飞轮UPS的技术原理及应用

提到飞轮动态UPS,可能很多工程技术人员对此比较陌生。为了对动态UPS有进一步的了解,以下简单介绍一下UPS的发展历程。

UPS从最初的飞轮发电机到今天,已经度过了40多个春秋,由单一旋转发电机式发展到今天的多功能旋转发电机式、静止变换式、旋转静止结合式三大类。最早的UPS原本是用途广泛的电力保障设备,随着半导体技术和电力电子技术的进步和发展,诞生了比第一代旋转式UPS更为先进的静止变换式UPS。最初的静止变换式UPS其功率器件由晶闸管制成,并在大、中容量UPS中得到了广泛应用。MOS功率管普遍地应用在中小容量的UPS中,但这种功率管难以达到高电压、大电流,其饱和压降大于晶体管,于是兼具前两者优点的绝缘栅双极晶体管(IGBT)应运而生,促使UPS的逆变技术更趋成熟。但IGBT有寄生电流擎住效应,在一定程度上限制了其使用。

1   UPS的分类

(1)静态UPS

静止式UPS分为在线式和后备式。这两种UPS的结构大致相同,其主体结构都包括整流(充电)器、蓄电池、逆变器和转换开关等4个部分。二者的区别在于工作方式不同:在线式UPS的逆变器自始至终都在工作,而后备式UPS只有在供电异常时才启动逆变器。后备式UPS供电质量虽然差,但其效率高,价格低廉,多用于家庭及对电网要求不高的场所。在线式UPS供电质量相对要高,但价格贵得多,因此多用于精密设备、网络领域及特殊供电要求的场所。而互动式UPS兼顾了前两者某些优点,效率高、转换时间短、性能价格合理,逐渐得到用户的认可。随着市场竞争的日趋严峻,不同厂家根据用户的特殊要求而设计了不同应用场合的UPS,如邮电专用型、电站专用型、铁路专用型、油田专用型等。

(2)动态UPS

动态UPS的不间断供电是依靠旋转部件释放动能实现的。动态UPS与静态UPS在技术上各有所长,以不同的技术方式实现对重要负载的不间断供电。动态UPS弥补了静态变换式UPS的不足(需配套大量的蓄电池)。动态UPS结合自身的显著特点,经过几十年不断的发展和改进,在大功率UPS市场已经独树一帜。动态UPS相比静态UPS,单机效率高，优势明显，功能强大，具备了集成化的电源解决方案。由于其结构紧凑，可靠性高，因此随着功率应用的增高，其高效率产生的经济效益更加突出。因此在大功率UPS国际市场上得到了广泛应用。

2   飞轮储能UPS供电系统描述

那么到底什么是飞轮旋转动态UPS呢？其技术原理是怎样的?有哪些优点呢？

美国Active Power飞轮储能UPS属于在线式UPS的一种,它集传统在线式UPS和动态UPS二者技术特点于一身。以下以其为例介绍这种UPS的构成、特点及工作原理。

飞轮储能UPS由输入保险、输入接触器、静态开关、在线电感器、输出接触器、逆变器、滤波电感器、飞轮、旁路等组成。Active Power UPS核心技术为飞轮储能技术,拥有35项美国专利。飞轮和电机系统密封在真空容器内,能量蓄满时飞轮转速高达7700r/min,如图1所示。动态飞轮UPS可以提供优质电源,确保精密的仪器设备和生产线免受毫秒级电网波动的影响,减少数据通信中的高误码率。

图1  飞轮UPS的旋转部分

UPS在市电出现波动时,由于飞轮的惯性能补偿短时间的电压突变,保证了输出电压的稳定。在市电中断时,由于飞轮的惯性将动能转变为电能,满载时可维持额定电压12s,在此期间发电机自动起动带载,恢复对重要负载的正常供电。其不间断供电工作过程如图2所示。

图2  飞轮储能UPS的不间断供电工作过程

3   飞轮UPS的工作原理及运行模式

飞轮UPS内部的拓扑结构是目前市场上并不常见的在线互动式,具体结构如图3所示。在正常情况下,电源经过输入接触器在滤波电感的作用下滤除有害的高次谐波,然后直接通过输出接触器直接输出给负载,在此过程中对电压进行调节,保证满足负载要求。

