UPS從最初的飛輪發電機到今天,已經度過了40多個春秋,由單一旋轉發電機式發展到今天的多功能旋轉發電機式、靜止變換式、旋轉靜止結合式三大類。最早的UPS原本是用途廣泛的電力保障設備,隨著半導體技術和電力電子技術的進步和發展,誕生了比第一代旋轉式UPS更為先進的靜止變換式UPS。最初的靜止變換式UPS其功率器件由晶閘管制成,并在大、中容量UPS中得到了廣泛應用。MOS功率管普遍地應用在中小容量的UPS中,但這種功率管難以達到高電壓、大電流,其飽和壓降大于晶體管,于是兼具前兩者優點的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)應運而生,促使UPS的逆變技術更趨成熟。但IGBT有寄生電流擎住效應,在一定程度上限制了其使用。

1   UPS的分類

(1)靜態UPS

靜止式UPS分為在線式和后備式。這兩種UPS的結構大致相同,其主體結構都包括整流(充電)器、蓄電池、逆變器和轉換開關等4個部分。二者的區別在于工作方式不同:在線式UPS的逆變器自始至終都在工作,而后備式UPS只有在供電異常時才啟動逆變器。后備式UPS供電質量雖然差,但其效率高,價格低廉,多用于家庭及對電網要求不高的場所。在線式UPS供電質量相對要高,但價格貴得多,因此多用于精密設備、網絡領域及特殊供電要求的場所。而互動式UPS兼顧了前兩者某些優點,效率高、轉換時間短、性能價格合理,逐漸得到用戶的認可。隨著市場競爭的日趨嚴峻,不同廠家根據用戶的特殊要求而設計了不同應用場合的UPS,如郵電專用型、電站專用型、鐵路專用型、油田專用型等。

(2)動態UPS

動態UPS的不間斷供電是依靠旋轉部件釋放動能實現的。動態UPS與靜態UPS在技術上各有所長,以不同的技術方式實現對重要負載的不間斷供電。動態UPS彌補了靜態變換式UPS的不足(需配套大量的蓄電池)。動態UPS結合自身的顯著特點,經過幾十年不斷的發展和改進,在大功率UPS市場已經獨樹一幟。動態UPS相比靜態UPS,單機效率高，優勢明顯，功能強大，具備了集成化的電源解決方案。由于其結構緊湊，可靠性高，因此隨著功率應用的增高，其高效率產生的經濟效益更加突出。因此在大功率UPS國際市場上得到了廣泛應用。

2   飛輪儲能UPS供電系統描述

那么到底什么是飛輪旋轉動態UPS呢？其技術原理是怎樣的?有哪些優點呢？

美國Active Power飛輪儲能UPS屬于在線式UPS的一種,它集傳統在線式UPS和動態UPS二者技術特點于一身。以下以其為例介紹這種UPS的構成、特點及工作原理。

飛輪儲能UPS由輸入保險、輸入接觸器、靜態開關、在線電感器、輸出接觸器、逆變器、濾波電感器、飛輪、旁路等組成。Active Power UPS核心技術為飛輪儲能技術,擁有35項美國專利。飛輪和電機系統密封在真空容器內,能量蓄滿時飛輪轉速高達7700r/min,如圖1所示。動態飛輪UPS可以提供優質電源,確保精密的儀器設備和生產線免受毫秒級電網波動的影響,減少數據通信中的高誤碼率。

圖1  飛輪UPS的旋轉部分

UPS在市電出現波動時,由于飛輪的慣性能補償短時間的電壓突變,保證了輸出電壓的穩定。在市電中斷時,由于飛輪的慣性將動能轉變為電能,滿載時可維持額定電壓12s,在此期間發電機自動起動帶載,恢復對重要負載的正常供電。其不間斷供電工作過程如圖2所示。

圖2  飛輪儲能UPS的不間斷供電工作過程

3   飛輪UPS的工作原理及運行模式

飛輪UPS內部的拓撲結構是目前市場上并不常見的在線互動式,具體結構如圖3所示。在正常情況下,電源經過輸入接觸器在濾波電感的作用下濾除有害的高次諧波,然后直接通過輸出接觸器直接輸出給負載,在此過程中對電壓進行調節,保證滿足負載要求。

圖3  飛輪UPS工作原理和拓撲結構

Active Power UPS采用飛輪動態儲能技術,能大大改善電能質量,完全零切換,電能回充時間短,特別適合防止瞬時波動。可應對電源的各種異常,保障設備正常工作。

