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UPS发展技术动态！

resile  发表于 2006/1/24 9:38:20      2075 查看 4 回复  [上一主题]  [下一主题]

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1.引言　　随着人们对生活品质要求的提高，家庭、办公室、工厂等均朝着信息化、自动化的方向发展。与此同时，人们对高品质电力的需求也在日益增加。尽管UPS技术的发展不像计算机技术那么迅猛，但也是今非昔比。UPS技术发展到今天，其功能已经从最初单纯的供电发展到今天的多功能并举。现在的UPS不仅可以在计算机无人值守时定时开机关机，也可以在市电发生异常后通知计算机，还可按事先约定的顺序关机，甚至还拥有通过联网及远程通讯进行远程监控的能力。目前UPS技术未来发展的趋势是朝向网络化，智能化和数据通信一体化发展。2.UPS的冗余技术　　在UPS的应用中，用户为了提高运行中的可靠性，往往要求几台UPS冗余连接。UPS的冗余数目，从理论上讲是是否越多越好，但在实际应用中并非如此简单，单输出均流这一项指标就带来好多问题。在三相UPS中，若作到均流，就必须保证并联的各UPS的对应相电压和相位保持在一个最小的误差值，并联台数越多，越不易达到一致，即使当时达到了一致，随着时间的推移、温度的变化，尘埃的侵入，器件的老化，冷却系统造成的振动以及湿度和腐蚀性气体的破坏等等因素都时刻在破坏着这种平衡，当并联台数达到一定数量后，可靠性开始降低，这就是从量变到质变。单从理论推导出来的结论是在一定的理想条件下作出的，它和实际一直在变化着的情况是有距离的。　　就目前的UPS制造技术和工艺水平而言，已可使UPS的故障率大大降低。例如：中、小型UPS平均无故障工作时间（MTBF）已做到5～14万小时，对大型UPS而言，它的MTBF可达24万小时以上。然而，即使对于这样高质量的系统，也不能确保它的故障率为零。在UPS中可采用具有容错功能的冗余配置方案来解决这个问题。所谓“容错”特性，是指在整个UPS供电系统中，如果因故造成个别机器出故障时，该UPS供电系统自动将有故障的机器“脱机”进行检修的同时，整个UPS供电系统必须继续向用户提供高质量电源。由于在冗余式UPS供电系统中，采用了多台UPS组合起来共同承担向负载供电的任务，因此如何正确地解决好多台UPS输出的交流电源以同频率、同相位和同幅度的方式运行是能否成功地实现多台UPS冗余供电的关键。就目前所掌握的资料来看，有如下几种冗余配置方案可供用户选择：主机－从机型的“热备份”UPS供电方式；直接并联供电方式；双总线冗余供电方式。2.1USP热备份连接　　　　任何具有旁路环节的UPS都可以进行热备份连接，两台UPS热备份连接时，只需将一台UPS1的旁路的输入端与市电断开，并连接到另一台UPS2的输出端，就构成了两台UPS热备份冗余系统。在正常情况下由UPS1向负载供电，而UPS2处于热备份状态空载运行；当UPS1故障时，UPS2投入运行接替UPS1继续向负载供电。只有当UPS2由于过载或逆变器故障时，才闭合旁路开关，负载改由市电供电。　　　　这种UPS的热备份连接一般不超过两台，它不能增加系统的输出容量，尤其是两台不同容量的USP连接时，该系统的输出容量不能超过其中容量较小的那一台的功率。2.2UPS的并联连接　　　　UPS的并联连接并不象热备份连接那么容易。因为所有UPS的输出阻抗不可能一样，加之各逆变器的输出电压和市电电压锁相都具有正负误差，则各个UPS的电压即有相位差又有幅值差，因此用普通UPS直接并联是危险的，只有具备并联功能的UPS才能并联。　　　　并联连接的优点在于它不但可以提高可靠性，而且过载、动态性能比热备份方式好得多，并且可增容。并联连接的方式有下述几种：2.2.1主从式并联系统 这种方式是并联系统中有一台UPS为主机，其它为从机。 　2.2.2无主从并联系统 系统中任一台UPS既是主机又是从机，哪一台UPS先开机它就是主机。 2.3并联冗余系统的关键技术　　无论那一种并联冗余系统，都必须解决以下一些关键技术问题。2.3.1并联运行的各单机或模块的均流问题。实践证明，并联单机间的环流是造成UPS逆变器故障的主要原因，这个问题解决不好，不仅可靠性得不到提高，而且适得其反。