图3  飞轮UPS工作原理和拓扑结构

Active Power UPS采用飞轮动态储能技术,能大大改善电能质量,完全零切换,电能回充时间短,特别适合防止瞬时波动。可应对电源的各种异常,保障设备正常工作。

4   各种电力意外情况下UPS工作过程

4.1   电压骤降和瞬时中断

(1)电压一旦骤降或中断,DSP能在瞬间测出。

(2)输入电压在220(l±l0%)之内时,不耗用飞轮能量。

4.2   谐波

(1)基于DSP技术测出负载的谐波电流,通过IGBT逆变器和滤波电感构成的电力有源滤波系统实时地向系统注入反向等量的补偿电流,以达到消除谐波和进行无功补偿的目的。

(2)负载谐波不会在输入侧出现。

(3)输入侧无需脉冲整流滤波器,便于和同容量的柴油发电机组整合使用。

4.3   功率因数及电压波动

(1)通过无功电流在输入侧以及在电感和逆变器之间的流动,将输出电压波动幅度控制在±2%之内,并使输入侧功率因数达0.99。

(2)在额定输入电压时没有有功电流的交换。

(3)负载的超前和滞后电流由市电逆变器提供(无功电流的大小取决于输入和输出的电压差)。

(4)负载的有功功率由市电输入提供。

4.4   浪涌、尖峰及其它毛刺*

(1)使用高能瞬态电压浪涌抑制器(TVSs)和大容量在线电感进行过滤。

(2)瞬态能量通过逆变器被直流电容吸收,从容应对6000V以上的瞬间高压。

4.5   频率输出

频率波动频率超出特定窗口时,在线的静态开关自动关断,由飞轮放电来提供稳定的频率输出。

4.6   长时间电力中断

(1)对于持续、长时间的电力波动,通常将Active Power UPS和发电机组整合使用以提供不间断电源。

(2)输入侧无整流滤波器,总畸变<4%。

(3)保护发电机组免受瞬态影响。

(4)对发电机组的频繁测试不会损害整个系统的寿命和可靠性。

5   飞轮动态UPS的优点

飞轮动态UPS具有传统UPS无法比拟的优点:

(1)摒弃了传统UPS中两个不可靠的部件:传统型UPS的蓄电池组和满载持续运行的逆变器。电池是最薄弱的环节,电池故障占传统型UPS故障的60%。

(2)模块化设计,容量扩充方便。这种飞轮UPS的控制系统是共用的,对于380V配电系统,一个储能模块的容量为250kVA/200kW,可实现按需分期投资。

(3)采用快速IGBT设计,集整流和逆变于一体,平均故障间隔时间为65年。

(4)效率高达97%以上,经济可靠,而且不会因带非线性负载而降低效率。

(5)外形尺寸更小,场地需求只有传统UPS的1/3。

(6)能与发电机组良好地匹配。

(7)对电网无谐波反射。

6   飞轮动态UPS的主要参数

6.1   输入特性

(1)功率因数:0.99(额定负载和电压下)。

(2)电流谐波畸变率:<3%(线性负载);

(3)不会对市电造成回馈污染。

6.2   输出特性

(1)功率因数:0.7(滞后)至0.9(超前)。

(2)电压谐波畸变率:<3%(额定线性负载);<5%(额定非线性负载)。

(3)电压调节:稳态±2%(输入±10%内,平衡或不平衡负载);瞬态±5%(100%突加负载)。

(4)频率调控:输入50Hz±10%,输出50Hz±0.2%。

6.3   过载能力(有市电状态)

(1)过载1000%时,10ms。

(2)过载500%时,1s。

(3)过载200%时,30s。

(4)过载125%时,10min。

6.4   维持时间

(1)15s(满载)。

(2)30s(半载)。

6.5   质保和安全体系

(1)所有产品均经工厂严格的检验和测试。

(2)获得ISO9001、CE、UL等认证。

(3)安全满足 5009i-1-1。

(4)抗扰动性和电磁兼容性满足EN50091-2。

7   飞轮动态UPS的应用模式

(1)与发电机组、ATS柜整合使用,可持久不间断供电。

(2)和传统型UPS整合使用。飞轮储能模式比电池更适于多次短时间的电源故障,并可以显著延长现有UPS电池的寿命,从而使整个UPS系统的可靠性大大增加

(3)其它改善电源品质和短时保护的应用领域。

(4)可移动供电。