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再論UPS與動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器
在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中,電壓跌落是指電壓有效值下降到標(biāo)稱(chēng)值的10%～90%,持續(xù)時(shí)間為10ms到1min的電壓下降過(guò)程。現(xiàn)今普遍認(rèn)為電壓暫降是由系統(tǒng)內(nèi)的短路故障、大型電動(dòng)機(jī)設(shè)備投切、大型變壓器空載勵(lì)磁等引起的;電壓跌落會(huì)導(dǎo)致敏感負(fù)荷發(fā)生故障、停運(yùn)、損壞等種種問(wèn)題,甚至?xí)o用戶帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電力系統(tǒng)中不可避免的電壓暫降事件與敏感設(shè)備之間的矛盾日益突出,使得電壓暫降問(wèn)題稱(chēng)為工業(yè)界及學(xué)術(shù)界蕞受關(guān)注和亟待解決的電能質(zhì)量問(wèn)題。
UPS、DVR這兩種電能質(zhì)量解決裝置在結(jié)構(gòu)上都采用類(lèi)似的大功率逆變器、數(shù)字化控制芯片、后備儲(chǔ)能元件、旁路隔離系統(tǒng)等構(gòu)成,但各自又有些不同點(diǎn),這里列舉兩種裝置在應(yīng)用領(lǐng)域、工作模式、治理對(duì)象、儲(chǔ)能器件以及方案配置上的差異性,為行業(yè)解決方案實(shí)際應(yīng)用選型提供參考。
1 應(yīng)用領(lǐng)域
圖1為在線式UPS原理示意圖。在線式UPS運(yùn)行模式可分為正常運(yùn)行模式、后備模式、旁路運(yùn)行模式三種,以下是這三種運(yùn)行模式的特點(diǎn):
①正常運(yùn)行模式:整流器設(shè)備將市電輸入的交流電通過(guò)整流輸出直流電至逆變器;逆變器將由整流器輸出的直流電逆變之后輸出交流電給到負(fù)載設(shè)備,保證設(shè)備正常工作。
②后備模式:UPS設(shè)備直接與直流系統(tǒng)相連,當(dāng)市電異常時(shí),直流系統(tǒng)馬上輸出直流電源至逆變器以替代中斷的整流器輸出電源。在輸出的過(guò)程中,對(duì)負(fù)載電壓無(wú)任何影響。
③旁路模式:旁路模式分備用旁路及維修旁路兩種,備用旁路主要用于當(dāng)逆變器處于不正常狀況,如逆變器為過(guò)溫、短路、輸出電壓異常或過(guò)載等,逆變器自動(dòng)停止運(yùn)行以防損壞;維修旁路是當(dāng)UPS設(shè)備需要進(jìn)行維護(hù)或維修時(shí)使用。用戶可將UPS切換至維修旁路模式,以保證系統(tǒng)的不間斷并保障維護(hù)維修人員的安全。
DVR動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是以整個(gè)電氣系統(tǒng)安全著想而設(shè)計(jì)的電壓暫降抑制裝置,其主要功能是有效防止電壓波動(dòng)對(duì)負(fù)載的影響,適用保護(hù)整條生產(chǎn)線的正常工作,用于石油化工、半導(dǎo)體精密制造、汽車(chē)制造行業(yè)。圖2為DVR工作原理示意圖。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器可并聯(lián)在系統(tǒng)供電線路和負(fù)荷之間。
DVR運(yùn)行模式可分為電網(wǎng)電壓供電模式、逆變供電模式兩種,以下是這兩種運(yùn)行模式的特點(diǎn):
①電網(wǎng)電壓供電模式:當(dāng)市電正常工作時(shí),系統(tǒng)工作在電子旁路狀態(tài),交流電經(jīng)電子旁路開(kāi)關(guān)供給負(fù)載,此時(shí)逆變器備份,不進(jìn)行負(fù)載供電;
