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    UPS逆变电源系统选型及其性能评估

    2020-3-17 17:27:38      点击:
    不间断电源系统是医疗、军事、通信、空管等行业数据机房安全可靠运行的根本保证,因此有必要对其选型及性能评估进行研究。民航宁夏空管分局的研究人员肖龙,在2020年第1期《电气技术》杂志上撰文,分析了在不间断电源系统选型时需要考虑的关键因素,提出了选型时需要的步骤。通过系统建模,对输入输出电压的总谐波失真、瞬态响应时间和电网切换时间进行分析,说明系统性能评估参数的重要性。在Matlab/Simulink环境下对2kVA在线式不间断电源系统进行了建模仿真,仿真结果表明,该性能评估参数对不间断电源系统选型后的运行具有至关重要的作用。

    随着电子技术的不断发展,人们对供电系统可靠性的要求不断提高,不间断电源(uninterruptible power supply, UPS逆变电源)的应用场合不断增多。目前UPS逆变电源系统种类和功能繁多,特定的场合需要哪种类型和配置的UPS逆变电源系统被广泛关注;选定UPS逆变电源系统后如何评估UPS逆变电源系统性能也成为人们关注的焦点。本文从选型和性能评估两个方面展开论述。

    1  UPS逆变电源系统选型

    1.1  选择UPS逆变电源系统考虑的因素和步骤

    选择特定类型和配置的UPS逆变电源系统取决于以下几个因素:①功率要求;②功率因数;③成本;④尺寸和重量;⑤电网环境;⑥可靠性;⑦保护;⑧电能质量要求等级;⑨电池组的大小。

    选择UPS逆变电源系统的过程包括7个步骤:①确定UPS逆变电源系统的需求;②计算UPS逆变电源系统的功率;③选择UPS逆变电源系统的类型;④选择UPS逆变电源系统的配置;⑤UPS逆变电源系统的安全性;⑥UPS逆变电源系统的可用性;⑦UPS逆变电源系统的经济性。图1为UPS逆变电源系统的选择流程图。

    图1  UPS逆变电源系统选择流程图

    1.2  确定UPS逆变电源系统的需求

    UPS逆变电源系统的选择在很大程度上取决于系统的应用场合。应用在医疗、军事、民航、通信等场合的重要设备不容许有任何供电中断的情况出现,此时就需要UPS逆变电源系统提供不间断的电源直到公共电网恢复供电。对各类数据中心而言,在整个设备掉电前UPS逆变电源系统必须提供短时间的电源以供数据设备进行备份等操作。电力公司的商业停电历史记录可以更好地提供有关UPS逆变电源系统选择的统计数据。


    1.3  计算UPS逆变电源系统的功率


    需要诸如负载容量、功率因数、浪涌电流、负载电压、相数和频率以及备用时间的规范来确定UPS逆变电源系统的大小。对于单相系统,负载容量可以计算为(UI)/1000;对于三相系统,负载容量可以计算为(1.73UI)/1000。负载功率因数应在0.7~1的范围内,具体取决于负载的性质。电池大小取决于负载大小和负载安全关闭所需的持续时间,电池容量随着放电速率的增加而降低,因此电池容量决定了电池尺寸的大小。


    1.4  选择UPS逆变电源系统的类型


    UPS逆变电源系统类型的选择取决于系统的电源质量、保护、效率、体积大小和重量。不同类型的UPS逆变电源系统有着不同的特点。表1给出了不同类型的UPS逆变电源系统的特征。




    表1  不同类型UPS逆变电源系统的特征


    1.5  选择UPS逆变电源系统的配置


    保护等级和负载的功率决定了UPS逆变电源系统的类型和配置。基于变压器的UPS逆变电源更适合大功率应用,由于电流隔离,它们更适合在电网环境较差的情况下为更敏感的设备(如医疗设备和数据中心)提供保护。无变压器UPS逆变电源系统更便宜,尺寸更小,适用于低功率应用,它们更适合在电网环境较好的情况下应用。


    复杂的控制系统会增加UPS逆变电源系统的成本。因此,UPS逆变电源系统的选择取决于性能和成本之间的平衡,同时还要考虑到最适合环境等其他因素的可接受水平。表2展示了不同UPS逆变电源拓扑结构的特性。
     


