過程

3 飛輪UPS的工作原理及運行模式

飛輪UPS內(nèi)部的拓撲結構是目前市場上并不常見的在線互動式,具體結構如圖3所示。在正常情況下,電源經(jīng)過輸入接觸器在濾波電感的作用下濾除有害的高次諧波,然后直接通過輸出接觸器直接輸出給負載,在此過程中對電壓進行調(diào)節(jié),保證滿足負載要求。

圖3 飛輪UPS工作原理和拓撲結構

Active Power UPS采用飛輪動態(tài)儲能技術,能大大改善電能質(zhì)量,完全零切換,電能回充時間短,特別適合防止瞬時波動?？蓱獙﹄娫吹母鞣N異常,保障設備正常工作。

4 各種電力意外情況下UPS工作過程

4.1 電壓驟降和瞬時中斷

(1)電壓一旦驟降或中斷,DSP能在瞬間測出。

(2)輸入電壓在220(l±l0%)之內(nèi)時,不耗用飛輪能量。

4.2 諧波

(1)基于DSP技術測出負載的諧波電流,通過IGBT逆變器和濾波電感構成的電力有源濾波系統(tǒng)實時地向系統(tǒng)注入反向等量的補償電流,以達到消除諧波和進行無功補償?shù)哪康摹?/P>

(2)負載諧波不會在輸入側出現(xiàn)。

(3)輸入側無需脈沖整流濾波器,便于和同容量的柴油發(fā)電機組整合使用。

4.3 功率因數(shù)及電壓波動

(1)通過無功電流在輸入側以及在電感和逆變器之間的流動,將輸出電壓波動幅度控制在±2%之內(nèi),并使輸入側功率因數(shù)達0.99。

(2)在額定輸入電壓時沒有有功電流的交換。

(3)負載的超前和滯后電流由市電逆變器提供(無功電流的大小取決于輸入和輸出的電壓差)。

(4)負載的有功功率由市電輸入提供。

4.4 浪涌、尖峰及其它毛刺*

(1)使用高能瞬態(tài)電壓浪涌抑制器(TVSs)和大容量在線電感進行過濾。

(2)瞬態(tài)能量通過逆變器被直流電容吸收,從容應對6000V以上的瞬間高壓。

4.5 頻率輸出

頻率波動頻率超出特定窗口時,在線的靜態(tài)開關自動關斷,由飛輪放電來提供穩(wěn)定的頻率輸出。

4.6 長時間電力中斷

(1)對于持續(xù)、長時間的電力波動,通常將Active Power UPS和發(fā)電機組整合使用以提供不間斷電源。

(2)輸入側無整流濾波器,總畸變4%。

(3)保護發(fā)電機組免受瞬態(tài)影響。

(4)對發(fā)電機組的頻繁測試不會損害整個系統(tǒng)的壽命和可靠性。

5 飛輪動態(tài)UPS的優(yōu)點

飛輪動態(tài)UPS具有傳統(tǒng)UPS無法比擬的優(yōu)點:

(1)摒棄了傳統(tǒng)UPS中兩個不可靠的部件:傳統(tǒng)型UPS的蓄電池組和滿載持續(xù)運行的逆變器。電池是最薄弱的環(huán)節(jié),電池故障占傳統(tǒng)型UPS故障的60%。

(2)模塊化設計,容量擴充方便。這種飛輪UPS的控制系統(tǒng)是共用的,對于380V配電系統(tǒng),一個儲能模塊的容量為250kVA/200kW,可實現(xiàn)按需分期投資。

(3)采用快速IGBT設計,集整流和逆變于一體,平均故障間隔時間為65年。

(4)效率高達97%以上,經(jīng)濟可靠,而且不會因帶非線性負載而降低效率。

(5)外形尺寸更小,場地需求只有傳統(tǒng)UPS的1/3。

(6)能與發(fā)電機組良好地匹配。

(7)對電網(wǎng)無諧波反射。

6 飛輪動態(tài)UPS的主要參數(shù)

6.1 輸入特性

(1)功率因數(shù):0.99(額定負載和電壓下)。

(2)電流諧波畸變率:3%(線性負載);

(3)不會對市電造成回饋污染。

6.2 輸出特性

(1)功率因數(shù):0.7(滯后)至0.9(超前)。

(2)電壓諧波畸變率:3%(額定線性負載);5%(額定非線性負載)。

(3)電壓調(diào)節(jié):穩(wěn)態(tài)±2%(輸入±10%內(nèi),平衡或不平衡負載);瞬態(tài)±5%(100%突加負載)。

(4)頻率調(diào)控:輸入50Hz±10%,輸出50Hz±0.2%。

6.3 過載能力(有市電狀態(tài))

(1)過載1000%時,10ms。

(2)過載500%時,1s。

(3)過載200%時,30s。

(4)過載125%時,10min。

6.4 維持時間

(1)15s(滿載)。

(2)30s(半載)。

6.5 質(zhì)保和安全體系

(1)所有產(chǎn)品均經(jīng)工廠嚴格的檢驗和測試。

(2)獲得ISO9001、CE、UL等認證。

(3)安全滿足 5009i-1-1。

(4)抗擾動性和電磁兼容性滿足EN50091-2。

7 飛輪動態(tài)UPS的應用模式

(1)與發(fā)電機組、ATS柜整合使用,可持久不間斷供電。

(2)和傳統(tǒng)型UPS整合使用。飛輪儲能模式比電池更適于多次短時間的電源故障,并可以顯著延長現(xiàn)有UPS電池的壽命,從而使整個UPS系統(tǒng)的可靠性大大增加

(3)其它改善電源品質(zhì)和短時保護的應用領域。

(4)可移動供電。