UPS供电系统现状与技术发展趋势

UPS供电系统现状与技术发展趋势,1，UPS供电系统现状和值得思考的问题2，当前UPS供电系统设计和配置中存在的几个问题,目录,采购：关系、价格，厂家得利运行：质量、维护，用户得利,一，UPS供电系统现状和值得思考的问题,当前UPS供电系统典型结构示意图,逆变器工作波形,AC/DC（6脉冲）,5、7次无源滤波,配电,DC/AC全桥或半桥PWC控制,配电滤波器变压器,UPS输出电压AC220V/50HZ,负载电流PF=0.6CF3,UPS输入电流PF=0.7THDI30%,直流母线电压,器件电压：全桥380V半桥760V,传统UPS系统结构,电池组,（1）系统可靠性问题；系统复杂、单路经故障点多、设备可靠性差、维护难度大等。（2）系统电流谐波干扰问题；系统中存在两个谐波源-负载开关电源和UPS。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波设备、降低输入功率因数和能源利用率、对地线系统提出苛刻要求等。（3）系统成本和能源消耗问题；能源两次转换降低了效率、系统复杂性提高了购置成本和运行成本、电流谐波的存在增加了滤波设备、输入功率因数的低下降低了系统设备容量利用率。（4）系统标准化问题；系统复杂为标准化带来困难，系统设计建造停留在手工业阶段。（5）系统的灵活性和可扩展、变更问题；以计划容量一次性投入、难以变更和扩展，缩短了生命周期。（6）系统使用维护难度问题。要求较高的维护水平，多供应商和非标准化使故障修复困难。,当前UPS供电系统存在的问题,与安全有关的两大问题,一,系统的可用性：可靠性低，造成系统不可遇见的突发性故障,2,谐波干扰：造成系统隐性故障,谐波电流对系统和电网的污染,1、谐波电流是UPS输入功率因数低的主要原因,2、输入功率因数低是降低电能利用率和系统工作效率低的原因之一在电压是正弦波的情况下，所有的谐波电流形成的功率都是无功的,3、谐波是中线电流大的主要原因所有的3次及3的整数倍3n次谐波电流在中线上都是同相位迭加的,4、电流峰值因数对供电设备和传输导线容量的影响增大传输损耗,5、谐波电流对供电系统的污染使设备和元件产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电效率；加速电缆绝缘老化，缩短使用寿命；干扰由同一电网供电的其它电气设备的正常工作；引起局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大；导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确；对通信和计算机系统产生干扰,UPS供电系统的谐波治理谐波治理是UPS设备性能改进和供电系统配置研究的重要的课题。治理措施：增大电力系统的供电容量和传输电缆、开关等设备容量；改变变压器的配置和不同的方式联接方式；在系统中和设备内部配置无源滤波器；在UPS设备输入端采用输入功率因数校正电路-PFC在系统或设备输入端配置有源滤波器,各种滤波形式的性能比较,6脉冲整流12脉冲整流无源滤波有源滤波（包括PFC整流）,提高系统可用性方法之一：单机冗余并机系统,提高系统可用性方法之二：双总线冗余并机系统,1946年，美国货车司机马尔科姆.麦克莱恩研制发明集装箱运输货物获得成功，1956年，他的第一支集装箱船队“理想六号”驶出了纽瓦克港。从此世界储运史悄悄地翻开了新的一页。一种简单的装储形式的变革集装箱用于储运，码头装卸时间大大缩短，由数天压缩到数小时，而且每一艘船只的储运量比以前提高了五倍，美国到欧洲的货运时间足足减少了四周。如今,一种机架式的模块化UPS也正在或即将悄悄地引起一种这样的变革。