    表2  不同配置UPS逆变电源系统特性
     
    1.6  UPS逆变电源系统的安全性


    在选择UPS逆变电源系统时,应该最重视安全性。为安全起见,必须遵循政府和商业机构采用的规范和标准。电池组的操作需要特别小心。


    1.7  UPS逆变电源系统的可用性


    由于UPS逆变电源系统需要在任何市电中断的情况下提供不间断电源,系统的可用性和可靠性显得非常关键。UPS逆变电源系统的可用性由式(1)定义




              式 (1)


    式中:AUPS逆变电源为UPS逆变电源系统的可用性;MTBF为平均无故障时间;MTTR为平均修复时间。通过并机引入冗余单元可以提高UPS逆变电源系统的可靠性,其中每个单元能够为共同的负载提供不间断电源。


    1.8  UPS逆变电源系统的经济性


    UPS逆变电源系统的成本取决于系统的类型、配置、保护、备份时间和额外的附加功能。具有自动监控、快速切换和控制功能的大多数复杂系统需要额外的组件,这增加了系统的复杂性和成本。成本分析只能在前6个步骤结束时完成。


    2  UPS逆变电源系统的性能评估


    对于分析UPS逆变电源系统的性能至关重要的参数包括输入功率因数、输出电压的总谐波失真(total harmonic distortion, THD)、瞬态响应时间以及从公用电网模式到备用模式的传输时间,反之亦然。因此,建议UPS逆变电源系统的性能指标符合规定的标准。表3显示了由IEEE标准ANSI/IEEE 446—1995定义的3相UPS逆变电源系统性能规格。




    表3  由IEEE标准ANSI/IEEE 446—1995定义的3相UPS逆变电源系统性能规格


    在Matlab/Simulink环境下搭建了2kV的在线式UPS逆变电源系统,对本文提出的性能评估参数进行了建模仿真,分别给出了输入电压、线性和非线性负载、变化的负载、输出电压动态偏差和状态切换的电压电流波形,通过仿真结果对输出结果进行分析。图2为输入的电压和电流波形。 




    图2  输入电压和输入电流波形


    输入电流和输入电压相位几乎一致,使THD最小,根据IEEE标准ANSI/IEEE 446—1995,在额定负载下最小功率因数为0.8,并且对于输入整流器谐波含量小于5%的UPS逆变电源系统是优选的。


    UPS逆变电源系统逆变器的输出电压和电流应调节好,非线性和非平衡负载的THD小于5%。此外,逆变器应对负载的突然变化表现出优异的响应。


    图3为UPS逆变电源系统逆变器的输出电压和电流,根据标准,线性和非线性负载的THD小于3%(IEEE标准4%,每个谐波3%)。




    图3  UPS逆变电源系统逆变器的输出电压和输出电流波形


    图4为逆变器分别对负载从0变化到100%和负载从100%变化到0的阶跃响应。图5为用于添加和去除变化线性负载的输出电压的动态偏差。控制器的动态特性不应超过IEC 62040-3—1999标准的分类1,输出电压变化5%。


    从电网模式到备用供电模式的传输时间对于评估UPS逆变电源系统的性能非常重要。在线UPS逆变电源系统的传输时间可忽略不计,而在线交互式和离线UPS逆变电源系统在UPS逆变电源运行模式的变化期间有切换时间。




    图4  UPS逆变电源系统逆变器对负载变化的阶跃响应




    图5  输出电压的动态偏差


    图6和图7分别为从电网模式到备用模式和从备用模式到电网模式的阶跃变化的波形。仿真表明,电网状态的变化对UPS逆变电源输出状态无影响,实现了无缝切换,并且切换时间实现了ms级。
     


    图6  电网模式到备用模式的电压和电流波形




    图7  备用模式到电网模式的电压和电流波形


    3  结论


    本文根据UPS逆变电源系统应用场合介绍了选择UPS逆变电源系统的7个步骤,从功率因数、成本、尺寸和重量、电网环境、可靠性、保护、电能质量、电池组的大小等方面详细阐述了UPS逆变电源系统选型的要求;从输入功率因数、输出电压的THD、瞬态响应时间以及从公用电网模式到备用模式的传输时间分析了UPS逆变电源系统的性能要求。


    仿真结果表明,功率因数、输出电压THD、瞬态响应时间和电网状态切换时间等参数能真实地反映UPS逆变电源系统运行性能。