②逆變供電模式:當(dāng)市電發(fā)生異常時(shí),超級(jí)電容等儲(chǔ)能部件經(jīng)逆變器輸出交流電源,DVR在典型2ms內(nèi)產(chǎn)生與跌落電壓幅值相等、相位相同的完整電壓,替換原有市電提供的電壓值,而保證系統(tǒng)輸出的連續(xù)性。
2 工作模式
當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓正常時(shí),DVR工作在電子旁路狀態(tài),只有發(fā)生電壓暫降的情況下進(jìn)行補(bǔ)償,因此DVR具有能耗小的顯著特點(diǎn)。效率通常可達(dá)99%以上;UPS不間斷電源在線工作,不論市電是否正常,它都一直由逆變器供電,即按照“市電輸入、整流、逆變、輸出”的順序進(jìn)行,不考慮蓄電池?fù)p耗的理想情況下,可達(dá)92%左右。以集成電路行業(yè)常用的800kVA的UPS設(shè)備及DVR設(shè)備為例,在十年生命周期內(nèi),電費(fèi)按照0.8元/kWH計(jì)算,總計(jì)可節(jié)省電費(fèi)278.7萬(wàn)元,若考慮直流儲(chǔ)能部件更換費(fèi)用的話,可節(jié)約307.2萬(wàn)元,具體對(duì)比分析,見(jiàn)表1。
3 治理對(duì)象
UPS的主要功能為短時(shí)不間斷及改善電能質(zhì)量,在不間斷電源中,可以說(shuō)蓄電池是UPS系統(tǒng)的后備時(shí)間支柱,沒(méi)有電池的UPS只能稱(chēng)作穩(wěn)壓穩(wěn)頻(CVCF)電源,沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在市電異常時(shí),逆變器直接將蓄電池的化學(xué)能變成交流電能輸送出去,使用電設(shè)備得以連續(xù)運(yùn)行。通常在失去外部電源后,依賴配置不同容量的蓄電池,UPS還可以維持十幾分鐘至幾十個(gè)小時(shí)的供電。UPS非常適合計(jì)算機(jī)重要數(shù)據(jù)備份及維持金融系統(tǒng)運(yùn)行的場(chǎng)合。反觀DVR設(shè)備,主要應(yīng)用于大規(guī)模復(fù)雜生產(chǎn)線或其敏感系統(tǒng)環(huán)節(jié)保護(hù)的場(chǎng)合,是為了有效防止電壓波動(dòng)對(duì)負(fù)荷影響而誕生的一款設(shè)備,主要用于治理電壓暫降、電壓暫升及短時(shí)斷電等電能質(zhì)量問(wèn)題，不間斷能力較弱，通常只能維持秒級(jí)的后備使用。
4 儲(chǔ)能器件
目前UPS電源中廣泛使用的免維護(hù)密封鉛酸蓄電池,存在實(shí)際維修成本較高,一般正常使用的UPS,其電池實(shí)際使用壽命在5年左右。除成本之外,電池作為儲(chǔ)能元件還有如下幾點(diǎn)需要考慮:
①需在適宜的環(huán)境溫度中工作;影響蓄電池壽命的重要因素是環(huán)境溫度，雖然溫度的升高對(duì)電池放電能力有所提高，但付出的代價(jià)卻是電池的壽命大大縮短。據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)，電池在20～25℃下工作為宜，超過(guò)25℃，每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。
②UPS電源中的浮充電壓和放電電壓,在出廠時(shí)均已設(shè)定為額定值,而放電電流的大小是隨著負(fù)載的增大而增加的,使用中應(yīng)合理調(diào)節(jié)負(fù)載,比如控制微機(jī)等電子設(shè)備的使用臺(tái)數(shù)。一般情況下,負(fù)載不宜超過(guò)UPS額定負(fù)載的60%。在這個(gè)范圍內(nèi),電池的放電電流不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度放電。UPS因長(zhǎng)期與市電相連,在供電質(zhì)量高、很少發(fā)生市電停電的使用環(huán)境中,蓄電池會(huì)長(zhǎng)期處于浮充電狀態(tài),日久就會(huì)導(dǎo)致電池化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的活性降低,加速老化而縮短使用壽命。因此,一般每隔2～3個(gè)月應(yīng)*放電一次,放電時(shí)間可根據(jù)蓄電池的容量和負(fù)載大小確定。一次全負(fù)荷放電完畢后,按規(guī)定再充電8h以上。
