通信動力系統UPS的概述及配置計算

2020-07-21 09:58:46吉志明

通信電源技術 2020年8期

吉志明

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063000）

0 引言

UPS（Uninterruptible Power Supply）是指不間斷電源系統，不僅能為系統提供穩定的優質電源，而且當系統停電后能夠確保系統可以繼續正常工作，避免系統突然停電而丟失數據、影響工作或造成事故[1]。UPS同時連接負載和輸入電源，當系統正常供電時，在逆變器和整流器的作用下，可為重要負載提供穩頻、穩壓、優質的電源，而不被電網中的瞬間電壓波動、電涌、頻率偏移、線路噪聲等“污染”干擾，同時整流器向蓄電池組充電；當電網斷電時，蓄電池組電能通過逆變器為負載繼續供電。

1 UPS的組成及工作原理

以UL31系列UPS為例，其組成主要包括：ACDC-AC變換主回路（由逆變模塊INV和整流模塊REC組成）、旁路靜態開關（反向并聯可控硅）、TR2（輸出隔離變壓器）、Q3BP（維修旁路空開）、逆變靜態開關、輸人空開、輸出空開及蓄電池組等。該UPS配備有輸出隔離變壓器，具有高頻雙變換功能，采用了全數字控制技術，因此可直接加入至設備網絡管理系統。圖1為UL31系列UPS的組成。

圖1 UL31系列UPS的組成

在UL31系列UPS結構中各部件的主要功能如下。

主回路上的Q1：負責外網主路電源輸入的控制。

整流模塊：將交流電（AC）轉換為直流電（DC），通過整流器后為負載或蓄電池組供電；還可通過逆變模塊DC/AC轉換，將蓄電池或整流模塊提供的直流電源轉換為交流電源，再經隔離變壓器后輸出。

蓄電池組：蓄電池組是由多個電池串聯組成，用來存儲和提供電能。當電網正常供電時，電能轉化為化學能儲存，當電網停止供電后的一段時間內，將化學能轉化為電能繼續為系統供電。UPS的供電持續時間由蓄電池組的容量大小決定。當電網停電時，蓄電池組經逆變器為負載供電，也可以由外輸臨時電源通過旁路回路經靜態開關為負載供電。當UPS處于檢修維護狀態時，可接通Q3BP開關來開通旁路，以確保負載的持續供電。電網主電源經空氣斷路器Q1、熔斷器、自藕變壓器進入到高頻六管整流器，三相交流電通過整流、功率因數校正轉化為高質量的直流電，由于電路控制采用了DSP實時處理及延時軟啟技術，實現了數字通訊與控制，具有很高的抗外網沖擊能力，使得直流電源質量更加穩定，有效降低了蓄電池組使用壽命受充電紋波的影響。在直流母線與蓄電池組之間設有接觸器，只有當直流母線電壓高于一定閥值時該接觸器才會導通，電流再經過直流濾波電路提供給逆變器。

逆變靜態開關：由兩個可控硅反向并聯而成，由于開關結構無觸點，故稱為靜態開關。靜態開關屬于交流開關，有并機型、轉換型兩種，通過邏輯控制器實現斷開和閉合的控制[2]。逆變器與電網并聯供電系統中采用并機型靜態開關。在多路電源供電網絡中采用轉換型靜態開關，從而實現各路供電電源的自動切換。

2 蓄電池組技術要求

2.1 蓄電池組的使用要求

雖然蓄電池組內環境是免維護的，但仍須做到如下5點。（1）合適的環境溫度，過高或過低的環境溫度均會影響蓄電池組的使用壽命和性能。例如，過低的環境溫度會顯著降低蓄電池組的可利用容量；環境溫度過高，蓄電池組的使用壽命明顯縮短。（2）UPS電網系統通常較少發生斷電情況，這種情況下，蓄電池組長期處于擱置狀態，同樣會影響蓄電池組的使用壽命。因此，應定期（每隔3個月）對蓄電池組進行人為放電/充電，放電量應為蓄電池組現有容量的70%～80%。（3）確保VRLA的密封性能。安全閥的作用是：當電池內部氣體壓強低于外部壓強時，安全閥關閉，良好的密封可有效防止外部氣體吸入；當內部氣體壓強升高并超過安全閥設定值時，安全閥自動打開并降壓。通常安全閥的開啟壓力為10～35 kPa，關閉壓力為3～30 kPa。（4）新舊蓄電池不能混合使用。這是由于舊電池在使用過程中，其內阻會隨其壽命的衰減而增大，當新舊電池混合使用時，充電過程中，由于新舊蓄電池內阻差較大，就會產生較大的分壓，從而造成過電壓充電，對蓄電池使用壽命造成嚴重損害。又由于新電池的內阻較小，通過新電池的電流偏大，易產生充電過電流，從而損害蓄電池的可用容量，嚴重時還會造成電池內部短路而使電池損壞。因此，蓄電池組應選用同廠家、同批次、性能相近的電池（5）蓄電池組投入使用前需對其進行一次補充充電。

