飛輪UPS的技術(shù)原理及應用

提到飛輪動(dòng)態(tài)UPS,可能很多工程技術(shù)人員對此比較陌生。為了對動(dòng)態(tài)UPS有進(jìn)一步的了解,以下簡(jiǎn)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(guò)了40多個(gè)春秋,由單一旋轉發(fā)電機式發(fā)展到今天的多功能旋轉發(fā)電機式、靜止變換式、旋轉靜止結合式三大類(lèi)。最早的UPS原本是用途廣泛的電力保障設備,隨著(zhù)半導體技術(shù)和電力電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,誕生了比第一代旋轉式UPS更為先進(jìn)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(diǎn)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)應運而生,促使UPS的逆變技術(shù)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(lèi)

(1)靜態(tài)UPS

靜止式UPS分為在線(xiàn)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、逆變器和轉換開(kāi)關(guān)等4個(gè)部分。二者的區別在于工作方式不同:在線(xiàn)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(shí)才啟動(dòng)逆變器。后備式UPS供電質(zhì)量雖然差,但其效率高,價(jià)格低廉,多用于家庭及對電網(wǎng)要求不高的場(chǎng)所。在線(xiàn)式UPS供電質(zhì)量相對要高,但價(jià)格貴得多,因此多用于精密設備、網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域及特殊供電要求的場(chǎng)所。而互動(dòng)式UPS兼顧了前兩者某些優(yōu)點(diǎn),效率高、轉換時(shí)間短、性能價(jià)格合理,逐漸得到用戶(hù)的認可。隨著(zhù)市場(chǎng)競爭的日趨嚴峻,不同廠(chǎng)家根據用戶(hù)的特殊要求而設計了不同應用場(chǎng)合的UPS,如郵電專(zhuān)用型、電站專(zhuān)用型、鐵路專(zhuān)用型、油田專(zhuān)用型等。

(2)動(dòng)態(tài)UPS

動(dòng)態(tài)UPS的不間斷供電是依靠旋轉部件釋放動(dòng)能實(shí)現的。動(dòng)態(tài)UPS與靜態(tài)UPS在技術(shù)上各有所長(cháng),以不同的技術(shù)方式實(shí)現對重要負載的不間斷供電。動(dòng)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(dòng)態(tài)UPS結合自身的顯著(zhù)特點(diǎn),經(jīng)過(guò)幾十年不斷的發(fā)展和改進(jìn),在大功率UPS市場(chǎng)已經(jīng)獨樹(shù)一幟。動(dòng)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(zhù)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(chǎng)上得到了廣泛應用。

2 飛輪儲能UPS供電系統描述

那么到底什么是飛輪旋轉動(dòng)態(tài)UPS呢？其技術(shù)原理是怎樣的?有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？

美國Active Power飛輪儲能UPS屬于在線(xiàn)式UPS的一種,它集傳統在線(xiàn)式UPS和動(dòng)態(tài)UPS二者技術(shù)特點(diǎn)于一身。以下以其為例介紹這種UPS的構成、特點(diǎn)及工作原理。

飛輪儲能UPS由輸入保險、輸入接觸器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、在線(xiàn)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(shù)為飛輪儲能技術(shù),擁有35項美國專(zhuān)利。飛輪和電機系統密封在真空容器內,能量蓄滿(mǎn)時(shí)飛輪轉速高達7700r/min,如圖1所示。動(dòng)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(xiàn)免受毫秒級電網(wǎng)波動(dòng)的影響,減少數據通信中的高誤碼率。

圖1 飛輪UPS的旋轉部分

UPS在市電出現波動(dòng)時(shí),由于飛輪的慣性能補償短時(shí)間的電壓突變,保證了輸出電壓的穩定。在市電中斷時(shí),由于飛輪的慣性將動(dòng)能轉變?yōu)殡娔?滿(mǎn)載時(shí)可維持額定電壓12s,在此期間發(fā)電機自動(dòng)起動(dòng)帶載,恢復對重要負載的正常供電。其不間斷供電工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 飛輪儲能UPS的不間斷供電工作過(guò)程

