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再論UPS與動態電壓恢復器
在IEEE標準中,電壓跌落是指電壓有效值下降到標稱值的10%～90%,持續時間為10ms到1min的電壓下降過程?，F今普遍認為電壓暫降是由系統內的短路故障、大型電動機設備投切、大型變壓器空載勵磁等引起的;電壓跌落會導致敏感負荷發生故障、停運、損壞等種種問題,甚至會給用戶帶來巨大的經濟損失。電力系統中不可避免的電壓暫降事件與敏感設備之間的矛盾日益突出,使得電壓暫降問題稱為工業界及學術界蕞受關注和亟待解決的電能質量問題。
UPS、DVR這兩種電能質量解決裝置在結構上都采用類似的大功率逆變器、數字化控制芯片、后備儲能元件、旁路隔離系統等構成,但各自又有些不同點,這里列舉兩種裝置在應用領域、工作模式、治理對象、儲能器件以及方案配置上的差異性,為行業解決方案實際應用選型提供參考。
1 應用領域
圖1為在線式UPS原理示意圖。在線式UPS運行模式可分為正常運行模式、后備模式、旁路運行模式三種,以下是這三種運行模式的特點:
?、僬＿\行模式:整流器設備將市電輸入的交流電通過整流輸出直流電至逆變器;逆變器將由整流器輸出的直流電逆變之后輸出交流電給到負載設備,保證設備正常工作。
?、诤髠淠Ｊ?UPS設備直接與直流系統相連,當市電異常時,直流系統馬上輸出直流電源至逆變器以替代中斷的整流器輸出電源。在輸出的過程中,對負載電壓無任何影響。
?、叟月纺Ｊ?旁路模式分備用旁路及維修旁路兩種,備用旁路主要用于當逆變器處于不正常狀況,如逆變器為過溫、短路、輸出電壓異常或過載等,逆變器自動停止運行以防損壞;維修旁路是當UPS設備需要進行維護或維修時使用。用戶可將UPS切換至維修旁路模式,以保證系統的不間斷并保障維護維修人員的安全。
DVR動態電壓恢復器是以整個電氣系統安全著想而設計的電壓暫降抑制裝置,其主要功能是有效防止電壓波動對負載的影響,適用保護整條生產線的正常工作,用于石油化工、半導體精密制造、汽車制造行業。圖2為DVR工作原理示意圖。動態電壓恢復器可并聯在系統供電線路和負荷之間。
DVR運行模式可分為電網電壓供電模式、逆變供電模式兩種,以下是這兩種運行模式的特點:
?、匐娋W電壓供電模式:當市電正常工作時,系統工作在電子旁路狀態,交流電經電子旁路開關供給負載,此時逆變器備份,不進行負載供電;
?、谀孀児╇娔Ｊ?當市電發生異常時,超級電容等儲能部件經逆變器輸出交流電源,DVR在典型2ms內產生與跌落電壓幅值相等、相位相同的完整電壓,替換原有市電提供的電壓值,而保證系統輸出的連續性。
2 工作模式
當系統輸入電壓正常時,DVR工作在電子旁路狀態,只有發生電壓暫降的情況下進行補償,因此DVR具有能耗小的顯著特點。效率通常可達99%以上;UPS不間斷電源在線工作,不論市電是否正常,它都一直由逆變器供電,即按照“市電輸入、整流、逆變、輸出”的順序進行,不考慮蓄電池損耗的理想情況下,可達92%左右。以集成電路行業常用的800kVA的UPS設備及DVR設備為例,在十年生命周期內,電費按照0.8元/kWH計算,總計可節省電費278.7萬元,若考慮直流儲能部件更換費用的話,可節約307.2萬元,具體對比分析,見表1。
3 治理對象
UPS的主要功能為短時不間斷及改善電能質量,在不間斷電源中,可以說蓄電池是UPS系統的后備時間支柱,沒有電池的UPS只能稱作穩壓穩頻(CVCF)電源,沒有實際應用價值。在市電異常時,逆變器直接將蓄電池的化學能變成交流電能輸送出去,使用電設備得以連續運行。通常在失去外部電源后,依賴配置不同容量的蓄電池,UPS還可以維持十幾分鐘至幾十個小時的供電。UPS非常適合計算機重要數據備份及維持金融系統運行的場合。反觀DVR設備,主要應用于大規模復雜生產線或其敏感系統環節保護的場合,是為了有效防止電壓波動對負荷影響而誕生的一款設備,主要用于治理電壓暫降、電壓暫升及短時斷電等電能質量問題，不間斷能力較弱，通常只能維持秒級的后備使用。
4 儲能器件
目前UPS電源中廣泛使用的免維護密封鉛酸蓄電池,存在實際維修成本較高,一般正常使用的UPS,其電池實際使用壽命在5年左右。除成本之外,電池作為儲能元件還有如下幾點需要考慮:
①需在適宜的環境溫度中工作;影響蓄電池壽命的重要因素是環境溫度，雖然溫度的升高對電池放電能力有所提高，但付出的代價卻是電池的壽命大大縮短。據試驗檢測，電池在20～25℃下工作為宜，超過25℃，每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。