按标准化模式生产的UPS机架式模块化UPS相对于传统立式(塔式)结构UPS而言，能够安装在标准机柜中，节省占地面积与空间，便于安装、使用及维护，能够使用较短的功率连接电缆。通过减少关键设备与负载之间的故障点，模块化UPS可提高整个系统的可用性。,提高系统可用性方法之三：单机模块化UPS,提高系统可用性方法之四：集成化UPS供电系统结构框图,供电设备制造和供应渠道的统一化；设备结构的一体化和连接的规范化；各设备和环节状态管理的集中化；各设备和环节结构的模块化、冗余配置和连接的热插拔功能。,提高系统可用性方法之五：,智能监控与管理,1，自检功能：定期的自检功能，以防患于未然；2，UPS远程诊断与维护功能：远程检查UPS状态、查询预警信息；3，自动关机功能：UPS执行定制化的数椐保护功能；4，自动报警功能：UPS系统故障时，通过电子邮件、寻呼、弹出式信息等方式实时通知系统管理员。,是提高管理水平的辅助手段，可提前发现故障隐患，减少故障发生的概率，防患于未然,逆变器工作波形,AC/DC（6脉冲）,AC/DC12脉冲,PFC整流,11次无源滤波,5、7次无源滤波,有源滤波,配电,DC/AC全桥或半桥PWC控制,配电滤波器变压器,UPS输出电压AC220V/50HZ,负载电流PF=0.6CF3,UPS输入电流PF=0.7THDI30%,直流母线电压,PF=0.99THDI5%,PF=0.99THDI5%,PF=0.95THDI10%,主机模块化,系统冗余结构-STS,智能管理,集成化系统,当前UPS供电系统结构图,器件电压：全桥380V半桥760V,电池组,值得思考的问题：,传统的UPS供电系统方案已经走过了50年IDC供电系统设计建造的现状和趋势是：系统不断复杂化；设备堆积、结构臃肿；成本不断攀升；效率难以再有效提高；五花八门，难以标准化。系统可靠性差是造成以上现象的根本原因,值得思考的问题之一：可靠性问题,用户感觉到UPS系统故障的频率不亚于市电掉电故障的频率，平均每年一次市电掉电有UPS系统保护，而UPS系统故障由谁保护呢？,负载对系统可靠性要求提高，是因为UPS系统的可靠性不高,在系统正常的情况下，市电掉电时可保护负载不间断地继续供电市电掉电和系统故障发生在同一时刻是不大可能的但市电正常，系统本身故障却没有确有把握的保护,值得思考的问题之二：谐波源治理问题,系统中的谐波是负载和UPS设备自身产生的，而不是电网带来的，供电系统为治理电流谐波付出的代价是巨大的，有没有更有效的消除电流谐波源的办法呢？,值得思考的问题之三：建造成本,系统建造和运行成本还要继续升高吗？,治理谐波电流要增加有源或无源滤波器；要提高设备可靠性，冗余并机使UPS设备购置成本加倍；要提高系统可靠性，双总线冗余配置使设备购置成本再加倍；要降低零地电压差，需要再配置隔离变压器，提高电缆规格；,值得思考的问题之四：能源效率,系统运行的能源效率还有提升的余地吗？,提高设备工作效率、降低系统中电流谐波形成的无功功率，对提高系统能源效率起到了一定的作用，但设备轻载工作、UPS冗余配置、系统双总线配置等提高可靠性的措施，又明显地提高了系统消耗的功率,系统复杂性本身造成了系统能源消耗不断增大的趋势,值得思考的问题之五：维护使用难度,系统维护难度大的原因是：系统复杂；可靠性差；没有标准化,系统故障总数中的50以上是由于系统中各环节和设备的安装问题、人为操作和维护问题引起的,值得思考的问题之六：适应性,系统的适应性有多大讨论的空间呢？,我们对适应性成果看到的星星，而不是月亮，太阳,当经济环境的变化周期小于设备的生命周期时，就会对设备的适应性提出要求。由于技术发展和经济环境的不确定性和不可预测性，要求一台设备能够自动而有准备地适应新的需求是根本不可能的。