3 飛輪UPS的工作原理及運行模式

飛輪UPS內部的拓撲結構是目前市場(chǎng)上并不常見(jiàn)的在線(xiàn)互動(dòng)式,具體結構如圖3所示。在正常情況下,電源經(jīng)過(guò)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(guò)輸出接觸器直接輸出給負載,在此過(guò)程中對電壓進(jìn)行調節,保證滿(mǎn)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(dòng)態(tài)儲能技術(shù),能大大改善電能質(zhì)量,完全零切換,電能回充時(shí)間短,特別適合防止瞬時(shí)波動(dòng)?？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(guò)程

4.1 電壓驟降和瞬時(shí)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%)之內時(shí),不耗用飛輪能量。

4.2 諧波

(1)基于DSP技術(shù)測出負載的諧波電流,通過(guò)IGBT逆變器和濾波電感構成的電力有源濾波系統實(shí)時(shí)地向系統注入反向等量的補償電流,以達到消除諧波和進(jìn)行無(wú)功補償的目的。

(2)負載諧波不會(huì )在輸入側出現。

(3)輸入側無(wú)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 功率因數及電壓波動(dòng)

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

(2)在額定輸入電壓時(shí)沒(méi)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(wú)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(xiàn)電感進(jìn)行過(guò)濾。

(2)瞬態(tài)能量通過(guò)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(dòng)頻率超出特定窗口時(shí),在線(xiàn)的靜態(tài)開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)斷,由飛輪放電來(lái)提供穩定的頻率輸出。

4.6 長(cháng)時(shí)間電力中斷

(1)對于持續、長(cháng)時(shí)間的電力波動(dòng),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(wú)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(huì )損害整個(gè)系統的壽命和可靠性。

5 飛輪動(dòng)態(tài)UPS的優(yōu)點(diǎn)

飛輪動(dòng)態(tài)UPS具有傳統UPS無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn):

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

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

(3)采用快速I(mǎi)GBT設計,集整流和逆變于一體,平均故障間隔時(shí)間為65年。

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

(5)外形尺寸更小,場(chǎng)地需求只有傳統UPS的1/3。

(6)能與發(fā)電機組良好地匹配。

(7)對電網(wǎng)無(wú)諧波反射。

6 飛輪動(dòng)態(tài)UPS的主要參數

6.1 輸入特性

(1)功率因數:0.99(額定負載和電壓下)。

(2)電流諧波畸變率:3%(線(xiàn)性負載);

(3)不會(huì )對市電造成回饋污染。

6.2 輸出特性

(1)功率因數:0.7(滯后)至0.9(超前)。

(2)電壓諧波畸變率:3%(額定線(xiàn)性負載);5%(額定非線(xiàn)性負載)。

(3)電壓調節:穩態(tài)±2%(輸入±10%內,平衡或不平衡負載);瞬態(tài)±5%(100%突加負載)。

(4)頻率調控:輸入50Hz±10%,輸出50Hz±0.2%。

6.3 過(guò)載能力(有市電狀態(tài))

(1)過(guò)載1000%時(shí),10ms。

(2)過(guò)載500%時(shí),1s。

(3)過(guò)載200%時(shí),30s。

(4)過(guò)載125%時(shí),10min。

6.4 維持時(shí)間

(1)15s(滿(mǎn)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(chǎng)嚴格的檢驗和測試。

(2)獲得ISO9001、CE、UL等認證。

(3)安全滿(mǎn)足 5009i-1-1。

(4)抗擾動(dòng)性和電磁兼容性滿(mǎn)足EN50091-2。

7 飛輪動(dòng)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)和傳統型UPS整合使用。飛輪儲能模式比電池更適于多次短時(shí)間的電源故障,并可以顯著(zhù)延長(cháng)現有UPS電池的壽命,從而使整個(gè)UPS系統的可靠性大大增加

(3)其它改善電源品質(zhì)和短時(shí)保護的應用領(lǐng)域。

(4)可移動(dòng)供電。