②UPS電源中的浮充電壓和放電電壓,在出廠時均已設定為額定值,而放電電流的大小是隨著負載的增大而增加的,使用中應合理調節負載,比如控制微機等電子設備的使用臺數。一般情況下,負載不宜超過UPS額定負載的60%。在這個范圍內,電池的放電電流不會出現過度放電。UPS因長期與市電相連,在供電質量高、很少發生市電停電的使用環境中,蓄電池會長期處于浮充電狀態,日久就會導致電池化學能與電能相互轉化的活性降低,加速老化而縮短使用壽命。因此,一般每隔2～3個月應*放電一次,放電時間可根據蓄電池的容量和負載大小確定。一次全負荷放電完畢后,按規定再充電8h以上。
?、勰壳按笾行蚒PS電源配備的蓄電池數量,從3只到80只不等,甚至更多。這些單個的電池通過電路連接構成電池組,以滿足UPS直流供電的需要。在UPS連續不斷的運行使用中,因性能和質量上的差別,個別電池性能下降、儲電容量達不到要求而損壞是難免的。當電池組中某只/某些電池出現損壞時,維護人員應當對每只電池進行檢查測試,排除損壞的電池。更換新的電池時,應該力求購買同廠家同型號的電池,禁止防酸電池和密封電池、不同規格的電池混合使用。
在使用電池的作為儲能元件之前,UPS曾經使用飛輪作為負載提供電能供應,這種不間斷電源被稱為飛輪式或旋轉式不間斷電源。飛輪式UPS由整流器、直流電動機、飛輪、柴油機(或汽油機)及發電機等組成。在電網供電的情況下,由整流器提供的直流電驅動電動機帶動飛輪旋轉,發電機同時為負載供電?？晒澥≌嫉乜臻g。隨著鋰電池技術的發展,現今也有不少UPS選擇配置鋰電池,鋰電池相較鉛酸蓄電池而言,在儲能密度、設備重量、設備體積上,相較鉛酸蓄電池而言,可以有一個大幅度的降低。并且在充放電次數及使用壽命上,也都有較大技術改變。表2為儲能元件技術性能對比表。
DVR采用超級電容設備作為儲能元件,摒棄了傳統的電池元件。通過將超級電容設備中的直流電壓逆變成特定的工頻正弦交流電壓并聯注入系統線路的方式,快速對負載提供完整的電源供應,從而保障了系統可靠性。相較于鉛酸蓄電池而言,超級電容有以下優點:
①充電速度快。充滿其額定容量的95%以上僅需10s～10min;
②循環壽命長。品質優良的超級電容深度充放電循環可達100萬次;
?、勰芰哭D換效率高。大電流能量循環效率>90%;
④功率密度高?？蛇_1000W/kg—50000W/kg,是蓄電池的10倍以上;
?、菰牧仙a、使用、存儲及拆解過程均無污染,是理想的綠色環保電源;安全系數高,長期使用免維護;
⑥高充放電效率。由于內阻很小,所以充放電損耗也很小,具有較高的充放電效率,可達90%以上。
?、邷囟确秶鷮挕＿_-40～+70℃。超級電容器電極材料的反應速率受溫度影響不大;
?、鄼z測控制方便。剩余電量可通過公式E=CV2/2直接算出,只需要檢測端電壓就可以確定所儲存的能量,荷電狀態(SOC)的計算簡單準確,因此易于能量管理與控制。
除以上不同點之外,UPS設備與DVR動態電壓恢復器設備還有如下相同點:
?、俣季哂心孀兤?、輸出濾波裝置,不考慮同種規格下器件參數選擇的差別性,它們的工作電路主要結構是一樣的。
②都可以配備靜態旁路回路,并可選配手動維修旁路。主要作用在于設備主電路發生故障時,系統安全及維護維修人員安全。
?、墼O計理念上,UPS與DVR都采用*的高科技光纖、通訊、全數字化的計算機、人性化的操控設計及監控界面。
?、芏寂鋫渫晟频谋Ｗo功能。當過載、過壓、欠壓、頻率異常時能自動保護裝置本身(可進行從軟件進行動作值設定)。
?、荻伎膳鋫漭敵?、輸入隔離變壓器,滿足工業應用的需求。
5 分級治理方案配置
現有的電壓暫降治理措施大多基于電力電子技術,治理設備造價高、損耗大、可靠性差、容量受限等問題,難以適應電壓等級多、用戶容量大、用電設備多的現代工業園區電壓暫降治理的需求。針對以上問題,國內已有不少研究學者提出一種基于固態切換開關的電壓暫降分級治理方案。該方案按照電壓等級、電壓暫降等級、設備重要程度等級、設備電壓耐受等級四個方面,對負載設備進行分級治理。對于低壓側而言,簡單地將所有敏感負荷歸集后,從工廠設備的角度來考慮,優先配置動態電壓恢復器DVR設備,并合理的選用超級電容后備時間。對電壓暫降極其敏感且需要一定后備時間的設備,優先選擇集中式大功率UPS設備,并根據時間情況合理選用鉛酸蓄電池、鋰電池、飛輪等儲能設備。
以中航太克動態電壓恢復器AVR系列為例,在常規狀態下,電網電壓正常時,AVR僅工作在旁路模式,效率高達99%,大幅降低了運行損耗。此外,AVR采用世界的MAXWELL品牌超級電容作為短時儲能元件,可以保用十年或充放電100萬次,*實現了生命周期免維護,大幅降低蓄電池的維護費用。同時,整套AVR占地面積相比同功率UPS降低60%以上,且無需專門的電池房。
圖3和圖4為動態電壓恢復器部分波形測試圖。
6 結束語
本文列舉了UPS不間斷電源設備與DVR動態電壓恢復器設備異同點,闡述多種儲能元件之間的性能對比。提出電壓暫降治理需求的分級治理方案,不僅可以為現代工業園區的電壓暫降治理工作提出可推廣的標準配置,而且能有效促進電網側和用戶側的分級治理、協同優化,具有技術標準優異、建設和運行維護成本較低、可靠性高、安全性高、實用性