三相大功率UPS电源主要运行在数据中心与关键电源两种场景,目前在IDC、Colo、金融、电信、医疗、半导体、石油石化、机场、轨道交通、电力等各行业得到广泛应用。经过近三十年的市场推广与实际使用,用户对工频机、高频机、固定功率一体机、模块化UPS等概念已经有了深刻的理解。
近十年来,在大型及超大型数据中心、半导体等行业需求的推动下,三相大功率UPS电源出现了很多新的理念与创新。本文对其中重要的五大新技术做简单介绍。
三种运行模式
1逆变器优先运行模式(双变换)
如图1所示,工频机高频机从电气变换技术角度来看,都是采用的双变换在线式技术,即能量经过整流器逆变器两次能量变换后,由逆变器提供电压精度为1%、谐波含量小于5%的正弦波交流电给负载供电。这种运行模式也可以称为:逆变器优先运行模式(双变换)。
逆变器优先模式的优势是输出电压精度高达1%。劣势是由于能量的两次转换,在正常15%～60%负荷下,UPS整机效率较低仅88%～95%。同时电流每秒钟都流经整流器逆变器的功率器件,元器件疲劳老化严重,寿命降低,导致UPS可用性降低。而可用性才是用户对UPS的重要需求。
逆变器优先模式(双变换)本身就是一种低可用性的运行模式。这是这么多年以来才痛苦认识到的一个事实。
有没有新的思路?小功率的后备式UPS和在线互动式UPS正常情况下是旁路市电输出供电,不是也保护了IT负荷吗?
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IT负荷其实对交流电的要求不高,允许电压-20%/+10%,频率40～70Hz,允许中断时间10～20ms。逆变器优先模式为骄傲的1%输出精度其实没有意义。
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今天市电电网的可用性得到了很大提高,城市10kV电网可用性达到(见表1)。这两个因素促使我们认识到三相中大功率UPS其实也可以和小功率UPS一样选择旁路优先运行模式。事实上早在2010年,各厂家三相UPS就允许用户选择工作在旁路优先模式,即ECO模式(经济模式)。
2旁路优先运行模式(ECO模式)
 
如图2所示,在正常情况下,UPS优先运行在静态旁路,由市电直接给负载供电。当旁路电压超出设定窗口范围时,会切换到逆变器输出模式。该模式的优势是效率高达99%。劣势是由于市电直供,会产生双向*,输入功率因数输入谐波电流指标较差。更重要的是,当旁路故障需要切换回逆变器模式时,会出现4～20ms的切换时间,某些情况下会造成负载运行中断,极大地降低了UPS的可用性。
在这种情况下,能否找到一种运行模式,既有高可用性,还能提高运行效率,同时性能指标参数也能满足负载要求,就成为各厂家研发的重要目标。
3超级旁路优先运行模式(E变换模式)
 
2012年获得了超级旁路优先模式(E变换)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,相当于有源滤波器,逆变器提供谐波电流和无功功率,旁路市电回路提供基波电流和有功功率。输出电压由旁路决定。这种模式的优势是整流器和逆变器的功率器件流过的电流较小,元器件疲劳老化轻微,寿命延长,UPS可用性提高。由于逆变器一直在并联运行,当旁路市电超出窗口范围时,系统会0ms切换回逆变器工作,不存在切换失败切换时间长的问题。该种模式效率高达,仅次于ECO模式。另外,由于可控制旁路回路只提供基波电流和有功功率,因此输入功率因数,输入谐波电流<5%。
目前主流厂家在三相大功率UPS系列上均与E变换技术类似的运行模式,供用户选择使用。
多电平逆变器技术
工频机和早期的高频机均采用两电平逆变器技术。如图4所示。
工频机采用变压器交流升压技术。工频机一般配置32只12V电池,浮充状态下直流母线电压432V,较低,只能逆变出160V交流电,只好在逆变器后端采用升压工频变压器,输出220/380V交流电。逆变器功率器件的承压为432V,较低,选用800V耐压值的IGBT即可满足要求。