2.2 蓄電池組容量測試

蓄電池組補充充電完成待投入使用前，還需對蓄電池組進行容量檢測，所測得的數據作為日后UPS系統維護的參考依據。蓄電池組放電，每隔一段時間測量和記錄蓄電池組的放電時間、端電壓及環境溫度，間隔時間長短與蓄電池組的率容量有關，并且在電池組的放電末期應適當縮減間隔時間，以便測得蓄電池組的準確放電終止時間。須反復充放電并測試3次以上，詳細記錄所測數據。蓄電池組容量為：

其中：t為測試環境溫度；K為溫度系數。

測試過程中，若環境溫度不是標準要求的25 ℃，需對Ce進行基準溫度的換算。

3 UPS容量配置計算的影響因素

3.1 UPS所供負載類型

由UPS供電的負載類型較多，而且多為多種類型負載由同一套UPS供電，不同類型的負載對UPS容量配置會產生不同的影響。如阻性負載、容性負載和感性負載的功率因數與匹配系數均有所差異：阻性負載和感性負載的功率因數取值為1，而容性負載功率因數則通常取0.6～0.7；匹配系數取值時，容性負載取1，阻性負載通常取0.7，感性負載通常取0.3。因此在對負載容量進行計算時應首先對每種類型的負載功率進行折算。

其中：S為視在功率；P為有功功率；K1為匹配系數；COSφ為功率因數。

3.2 UPS工作環境

在UPS環境因素中以溫度影響最為明顯，因此需要嚴格控制系統的環境溫度，通?？刂圃?0 ℃左右，并確保設備擁有良好的通風、散熱條件。除此之外，海拔也對UPS容量有一定影響，一般海拔每增加1 000 m，UPS容量需降低5%。

3.3 UPS容量使用率

通常負載的功率值呈非線性，若UPS容量較小，當負載總電流峰值較大時，UPS長期大電流供電，其輸出電流易產生波形，使得供電可靠性降低，影響系統安全。通常UPS容量使用率應不超過0.8。

4 UPS的選型及蓄電池配置

GB50052—1995《供配電系統設計規范》的強制性條文中規定：一級負荷中特別重要的負荷，除由兩個電源供電外，尚應增設應急電源。而生產裝置的操作及重要設備等都由UPS電源供電[3]。

4.1 電源法

采用電源法計算蓄電池組的容量是所有常用方法中最為準確的一種方法，采用該方法計算時，所得到的蓄電池組配置容量最大，因此多用于重要系統的蓄電池組容量配置選型計算[4]。由于電源法考慮進了蓄電池組工作時對計算結果的環境條件等影響因素，特別是環境溫度對蓄電池組容量的影響，即使環境溫度差異較大，采用該方法也能夠準確地算出電池組容量。

電源法計算方法為：

其中：Q為蓄電池組的計算容量；K為安全系數，通常取1.25；I為輸出電流；T為蓄電池組的總放電時間；t為蓄電池組環境溫度最低值；ɑ為蓄電池組溫度系數；η為電池組放電容量系數。

4.2 恒功率法

根據能量守恒定律，蓄電池組的輸出功率應略大于負載的消耗功率，只要算出負載功率，便容易算得蓄電池組輸出功率。因此采用功率法可快速的計算出蓄電池組的配置容量，此方法也是最常用的計算方法。計算雖然方便快捷，但準確度受到蓄電池后備時間、電池折舊、環境溫度等因素的影響較大，通常只適用于后備時間在1 h之內、蓄電池組運行環境穩定、電池較新等情況，能夠較為準確計算出結果。

此外，不同等級和容量的蓄電池組恒功率與其容量值不具有線性關系，因此電壓等級或電池容量不同時不能直接進行簡單的容量轉換來計算，需要分別根據各自的恒功率數據重新計算配置。蓄電池不同放電階段下的放電功率有所差異，這就需要計算不同時間下的功率值數據，以提高計算結果的準確度。

4.3 恒流法

采用恒流法計算蓄電池組配置方案比較便捷，適用于各種品牌、各種等級的蓄電池。該方法以蓄電池組的容量換算系數及標稱電壓為基礎，在相應的放電時間內粗略的計算出蓄電池的容量。計算公式為：

其中：V標為標稱電壓；μ為容量換算系數。

4.4 估算法

估算法適用于各種品牌蓄電池，通常當在未指定具體蓄電池組品牌的情況下可行采用該方法。由于各種品牌的蓄電池組放電速率差異并不大，利用蓄電池組的放電速率及最大電流可以計算出蓄電池組配置方案。放電速率是蓄電池在出廠前試驗室測得的數據，是各品牌生產廠家給出的試驗值，并不代表蓄電池組任一階段的放電速率，因此利用放電速率只能計算出蓄電池組放電速率與后備時間相對應下的容量配置。通常實際配置=計算容量配置×（0.75～0.8）。