目前控制并联系统中的各UPS的负载电流均衡的方法主要有有功、无功环流控制法、电压-频率下垂特性控制法、主从模块控制法、负载母线同步法等，模块间的负荷电流不均衡性已可以控制在5%以内。2.3.2模块间的均流控制信号的可靠传送问题。模块间的信号传输线实际上构成了系统的故障瓶颈，电磁干扰或其它的物理毁损都会造成系统故障，所以，均流信号力求简单，要采取强抗干扰编码技术，互连线越少越好。2.3.3无互连线均流机理的研究与开发。UPS并联冗余系统的最理想状态是并联单机间无任何控制信号连线，从而消除了并联系统的故障瓶颈，国内外关于这方面的工作已取得一些进展，有些已在产品中得到实现。2.3.4均流控制电路的冗余问题。既然有互连线并联系统的故障瓶颈现象的存在，可以采取均流控制电路冗余来消除之。2.3.5热插拔电路及接插件技术。对于模块并联系统，可以根据负载情况进行组件的热插拔，以方便用户进行系统扩容和组件的维修，并可在不停机的情况下添加或减少组件。 3.UPS的绿色技术3.1优越的功率因数指标 　　　　UPS有两个功率因数指标：　　3.1.1UPS输入功率因数。输入功率因数是一个重要指标。提高此项指标不仅可以降低线路损耗，节约电能，消除火灾隐患，还可以减少对市电的谐波污染，提高市电的供电质量，获得较大的经济效益及社会效益。传统提高输入功率因数的方法为无源功率因数校正技术，而现在发展为：单相市电输入的UPS采用有源功率因数校正技术，三相市电输入的UPS采用SPWM高频整流来提高UPS输入功率因数。最理想的输入功率因数是1，表明输入电压和电流均为正弦波时其相位完全相同。 　　3.1.2UPS输出功率因数。输出功率因数是适应不同性质负载的能力。输出功率因数　　在2001年《YD/T 1095-2000通信用不间断电源——UPS》标准中，使用了输入功率因数的概念，在电气性能技术要求中，分三个等级分别给出了指标，并提出了试验方法。但是在定义部分没有给出明确的解释，也许是因为它已经广泛应用，并约定俗成。 　　　　不过另一个概念，输出功率因数的应用却并非约定俗成，同样没有给出明确、清晰的定义。只在电气性能技术要求中给出指标：输出功率因数≤0.8。并在输出功率因数的试验方法中提到：“调节非线性负载的输入功率因数在小范围内变化，由电力多功能分析仪测得非线性负载的输入功率因数应符合技术要求的规定，并使得UPS输出达到额定容量，UPS能正常工作。”显然在这里测得的数据是UPS负载的功率因数，这个数据范围的大小是用来衡量UPS输出能力大小的。 　　　　但是由于“输出功率因数”这个概念本身的模糊状态，以及这个概念本身隐匿的逻辑上的矛盾，导致了理解这个概念时出现的诸多歧义。 　　　　首先，功率因数这个概念是针对负载而言的，非线性负载中，电流和电压出现相位差，导致负载和电源间吞吐互换的无功功率出现，功率因数反映了负载从电源中获取有功功率的能力。对UPS来说，UPS的输入功率因数反映了UPS从电网中获取有功功率的能力，也可以衡量UPS对电网的污染程度。功率因数越大，获取有功功率的能力越强，对电网的污染程度越小。 　　　　但是UPS的“输出功率因数”这个概念是衡量UPS输出能力的一个指标。显然，这里UPS是作为负载的供电设备出现的，而“功率因数”这个概念是专为负载量身定做的，它反映的是负载的某些性质。于是我们借用“功率因数”的概念加上“输出”两字，来描述作为供电设备的UPS的输出能力。这种前后矛盾的组合导致了很多理解上的歧义和逻辑上的混乱。 　　　　例如，UPS的“输出功率因数”的大小是由UPS负载的功率因数决定的，我们认为负载功率因数越大，它获得有功功率的能力越强，但是由负载功率因数决定的“输出功率因数”越大，表示UPS的输出能力越小。 　　　　另外，作为一项衡量UPS输出能力的技术指标，“由于UPS输出能力有限，不可能满足任意非线性负载的要求，约定以计算机类负载的输入功率因数作为UPS的输出功率因数指标，约定≤0.8。既然UPS输出功率因数的大小由负载的功率因数决定，那么直接用“负载功率因数”的概念来衡量UPS的输出能力更为清晰。　　　　现代概念的UPS强调的不仅仅是对其保护的负载提供纯正的正弦电压，而且越来越注重对公共电网的环境保护意识，尤其是中大功率的UPS，在谐波污染、无功损耗等方面对电网的影响更加突出，这方面有着严格的指标要求。 　　　　传统的UPS整流器、充电器大多采用晶闸管相控整流电路外加输入侧的无源滤波器，最高可使输入功率因数提高到0.9，电流谐波THD＜5%，再想提高输入功率因数、降低谐波含量其滤波器的体积和成本难以令人接受。