,值得思考的问题之七：标准化问题,难道系统标准化永远是句口号吗？,其他行业中标准化的观念已上升到一个新的高度，成为了一种富有创造性并具有突出战略意义的企业哲学。,IDC机房的标准几乎没有什么进展。还停留在手工行业阶段：将来自不同供应商的不兼容的设备进行定制化设计，组合成一个独特的大型基础设施系统。因而产生了难以设计、部署、维护和管理的系统,所有应用技术和产品最终都是用商业价值决定优劣的,标准化对提高可用性、提高适应性和降低总拥有成本起着重要的作用,值得思考的问题之八：正确地选用配置UPS,根据需要确定选用标准；计算机对UPS电性能指标要求并不高；任何高指标都是要以提高成本和降低可靠性为代价的；屏蔽和排除厂家的误导,二、UPS系统设计和应用中存在的几个问题,1、计算机类负载对UPS电性能指标要求不高2、隔离变压器在供电系统中的功能3，机房接地问题4、如何配置双市电输入5、双总线系统的单路径故障点与新的配置方法6、冗余系统中再冗余对可用性的影响7、关于UPS输入电压变化范围,1、计算机类负载对电性能指标要求不高,性能指标计算机类负载的要求电压稳定精度+15%，-20%+20%，-35%波形失真度有效值峰值变化=稳压精度范围三相电压不平衡度5%频率变化范围20%市电掉电时转换时间（ms）20,1、计算机类负载对电性能指标要求不高,上部轨迹：电源低电压DC输出中间轨迹：输入电压和电流,断开AC后，承担大容量负载的计算机电源输出延迟一段时间后才开始下降。,1、计算机类负载对电性能指标要求不高,1、计算机类负载对电性能指标要求不高,百万千万台PC机是在输入电压11.25%范围内工作的,后备式方波输出UPS,2、隔离变压器在供电系统中的功能,UPS输入12脉冲整流必须配置隔离变压器输出DC/AC全桥逆变器需要隔离变压器系统零地电压差大时需配置隔离变压器普通隔离变压器抗干扰能力不强全桥逆变器可去掉输出隔离变压器,2、隔离变压器在供电系统中的功能,2、隔离变压器在供电系统中的功能,IT接地系统(浮空),TN-C接地系统(适用三相平衡负载),TN-S接地系统,TN-C-S接地系统,进户前进户后,TT接地系统(保证PE不带电),3、机房接地问题,4、如何配置双市电输入,UPS静态旁路,UPS主电路,市电输入1,市电输入2,(a)UPS双输入接法,无转旁路功能的UPS,市电输入1,市电输入2,(b)交流输入1掉电时的系统状态,可延时(电池供电时间)不间断转换的STS,市电输入1,市电输入2,(c)交流输入2掉电时的系统状态,市电输入1,市电输入2,ATS,UPS,（d）双路市电的正确接法,5、双总线系统的单路径故障点与新的配置方法,市电1,市电2,油机,ATS1,ATS2,配电1,配电2,UPS1,UPS2,配电3,配电4,双电源,STS,单电源,配电1R1,UPS1R2,UPS1.2R2.1,配电2R1,UPS2R2,UPS1.2R1.2,总线同步器R3,总线同步器,输入输出配电柜1-4,A1=0.99999，UPS,AU=0.9999（MTBF=10万小时，MTTR=8小时），STS,As=0.99999。电网输入冗余系统,At=0.99999，,6、冗余系统中再冗余对可用性的影响,ATSAt=0.99999,油机Ay=0.999，市电（在电网环境较好的地区）Ai=0.999,6、冗余系统中再冗余对可用性的影响,市电1,市电2,ATS1,油机,ATS2,市电1,市电2,ATS1,油机1,ATS3,油机2,ATS2,(a),(b),7、关于UPS输入电压变化范围,输入电压范围小的缺点：不能保证电池总是能够处在饱满的能量备用状态解决办法一：加大UPS允许的输入电压变化范围，例如2025%，这