③目前大中型UPS電源配備的蓄電池?cái)?shù)量,從3只到80只不等,甚至更多。這些單個(gè)的電池通過(guò)電路連接構(gòu)成電池組,以滿足UPS直流供電的需要。在UPS連續(xù)不斷的運(yùn)行使用中,因性能和質(zhì)量上的差別,個(gè)別電池性能下降、儲(chǔ)電容量達(dá)不到要求而損壞是難免的。當(dāng)電池組中某只/某些電池出現(xiàn)損壞時(shí),維護(hù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)每只電池進(jìn)行檢查測(cè)試,排除損壞的電池。更換新的電池時(shí),應(yīng)該力求購(gòu)買(mǎi)同廠家同型號(hào)的電池,禁止防酸電池和密封電池、不同規(guī)格的電池混合使用。
在使用電池的作為儲(chǔ)能元件之前,UPS曾經(jīng)使用飛輪作為負(fù)載提供電能供應(yīng),這種不間斷電源被稱(chēng)為飛輪式或旋轉(zhuǎn)式不間斷電源。飛輪式UPS由整流器、直流電動(dòng)機(jī)、飛輪、柴油機(jī)(或汽油機(jī))及發(fā)電機(jī)等組成。在電網(wǎng)供電的情況下,由整流器提供的直流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn),發(fā)電機(jī)同時(shí)為負(fù)載供電。可節(jié)省占地空間。隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)今也有不少UPS選擇配置鋰電池,鋰電池相較鉛酸蓄電池而言,在儲(chǔ)能密度、設(shè)備重量、設(shè)備體積上,相較鉛酸蓄電池而言,可以有一個(gè)大幅度的降低。并且在充放電次數(shù)及使用壽命上,也都有較大技術(shù)改變。表2為儲(chǔ)能元件技術(shù)性能對(duì)比表。
DVR采用超級(jí)電容設(shè)備作為儲(chǔ)能元件,摒棄了傳統(tǒng)的電池元件。通過(guò)將超級(jí)電容設(shè)備中的直流電壓逆變成特定的工頻正弦交流電壓并聯(lián)注入系統(tǒng)線路的方式,快速對(duì)負(fù)載提供完整的電源供應(yīng),從而保障了系統(tǒng)可靠性。相較于鉛酸蓄電池而言,超級(jí)電容有以下優(yōu)點(diǎn):
①充電速度快。充滿其額定容量的95%以上僅需10s～10min;
②循環(huán)壽命長(zhǎng)。品質(zhì)優(yōu)良的超級(jí)電容深度充放電循環(huán)可達(dá)100萬(wàn)次;
③能量轉(zhuǎn)換效率高。大電流能量循環(huán)效率>90%;
④功率密度高。可達(dá)1000W/kg—50000W/kg,是蓄電池的10倍以上;
⑤原材料生產(chǎn)、使用、存儲(chǔ)及拆解過(guò)程均無(wú)污染,是理想的綠色環(huán)保電源;安全系數(shù)高,長(zhǎng)期使用免維護(hù);
⑥高充放電效率。由于內(nèi)阻很小,所以充放電損耗也很小,具有較高的充放電效率,可達(dá)90%以上。
⑦溫度范圍寬。達(dá)-40～+70℃。超級(jí)電容器電極材料的反應(yīng)速率受溫度影響不大;
⑧檢測(cè)控制方便。剩余電量可通過(guò)公式E=CV2/2直接算出,只需要檢測(cè)端電壓就可以確定所儲(chǔ)存的能量,荷電狀態(tài)(SOC)的計(jì)算簡(jiǎn)單準(zhǔn)確,因此易于能量管理與控制。
除以上不同點(diǎn)之外,UPS設(shè)備與DVR動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器設(shè)備還有如下相同點(diǎn):
①都具有逆變器、輸出濾波裝置,不考慮同種規(guī)格下器件參數(shù)選擇的差別性,它們的工作電路主要結(jié)構(gòu)是一樣的。
②都可以配備靜態(tài)旁路回路,并可選配手動(dòng)維修旁路。主要作用在于設(shè)備主電路發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)安全及維護(hù)維修人員安全。