因此，对中大功率的三相UPS可以在其网侧设置由电力电子电路构成的有源滤波器来吸收谐波和无功进行补偿。近年来，12脉波整流器在中大功率的三相UPS中得到较多的采用。通过多相整流及其变压器的作用，在无输入滤波器的情况下可以使网侧电流THD＜9%，输入功率因数提高到0.92左右。但是，系统的成本比较高、体积比较大，控制也比较复杂。 　　　　解决UPS整流器无功问题的另一个措施是采用不可控整流电路外加直流侧电容滤波。这种电路的网侧输入功率因数可达到0.99以上，同时也省掉了繁杂的可控整流电路的控制驱动部分。但是，网侧的谐波却没有降低，仍必须增设网侧滤波器。另外，为给蓄电池充放电，直流侧必须设置双向直流变换器。 　　　　要使UPS整流器对电网的影响小，最好采用高频整流技术。高频整流器通过高频PWM控制，可使输入电流与输入电压同相位，网侧功率因数为1；又由于高频化，网侧只需要高频滤波器，该滤波器的体积可以非常小，只要载波的频率足够高，就可以利用线路杂散电感和很小的电容进行滤波，实现输入电流正弦化。当然，在UPS中采用高频整流器也不是十全十美，直流电压高出电网电压的峰值，要么增加蓄电池串联数量，结果使故障率增高；要么采用降压变压器，结果使整机的效率降低，而且采用高频整流器的技术难度比高频逆变器的技术难度要高，控制不当极易造成器件的损坏，但无论如何，采用高频整流器将成为今后UPS整流器的主要发展方向之一，高频整流器的一些性能指标将会得到改进与提高。 　　　　此外，在UPS结构上进行改进，避免传统的整流加逆变的串级级联模式，也可以克服功率庞大的相控整流器对电网的干扰和影响，甚至可以对电网起到一定的调节作用。例如，曾经一度被冷落的三端口式UPS若采用PWM高频变换器技术，既可以实现输入电流的正弦化和输出电压的稳压作用，又对电网的谐波干扰非常小，系统的运行效率也很高，只是在稳定输出交流电压的前提下对功率因数进行校正比较困难。采用类似于电力潮流控制器的串联功率变换器加并联功率变换器结构的UPS，在降低对电网干扰方面既可以实现输入电流的正弦化又可以使输入功率因数为1或为所需的任意值，系统运行效率也较高，此种UPS接入电网不仅不会造成电网的无功电流的增加，而且还可以适量地对电网无功进行调节。但是这两种结构的UPS都存在固有的不足，即一旦电网频率超出UPS输出频率指标要求范围就只有进入蓄电池供电的逆变运行状态。 　　　　总之，在降低对电网的干扰影响方面可采取的技术措施和电路结构种类比较多，其中对于小功率的UPS主要采用PFC整流器和高频PWM整流器及其相应的控制技术，对于大中功率的UPS采用高频PWM整流器尚有开关损耗不易解决的问题，采用串联功率变换器加并联功率变换器结构则比较适合于三相大功率UPS，具有较广阔的发展应用前景。 4.新一代UPS4.1全数字化的UPS 　　　　功率MOSFET及IGBT的问世为UPS开拓出一条光辉灿烂之路，使UPS技术步入崭新的时代——全数字化时代。 　　　　首先,UPS的输入部分取消了用于与市电隔离的工频变压器或为降压用的自耦变压器,而采用SPWM技术实现整流高频化（AC/DC）。一方面减少直流侧滤波器尺寸，改善直流侧调节性能,提高市电电压允许变化范围；另一方面在控制技术中采用数字信号处理器DSP （DIGITAL SIGNAL PROCESSOR）控制，使输入电流正弦化，并与市电电压同相，从而实现UPS高输入功率因数（PF≈1），消除对市电的谐波“污染”，达到环保目的，大幅度减少无功损耗，明显降低了运行成本。 　　　　其次，取消了UPS逆变器中的工频变压器，用高频变压器来实现UPS与市电的隔离，而UPS的输出级采用SPWM变换方式(不用变压器直接逆变)输出工频电压。逆变器中的功率MOSFET或IGBT工作频率在20KHZ以上，因此输出滤波器小而简单，而且输出的正弦波非常光滑。 　　　　对于UPS内部的蓄电池组采取高频变换降压方式（DC/DC）充电，当市电停电，UPS转换为由蓄电池给逆变器供电时亦采取高频变换降压方式（DC/DC）实现。 　　　　在逆变器控制电路中采用正弦波直接反馈技术，使其调节高速化，远远优于传统式模拟反馈技术，再加上小的输出滤波器和20KHZ以上的SPWM调制，使UPS动态响应特性非常好。在逆变器保护电路中采用性能优良的过流保护技术，使逆变器不仅具有较强的过载能力，允许100％负载不平衡（指三相逆变器），而且具有强有力的自身保护。