UPS不间断电源节能技术.doc

摘 要：本文给出了UPS节能的经济效益情况，分析了UPS中整机效率、最高效率点、空载损耗、功率因数四个指标与节能的关系，给出了UPS与节能设计相关的五个技术要点，并预测在全球高度重视节能背景下UPS产品可能的发展方向。关 键 词： UPS不间断电源 节能 效率 空载损耗 功率因数 高频化 工作模式一、前言对于UPS不间断电源产品，十年前人们主要关注的是UPS满足客户对负载设备供电的不间断特性和各项详细技术指标，五年前用户和设计工程师逐步转向提高UPS产品和系统供电方案可靠性的研究，近两三年来节能技术已经成为UPS电源厂家和工程师十分关注的问题了。UPS电源的节能具有十分重要的意义，目前我国乃至世界已经把新能源和节能列为二十一世纪重要的技术和社会问题，按照CCID的统计， 2005年在中国大陆销售的UPS产品总额达到25亿元人民币，折合UPS产品的功率容量为5000MW，如果整机工作损耗降低1，则每年可以节省电能损耗4.38亿度，即节能2亿元人民币。而我国全部在运行的UPS容量至少是2005年销售的五倍，节能效果更加显著。近期我国已经颁布了相应的UPS节能技术标准CSC/T432006不间断电源节能产品认证技术要求。合理的设计技术和电源应用方案将可能带来2 1 0 的效率提升，因此，UPS电源的节能设计技术将是未来一段时期UPS技术的热点。二、不间断电源与节能相关的指标在UPS电源中，与节能紧密相关的技术指标主要包括：整机效率、最高效率点、空载损耗、输入功率因数等，下面分别分析和阐述。整机效率根据U P S 的工作特点，整机效率包括市电转换效率（AC/AC）和电池转换效率（DC/AC）两种，分别描述UPS在市电工作模式、电池逆变工作模式下的能量转换效率，市面上常见UPS的整机效率情况如下表1：表1、常见UPS效率情况UPS类型AC/AC效率DC/AC效率后备式或互动式 1000VA9095%7080% 13KVA9396%8085%双变换在线式13KVA80858085 310KVA85908690 10-100KVA88929092 100KVA90939193从上面的结果可以看出，除了后备式、互动式UPS的市电转换效率较高外，其它情况下的能源利用率并不是特别理想，有720的能源损耗，因此，电源设计工程师们在UPS的节能方面还有很大的设计改进空间。最高效率点从现有UPS产品效率曲线的测试结果来看，绝大多数UPS产品设计的最高效率点在90100的满负载处，典型的某6KVA UPS效率曲线如下图1：图1、某6KVA UPS效率曲线而实际的UPS应用现场测试表明，UPS绝大多数的情况并不是工作在满负载，而是工作在3070的满负载点，这主要是厂家和用户基于提高产品的可靠性考虑的。显然，这时UPS的整机效率与最高效率点还有很大的差距，例如，在上述效率曲线中，50负载时的效率比满载时的效率低1.52，因此，如果使得UPS在实际的应用中工作于最高的效率状态，从节能设计角度具有重要的意义。提高UPS半载的效率、使得最高效率点落在半载位置将是以后UPS设计的一个考虑点。空载损耗在CSC/T432006不间断电源节能产品认证技术要求中，空载损耗也是节能的一项技术指标，合理地设计UPS电源产品的空载损耗，将直接关系到UPS整机的效率、最高效率点、输出动态等技术特性。UPS的空载损耗主要包括：电源部分、控制电路、人机界面电路的功耗，变压器、变换器的空载损耗，大致为UPS整机满载损耗的30左右，数值相对固定。对于小于10KVA以下的UPS产品，此值一般在36，对于大于10KVA以上的产品，此值一般在23。适当的降低空载损耗，对于UPS产品应用的节能也有明显的意义，例如，降低0.5的空载损耗，对于工作在半载的UPS应用场合，意味着提高1的效率，对于工作在33的负载场合，意味着节能1.5。输入功率因数输入功率因数和电流谐波是密切相关的两个UPS输入指标，这两个指标对于UPS产品应用的节能也是显而易见的例如，对于没有采用功率因数校正技术的UPS电源产品，输入的PF值一般在0.8附近，而采用功率因数校正后的PF值可以达到0.98以上，这意味着同等UPS功率的输入电流在两种情况下的差别超过20，如果假定电网传输内阻的电压损耗在3，整个电网系统的损耗差异达到0.6（相对于UPS的满载），是十分可观的。