4   各種電力意外情況下UPS工作過程

4.1   電壓驟降和瞬時中斷

(1)電壓一旦驟降或中斷,DSP能在瞬間測出。

(2)輸入電壓在220(l±l0%)之內時,不耗用飛輪能量。

4.2   諧波

(1)基于DSP技術測出負載的諧波電流,通過IGBT逆變器和濾波電感構成的電力有源濾波系統實時地向系統注入反向等量的補償電流,以達到消除諧波和進行無功補償的目的。

(2)負載諧波不會在輸入側出現。

(3)輸入側無需脈沖整流濾波器,便于和同容量的柴油發電機組整合使用。

4.3   功率因數及電壓波動

(1)通過無功電流在輸入側以及在電感和逆變器之間的流動,將輸出電壓波動幅度控制在±2%之內,并使輸入側功率因數達0.99。

(2)在額定輸入電壓時沒有有功電流的交換。

(3)負載的超前和滯后電流由市電逆變器提供(無功電流的大小取決于輸入和輸出的電壓差)。

(4)負載的有功功率由市電輸入提供。

4.4   浪涌、尖峰及其它毛刺*

(1)使用高能瞬態電壓浪涌抑制器(TVSs)和大容量在線電感進行過濾。

(2)瞬態能量通過逆變器被直流電容吸收,從容應對6000V以上的瞬間高壓。

4.5   頻率輸出

頻率波動頻率超出特定窗口時,在線的靜態開關自動關斷,由飛輪放電來提供穩定的頻率輸出。

4.6   長時間電力中斷

(1)對于持續、長時間的電力波動,通常將Active Power UPS和發電機組整合使用以提供不間斷電源。

(2)輸入側無整流濾波器,總畸變<4%。

(3)保護發電機組免受瞬態影響。

(4)對發電機組的頻繁測試不會損害整個系統的壽命和可靠性。

5   飛輪動態UPS的優點

飛輪動態UPS具有傳統UPS無法比擬的優點:

(1)摒棄了傳統UPS中兩個不可靠的部件:傳統型UPS的蓄電池組和滿載持續運行的逆變器。電池是最薄弱的環節,電池故障占傳統型UPS故障的60%。

(2)模塊化設計,容量擴充方便。這種飛輪UPS的控制系統是共用的,對于380V配電系統,一個儲能模塊的容量為250kVA/200kW,可實現按需分期投資。

(3)采用快速IGBT設計,集整流和逆變于一體,平均故障間隔時間為65年。

(4)效率高達97%以上,經濟可靠,而且不會因帶非線性負載而降低效率。

(5)外形尺寸更小,場地需求只有傳統UPS的1/3。

(6)能與發電機組良好地匹配。

(7)對電網無諧波反射。

6   飛輪動態UPS的主要參數

6.1   輸入特性

(1)功率因數:0.99(額定負載和電壓下)。

(2)電流諧波畸變率:<3%(線性負載);

(3)不會對市電造成回饋污染。

6.2   輸出特性

(1)功率因數:0.7(滯后)至0.9(超前)。

(2)電壓諧波畸變率:<3%(額定線性負載);<5%(額定非線性負載)。

(3)電壓調節:穩態±2%(輸入±10%內,平衡或不平衡負載);瞬態±5%(100%突加負載)。

(4)頻率調控:輸入50Hz±10%,輸出50Hz±0.2%。

6.3   過載能力(有市電狀態)

(1)過載1000%時,10ms。

(2)過載500%時,1s。

(3)過載200%時,30s。

(4)過載125%時,10min。

6.4   維持時間

(1)15s(滿載)。

(2)30s(半載)。

6.5   質保和安全體系

(1)所有產品均經工廠嚴格的檢驗和測試。

(2)獲得ISO9001、CE、UL等認證。

(3)安全滿足 5009i-1-1。

(4)抗擾動性和電磁兼容性滿足EN50091-2。

7   飛輪動態UPS的應用模式

(1)與發電機組、ATS柜整合使用,可持久不間斷供電。

(2)和傳統型UPS整合使用。飛輪儲能模式比電池更適于多次短時間的電源故障,并可以顯著延長現有UPS電池的壽命,從而使整個UPS系統的可靠性大大增加

(3)其它改善電源品質和短時保護的應用領域。

(4)可移動供電。