也正是在上述条件保证下，抛弃了传统式逆变器输出变压器，不仅噪音低而且效率高。全数字化UPS是新一代UPS，它除具有高质量、高可靠、高指标、多功能等特点。4.2智能化UPS 　　　　UPS的智能化包括系统运行状态自动识别和控制、系统故障自诊断、蓄电池自动监测管理、智能化内部信息检测与显示等。UPS的异地远程监控包括系统专用远程监控控制盘、RS232/485通信口与监控PC机间的交互控制、将UPS系统作为网络的一个节点的网络交互控制等。 　　　　UPS的智能化主要是通过系统的控制软件实现的。在系统运行状态识别与控制方面，通过内部传感器和状态逻辑及时识别系统所处的运行状态，判定系统运行程序和运行是否正常，主要包括以下几个方面： 　　4.2.1根据负载被切换到旁路的时间和次数以及切换时的输入输出参数等判定系统的运行模式即旁路运行还是主机运行、充电运行还是放电运行等。 　　4.2.2根据系统运行的状态参数识别外部指令，决定执行外部指令的方式，包括系统功能和运行参数的调整。 　　4.2.3快速准确的判定系统的故障状态并采取相应的故障处理措施，如封闭功率变换器、输出故障参数报警等。 　　4.2.4历史事件的记录并根据历史记录和当前运行参数预测蓄电池的后备时间等。 　　4.2.5智能化的人机对话控制操作面板包括图形显示等。 　　4.2.6并机系统的热待机到带载运行的自动判定与转换。所有这些都简化了外部操作程序，有效的防止了系统的误操作对系统自身和负载所带来的危害，提高了UPS的可靠性。UPS的智能化的另一个方面是通过运行于PC机内的监控软件实现的。通过RS232C等接口将UPS与PC机串口连接，并在PC机上运行相关平台的UPS监控软件，由PC机定时发送查询指令，UPS则在规定的时间内返回运行参数信息。由PC机进一步对UPS的运行状态、故障的具体部位等进行判断，并在必要时对UPS发出指令进行运行干预和提醒现场维护人员。4.3UPS网络化　　在计算机网络及通信事业迅猛发展的推动下，当今的UPS已在大量引进微处理监控技术的基础上发展成为一种能在UPS和计算机网络之间建立起双向通信调控管理功能。UPS的网络化有两方面的含义。一是UPS及其监控系统与其所保护的负载——计算机或局域网络间的交互作用。当电源出现异常时，UPS内部的微控制器会及时把异常信息发送给它所保护的计算机或局域网，并由监控软件在相应计算机上发出告警信息，提醒操作员或网络管理员及时处理，并在UPS供电时间结束前自动中止计算机或局域网的运行，并将现场信息自动存盘，通过MODEM向有关人员发出EMAIL、BP-CALL等。在这个意义上UPS是其保护的网络的一个接点。另一方面的含义是把UPS当作广域网络的一个独立节点并装上通讯适配器，给UPS分配独立的IP地址。这样，网管员或被授权人可在网络的任何地方通过网络象管理计算机一样对UPS的情况进行实时远程监控，利用这种控制功能用户可在计算机网络终端上实时监控UPS的运行参数（例如：输入、输出的电压、电流和频率，UPS电池组的充电、放电和电压值显示，UPS的输出功率及有关的故障、报警信息）。此外，用户还可在计算机网络终端上对UPS的输出执行定时的自动开机、自动关机操作。在自动完成将程序和数据转入磁盘操作之后，再自动“关闭操作系统”。这样有序的关机操作，将确保用户的软件和数据的安全可靠。　　　　　UPS生产厂家也可以直接通过网络了解分布在世界各地的UPS的运行情况，便于向用户提供系统诊断和维修等的售后服务，提高了服务的快速性和准确性。为实现上述控制功能，在目前市售的先进的UPS上可向用户提供RS232，DB9、RS485通信接口。对于要求能执行计算机网控管理功能的UPS来说，还应配置简单网络管理协议 SNMP （SINGLE NETWORK MANAGEMENT PROTOCOL）卡，才能配套运行。5.结语　　　　UPS使用MOSFET及IGBT功率元件，使其走向高频化、小型化、高效率，也延长了蓄电池的寿命；采用冗余技术，进一步增强了UPS的容量和可靠性，而网络智能化UPS技术不仅提供完全可靠的网络电源管理，也为节能提供了一种最佳的解决方案。可以说UPS技术总的发展趋势是逐步向小型网络智能化和具有长延时方向发展，随着科技进步，UPS技术在不久的将来也将开辟一个更新的领域。
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