目前市面上UPS产品的功率因数情况如下表2（假定输出UPS输出带线性负载）：表2、常见UPS的功率因数值UPS类型PF值后备式或互动式5003000VA1双变换在线式120KVA工频UPS0.8 高频UPS0.98 20KVA以上6脉冲整流方式0.8 12脉冲整流方式0.85-0.9 采用有源功率因数技术0.98从现有产品和具备的技术看，UPS产品达到0.98以上的输入功率因数是现实的。三、不间断电源的节能技术为了实现UPS产品的高效节能，以下是UPS产品节能设计的技术要点和方法。效率优化和最高效率点设计从二中UPS技术指标的分析，不难得出以下结论：只要结合实际的应用情况，合理的设计最高效率点、提升整机效率、降低空载损耗，在现有技术的条件下，UPS产品在实际应用中提升24的效率是可以实现的，这将产生巨大的节能效益。因此，做好UPS电源产品的效率优化和最高效率点设计是UPS节能的最基本技术，这包括功率电路拓扑的合理选择、功率电路参数的优化、空载损耗的优化、最高效率点设计、冷却方案的设计等，除了需要详细的参数计算外，大量的功率电路试验是不可避免的。高频化技术在UPS产品的电力电子变换技术中，从90年代开始逐步在UPS产品中得到应用的高频化变换技术是提高效率和节能的最主要方法，这些技术应用于UPS中的三个主要功率电路，包括输入AC/DC高频整流、输出DC/AC高频变换、AC/DC充电器。高频化技术的应用使得UPS产品的效率、功率密度得到显著的提升，以1 0 0 0 VA的UPS产品为例，未采用高频化技术前，市电状态下整机的效率一般在7580，采用高频化技术以后，市电状态下整机的效率提升到8085，提高了5，同时功率密度也提升达到了原来的400。高频化技术是电力电子技术发展的方向，也是UPS等电力电子产品实现环保节能的最主要技术手段，是UPS现在和未来技术研究的热点。有源功率因数校正技术从90年代开始，有源功率因数校正技术就是电源工程师研究的热点，到目前为止，已经在双变换在线式UPS中得到了广泛的应用，尤其是在10KVA以下的单相输入UPS产品上，采用专用的控制IC，实现了输入功率因数接近1的良好技术指标；但是，在20KVA以上的三相和大功率产品上，目前市面上的UPS很多还是采用十二脉冲的方式，只有少数知名品牌的大功率产品采用有源功率因数校正技术，实现功率因数大于0.98、电流谐波小于10的技术指标。这主要是因为大功率三相有源功率因数校正技术的数学模型和算法比单相输入的情况要复杂得多，基本要采用全数字化的算法，目前在国际上尚未有专业的控制IC或者算法模块。采用有源功率因数校正技术，除了可以有效提升UPS电源应用系统的效率外，还可以有效降低电网的谐波电流，降低UPS对电网的谐波污染，因此，有源功率因数校正技术得到了厂家和电源研究工程师的高度关注，也是UPS节能技术的重要内容。UPS工作模式与节能从二.1中的表1可以看到，对于微型UPS，后备式或者互动式UPS的效率比在线式UPS的效率高10，这是一个巨大的效能差别，如果全部在线式的UPS能够用互动式、后备式的工作模式来替代，针对于中国每年5000MW的UPS市场采购来说，以在线式占60的比例估算，每年销售的UPS就可以节能25亿度电能，折合人民币12亿元，而如以全部在运行的UPS来测算，效益更是这个值的五倍以上！超过一座2600MW核电站全天候满载运转发出的电能。所以，对于UPS应用方案选择时，只要有条件，尽量采用后备式、互动式的工作模式，对于大功率的UPS电源产品，尽量采用ECO的运行模式，以达到高效节能的目的。可以预言，采用ECO工作模式的UPS是未来大功率UPS的发展趋势。智能化节能设计技术除了上述与功率技术相关的节能技术外，以下的UPS节能方案也值得关注。A、休眠技术在UPS输出空载时，本机设置空载保护。该技术适合应用于小功率UPS、负载容量比较固定的场合，其节能效果也十分明显。B、UPS在工业电源应用中的节能要求在工业应用中，一般以电机设备、工业照明为主，对UPS不间断功能的要求有所降低，但是由于功率一般在100KVA以上，对效率和节能的要求变得十分重要，因此，U P S 应采用E C O 的运行模式，或者采用科华的工业电源IPS6000系列产品，其效率在98以上。C、在公路、工业照明中的节能要求在这些需要长时间照明的应用