高频机采用DC/DC直流升压技术。高频机一般配置40～64只电池,为取消变压器,保证逆变器可以直接逆变出220V/380V交流电,高频机在整流器后增加了一个IGBT的DC/DC升压环节,使得两电平逆变器前端的直流母线电压达到800V,这样逆变器功率器件的承压为800V,需要选用1500V耐压值的IGBT才能满足要求。
通过研究场效应管和IGBT等功率器件的失效率曲线,发现1500V耐压值的功率器件其失效率数倍于800V耐压值的功率器件。这样,研发人员意到降低功率器件的承压从而选择低耐压值的功率器件理论上可以提高逆变器的可用性。用户体验实践也证明工频机逆变器比两电平高频机的逆变器可用性高。为改善高频机的可用性,业内研发了三电平四电平逆变器。
如图5所示为三电平逆变器功率器件的承压为400V,低于工频机。
四电平逆变器功率器件的承压为266V(见图6),远低于工频机的432V。
2010年获得了四电平逆变器技术的专利。该技术的运用,不但提高了逆变器的可用性,还提高了UPS效率,达到。
那么是否五电平、六电平逆变器的可用性会更高呢,答案不是这样的,因为电平数越多,逆变器需要的功率器件的数量就越多,使得逆变器出故障的可能性增多。因此,需要在功率器件的耐压值和数量上找到合理的平衡。实践证明运行在全球范围内的数万台四电平逆变器可用性大大优于传统的工频机。
新型物理架构的大功率并机系统
大型及超大型数据中心及半导体行业的用户,经常会搭建功率为1500kW及以上的UPS系统,这就需要采用多台UPS并联的系统架构。并机电气架构大家都知道有两种,多台UPS直接并机,和公用静态旁路的多台UPS并机。
而并机物理架构目前也发展出有两种。
如图7(a)所示并机物理结构1,为传统的多台单机通过外部配电柜和电缆进行并联,总共需要7个外部配电柜和多组电缆。每台UPS都有外配的主输入、旁路输入、UPS输出、电池回路等四把交直流断路器和四组交直流电缆,使得UPS系统操作复杂造成可用性降低、配套的配电柜和电缆成本高、对现场施工环境要求高、对现场施工人员技术要求高、施工工期长。
为解决上述问题,必须采用新的集成化预制化的物理结构的并机系统。
如图7(b)所示位并机物理结构2,为多台功率柜和输入输出I/O柜通过外部主配电柜和主电缆进行并联,总共需要4个配电柜和少量电缆。每台UPS功率柜内部集成了自动控制的接触器和熔断器,内部还集成和预制了主输入、旁路输入、主输出和电池母线的铜排背板与公共的I/O柜连接,每台UPS不再需要外配四把分断路器和四组分电缆。
新型的并机物理结构简化了整个UPS系统,简化了开关机操作,铜排连接使得输出阻抗一致性高,这些特点都有利于提高UPS系统的可用性。
新型的并机在电气架构上还包括了公用的1500kW静态旁路,这种电气架构早就被证明可用性高于普通的多台UPS直接并机的电气架构。减少了外部配套的配电柜和电缆。
新型的并机物理结构其实也是模块化的并机架构,可以根据用户需求增减功率柜,目前市场上的功率柜一般为200～300kW。灵活性与适应性更高。
2003年在单系统大可达1600kW的MW系列UPS使用了类似的并机物理架构,并于2016年改良后运用到了单系统大可达1500kW的N+1的VX系列UPS产品上。
兼容锂电池,让锂电池帮我们赚钱
计算可知,由于普通铅酸蓄电池大约每3～4年更换一次,在三相大功率UPS系统10～12年全生命周期过程中,用户花在电池系统上面的钱甚至超过UPS主机。事实上UPS每秒钟都在使用都在出力都在发挥价值,而电池一年只有次放电机会,而且放电时间可能只有几分钟(在配套发电机系统的情况下)。可见传统模式下,我们对电池系统的利用太低了。
由于电动汽车和储能行业的驱动,2018年锂电池的成本已经降低到～元/Wh,而铅酸电池的成本为元/Wh。在可见的1～2年内,锂电池的价格将会与铅酸电池齐平。
很多UPS系列都号称可以兼容锂电池,但实际上有较大差异。一种兼容是把锂电池当普通铅酸电池用。这种兼容没有任何意义,花了锂电池的价格只享受到铅酸电池的好处,得不偿失。