③設(shè)計(jì)理念上,UPS與DVR都采用*的高科技光纖、通訊、全數(shù)字化的計(jì)算機(jī)、人性化的操控設(shè)計(jì)及監(jiān)控界面。
④都配備完善的保護(hù)功能。當(dāng)過(guò)載、過(guò)壓、欠壓、頻率異常時(shí)能自動(dòng)保護(hù)裝置本身(可進(jìn)行從軟件進(jìn)行動(dòng)作值設(shè)定)。
⑤都可配備輸出、輸入隔離變壓器,滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。
5 分級(jí)治理方案配置
現(xiàn)有的電壓暫降治理措施大多基于電力電子技術(shù),治理設(shè)備造價(jià)高、損耗大、可靠性差、容量受限等問(wèn)題,難以適應(yīng)電壓等級(jí)多、用戶容量大、用電設(shè)備多的現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)電壓暫降治理的需求。針對(duì)以上問(wèn)題,國(guó)內(nèi)已有不少研究學(xué)者提出一種基于固態(tài)切換開(kāi)關(guān)的電壓暫降分級(jí)治理方案。該方案按照電壓等級(jí)、電壓暫降等級(jí)、設(shè)備重要程度等級(jí)、設(shè)備電壓耐受等級(jí)四個(gè)方面,對(duì)負(fù)載設(shè)備進(jìn)行分級(jí)治理。對(duì)于低壓側(cè)而言,簡(jiǎn)單地將所有敏感負(fù)荷歸集后,從工廠設(shè)備的角度來(lái)考慮,優(yōu)先配置動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR設(shè)備,并合理的選用超級(jí)電容后備時(shí)間。對(duì)電壓暫降極其敏感且需要一定后備時(shí)間的設(shè)備,優(yōu)先選擇集中式大功率UPS設(shè)備,并根據(jù)時(shí)間情況合理選用鉛酸蓄電池、鋰電池、飛輪等儲(chǔ)能設(shè)備。
以中航太克動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器AVR系列為例,在常規(guī)狀態(tài)下,電網(wǎng)電壓正常時(shí),AVR僅工作在旁路模式,效率高達(dá)99%,大幅降低了運(yùn)行損耗。此外,AVR采用世界的MAXWELL品牌超級(jí)電容作為短時(shí)儲(chǔ)能元件,可以保用十年或充放電100萬(wàn)次,*實(shí)現(xiàn)了生命周期免維護(hù),大幅降低蓄電池的維護(hù)費(fèi)用。同時(shí),整套AVR占地面積相比同功率UPS降低60%以上,且無(wú)需專(zhuān)門(mén)的電池房。
圖3和圖4為動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器部分波形測(cè)試圖。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文列舉了UPS不間斷電源設(shè)備與DVR動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器設(shè)備異同點(diǎn),闡述多種儲(chǔ)能元件之間的性能對(duì)比。提出電壓暫降治理需求的分級(jí)治理方案,不僅可以為現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)的電壓暫降治理工作提出可推廣的標(biāo)準(zhǔn)配置,而且能有效促進(jìn)電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的分級(jí)治理、協(xié)同優(yōu)化,具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)異、建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本較低、可靠性高、安全性高、實(shí)用性