三相UPS電源技術趨勢

數據中心UPS供配電系統是非常重要的一個子系統。用戶對UPS供配電系統的要求,主要表現在三個方面:高可用性、全生命周期的總成本、對運輸安裝就位及場地的適應性以及使用操作維護過程中的靈活性?;谟脩暨@三方面的要求,三相UPS電源究竟要往何處去?

新的運行模式-革命性的超級旁路優先運行模式

重新審視歷史上出現的雙變換、后備式、在線互動式和Delta變換等電氣變換技術,今天市場上5kVA以上的UPS大都采用雙變換模式,這好像是天經地義的。但是,仔細研究會發現一個事實,傳統的逆變器優先運行模式(雙變換模式)千辛萬苦,將市電通過整流器和逆變器進行能量的兩次100%轉換,好不容易輸出了1%精度的交流電給負載供電,但是看看IT設備對交流電源的要求(-20%,+10%,40~70Hz),可以發現1%的電壓精度其實對IT設備沒有多大價值。相反,在雙變換模式下,能量經過兩次100%的轉換后效率較低(90%~95%),最要命的問題是電容、電感、功率器件IGBT等每秒鐘都要承受所有的負載電流,元器件的疲勞老化嚴重,壽命降低,從而可用性降低。從本質上來說,傳統的逆變器優先運行模式(雙變換)就是一種低可用性的模式(圖1)。 

三相UPS電源技術趨勢-1

為了提高可用性,降低TCO(提高效率),早在2010年,行業里面又推出了一種新的運行模式,叫做ECO模式(經濟模式),也叫做旁路優先運行模式。該種模式下,絕大部分的時間UPS都是工作在旁路。當旁路市電超出了IT設備能夠允許的范圍(設定的窗口)之后,它將會自動的切換回逆變器運行模式。這種模式相當于是市電直通,輸入的性能指標就是IT負載的性能指標,即UPS輸入功率因數=IT設備的功率因數(0.90~0.95),輸入的諧波電流=IT的設備的諧波電流(15%~30%)。這種模式的好處是市電直供,效率可達99%。ECO模式的缺點是,市電電網的故障是千變萬化的,在某些情況下,它不能夠保證百分之百地能從旁路模式切換到逆變器模式,它會有一個切換時間,當切換時間超過IT設備能夠承受的范圍時,就會造成IT設備重啟,使得IT應用的可用性降低。  

可見逆變器優先運行模式(雙變換模式)和普通旁路優先運行模式在可用性方面都有較大的弱點。2012年施耐德研發團隊研發出了第三種模式-即超級旁路優先運行模式(E變換模式)。它不是普通的旁路優先模式。如圖1所示,該模式下,逆變器與旁路市電并聯工作,逆變器精確控制的結果是最終實現由旁路市電提供有功功率(基波電流),逆變器提供無功功率(諧波電流),兩者合起來就是IT負載所需要的電流。因此市電的輸入功率因數可以做到>0.99,輸入的諧波電流<3%。該模式下UPS提供一級供電質量,保證IT設備的正常運行。同時,逆變器還可以給電池提供10%的充電能力。  

當市電電網有問題時,會自動關斷旁路市電供電,由逆變器100%的給負載供電,由于逆變器本身一直在工作,因此也就不存在切換時間,或者說切換時間=0ms,從而保證了可用性。同時特殊的可控硅關斷控制技術,也確保電池的能量在任何情況下都不會倒灌回電網。 

仔細分析發現,超級旁路優先運行模式最大的優點其實是:電容、電感、功率器件等沒有承受所有的負載電流,長期處于輕載運行,因此元器件的疲勞老化輕微,壽命延長,系統可用性提高??梢哉f超級旁路優先運行模式理論上就是一種高可用性的運行模式。另外,在這種模式之下,我們看到效率也非常高,可以達到98.8%。  

總結如下:超級旁路優先運行模式下功率器件負載率低,器件疲勞老化輕微,是一種高可用性的運行模式。輸入功率因數0.99,輸入諧波含量<3%。輸出供電質量達到國際一級標準,切換時間為零毫秒,效率高達98.8%以上。滿足了用戶高可用性、高效率、高輸入性能指標的要求,這是非常完美的一種模式。這種模式是施耐德在2012年獲得的技術專利,并在2014年開始全面應用到GalaxyV系列產品。  

下面計算對比一下超級旁度優先模式(E變換)和傳統的逆變器優先模式(雙變換)的能耗。以1000kW的IT負載為例,施耐德Galaxy7000系列UPS雙變換模式的效率是94.3%,而GalaxyV系列UPS超級旁路優先模式的效率可以達到99.1%,效率差是4.8%。再考慮到空調的耗電,總共加起來了兩個系統的效率差是6.4%,在1000kW負荷下,每年節省365×24×6.4%×1000=56萬度電,三相大功率UPS一般使用壽命都是十年以上,十年下來,它可以節省560萬度電。

多電平逆變器技術(圖2)

多電平逆變器技術(圖2)

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