大功率UPS工頻機和高頻機

2 工頻機和高頻機的性能對比

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高頻功率器件不斷問世,中小功率段的UPS產(chǎn)品也逐步高頻化。高頻UPS具有功率密度大、體積小、重量輕的特點,但在高頻UPS功率段向中大功率過渡的過程中,高頻拓撲UPS在使用過程中暴露出一些固有缺點,并影響到UPS的安全使用和運行。

(1)零偏故障

某型號大容量三相高頻UPS拓撲如圖5所示。

圖5 某型號四橋臂高頻機拓撲

從圖中可知,UPS主路輸入是三相四線(相線+零線),整流器為四橋臂變換器。A、B、C三相和零線均通過IGBT整流。此種變換器存在先天缺陷:零線在主路工作時不能斷開。當(dāng)A、B、C三相閉合,零線斷開時,如果UPS輸出端接不平衡負載,零點參考點突然消失,會造成嚴(yán)重的UPS輸出零偏故障,進而導(dǎo)致UPS后端負載設(shè)備的損壞、輸出閃斷等重大故障。如果三個相線和零線同時中斷,這種情況往往會發(fā)生在市電和發(fā)電機切換過程,此種拓撲的高頻機因零線缺失而必須轉(zhuǎn)旁路工作,在特定工況下(電壓過零點,非同步切換時)可能造成負載閃斷的重大故障。而工頻機因整流器不需要零線參與工作,在零線斷開時,UPS可以保持正常供電。

(2)零地電壓抬升和電池架帶電問題

從圖4和圖5可以看到,大功率三相高頻機零線會引入整流器并做為正負母線的中性點,此種結(jié)構(gòu)不可避免地造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上,抬升零地電壓,造成負載端零地電壓抬高,很難滿足IBM、HP等服務(wù)器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。

某型號高頻UPS的電池變換器采用高頻Buck/Boost拓撲結(jié)構(gòu),變換器缺少必要的濾波裝置。因此充電電壓和電流耦合大量高頻分量,在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 用儀表測得的充電電壓和電流高頻分量

可以明顯看到頻率為12.5kHz的高頻分量,實測電池正極與大地浮置電壓有325V,斷開電池架接地,電池架與大地間有100多伏浮置電壓。接通電池架與大地,電池架與大地漏電流高達0.11A。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GB13870.1-93《電流通過人體的效應(yīng)》),50mA的電流就可以致人死亡。該型號UPS在電池架未與大地短接時,人體觸摸到電池架有明顯被電擊的感覺。原因是充電回路中高頻分量通過人體與大地形成通路,造成人體觸電。同時,此高頻諧波嚴(yán)重干擾了外置的UPS電池單體電壓監(jiān)控系統(tǒng),使電池電壓監(jiān)控測試儀無法正常工作。

(3)可靠性降低

自1947年首個晶體管問世,隨后不到十年,晶閘管整流器在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問世,至今晶閘管已歷時半個多世紀(jì)的發(fā)展和革新,耐受高電壓、大電流晶閘管技術(shù)已非常成熟,其抗電流沖擊能力非常強。晶閘管是半控器件,不會出現(xiàn)直通、誤觸發(fā)等故障。相比而言,上世紀(jì)80年代初問世的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)有許多優(yōu)點,其開關(guān)頻率可在幾至幾百千赫之間,是目前高頻UPS主要功率器件。但是,IGBT有嚴(yán)格的電壓、電流工作區(qū)域,抗沖擊能力有限。在可靠性方面,IGBT一直比晶閘管差。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,采用晶閘管的整流器故障率遠遠低于IGBT整流器的故障率,前者大約為后者的1/4。

工頻機通常采用晶閘管整流器,而高頻機多采用IGBT整流器。因此,工頻機在可靠性方面優(yōu)于高頻機。而大功率UPS可靠性是用戶關(guān)注的第一要素。目前市面上銷售的多款國際知名品牌工頻機產(chǎn)品在用戶端都有很好的口碑,并通過了長時間和復(fù)雜電網(wǎng)的實際驗證。
高頻大功率UPS還有諸多缺點,詳見表1。

表1 大功率工頻UPS和高頻UPS技術(shù)對比表

不可否認(rèn),高頻UPS有一些優(yōu)點,但目前就技術(shù)發(fā)展和成熟度而言,大功率高頻機有許多缺點還需要進一步技術(shù)優(yōu)化和升級。某些廠商推出的大功率高頻UPS仍在試用階段。依據(jù)“可靠性第一”原則,在重要場合使用大功率UPS,仍然以工頻機為首選。