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UPS行业标准实施与我国UPS的技术现状

作者: 日期:2014-7-30

UPS行业标准实施与我国UPS的技术现状

  YD/T1095-2000《通信用不间断电源-UPS》行业标准自2001年批准执行以来至今已有6年。在此标准制定之前的10年中,我国的通信(主要是移动通信及信息网络)行业处于高速发展阶段,UPS不间断电源做作为通信局站及信息网络的重要供电设备的需求量大幅上升。
  然而在1996年底原邮电部对通信电源实行进网管理时,UPS电源还没有通信行业产品标准,对UPS电源进网质量检验主要引用了国家标准GB/T14715-93《信息技术设备用不间断电源通用技术条件》,此标准是UPS电源产品的通用技术条件(以下简称“通用技术条件”),由于当时我国UPS电源技术开发和制造业处于起步阶段,无论是技术水平或单机容量与国外产品相比尚存在较大的差距。而且市场上销售的小容量UPS几乎都是为台式PC机供电,所以在“通用技术条件”中没有对输入功率因数、输入谐波电流、输出稳压精度以及输出电流峰值系数等技术指标作出相应的规定。同样由于当时的技术状况所致,对其它几项主要技术指标如转换效率、动态电压瞬变范围、旁路逆变转换时间等制定了较低的要求。
  YD/T1095-2000的制定主要是根据通信行业的负载特点,如高端服务器、计算机网络及电信资费计费系统等,标准中对UPS输出性能,如电压稳压精度、输出波形失真度、动态特性、旁路转换时间与输出电流峰值系数等提出了不同程度的要求。对UPS的输入技术参数的确定主要根据有源补偿与无源补偿的特性,并没有考虑到三相六脉冲基本电路的输入参数。为了便于通信局、站电源系统的集中监控,对UPS提出了应具有遥测、遥信功能,并对遥测、遥信内容做了相应的规定。与此同时,也注意到一些用于非重要场合如办公室自动化、各单位内局域网及服务器的供电对小容量(10kVA以下)UPS的一般要求,在标准中把与此相关的技术指标分为三类(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类),Ⅰ类指标可满足上述高端用户在重要场合下运行的要求。而Ⅲ类指标可达到在非重要场合下运行的一般要求,Ⅱ类指标介于Ⅰ类与Ⅲ类之间,可供用户根据负载特性及使用环境来综合选择。
  2004年3月通信电源由进网管理正式转变为产品质量认证的行业管理,此标准做为UPS产品检验的依据标准和产品质量认证现场检查的部分依据。在产品质量认证的初期,申请认证的UPS均为双变换(在线)式,这种形式的大功率UPS(100kVA以上)基本都是国外品牌产品,其中部分UPS的输入主电路采用了先进的IGBT(PWM)整流技术输入功率因数可达到0.99以上,输入电流谐波含量小于5%。采用三相12脉冲整流器配置无源11次谐波滤波器的UPS满载输入功率因数也可达到0.95以上,输入电流谐波含量低于10%。即便是三相6脉冲整流器配置无源5次谐波滤波器的UPS,其上述两项指标也优于标准中Ⅱ类技术要求。以上几种形式输入电路的UPS整机转换效率均可≥90%,逆变至旁路转换时间一般都可做到无间断转换或1mS(毫秒)左右的转换时间,符合标准中Ⅰ类与Ⅱ类的技术要求。由于国外(主要是欧美国家)电网供电的稳定性较好,所以这些品牌UPS的输入电压可变范围虽然不太宽,但仍可满足标准中Ⅱ类或Ⅲ类技术要求。
  对于国产小功率(尤其是20kVA以下)的UPS,变换技术和主电路结构各具不同,目前一般可分为双变换(在线)式、互动式和后备式三种。所采用的变换技术可分为高频或工频变换。电路结构根据不同的变换技术也各不相同,其中高频双变换(在线)式(以下简称高频在线式)UPS无工频变压器,在整流器与逆变器之间设有一级高频DC/DC变换电路,其主要功能是对交流输入端进行功率因数补偿(PFC),如采用连续电流控制方案可将输入功率因数提高至其0.98左右,输入谐波电流含量可控制在10%以内,转换效率一般大于88%甚至更高,虽然过载能力较差一些,但也能满足标准中的Ⅲ类技术要求。其它主要技术指标与标准有着较好的符合性。由于这种UPS无工频变压器,所以制造成本(主要指元材料)较低,整机重量轻、体积小,但输入主电路与PFC控制电路与工频变换的UPS相比较为复杂。目前这种小功率(1kVA~10kVA)高频机有着较大的市场占有率。
  与高频机相比,工频变换尤其单相输入的UPS(简称工频机)在以上几项主要技术要求中显得欠佳。由于工频机没有输入功率因数补偿功能,所以其输入功率因数PF只能达到0.7左右,根据功率因数PF与谐波电流含量(THD)的关系式:
  THD(I)=√(1/PF)2-1可计算出输入谐波电流含量THD(I)可达到100%,实际测量的结果也是如此,也就是说在其输入端产生的谐波电流的有效值与基波电流有效值相同。如此大的谐波电流无疑要对电网及与电网并联的其它用电设备造成不同程度的传导*,另一方面还要占有交流输入电源的一部分容量,在谐波电流流过的导线及熔断器上将产生无用的有功功率,并全部转换为热量使导线及熔断器的温升增大。另一方面输出容量在10kVA~20kVA的工频机的转换效率一般只能做到约85%,甚至会更低,所以上述几项技术指标很难达到标准中的要求。工频机的过载能力较强,一般可达到标准中Ⅰ类技术要求,逆变至旁路转换时间与高频机相比无明显差异。
  由于这种UPS装有工频变压器,所以无论是整机重量或制造成本与高频机相比都会有所增加。而且制做工频变压器的铜材及硅钢或矽钢都是高能耗产品,因此可以这样认为这种工频UPS从制造到投入使用都是与高能耗分不开的。以一台效率为85%的10kVA工频机带70%的负载为例,与效率为90%的同容量高频机在同样的条件下运行一年所消耗的电量相比,工频机比高频机多消耗近4000度电。如果将其输入端的无功功率所占有的配电容量计算在内,工频机的等效运行费用还会更高。由于上述原因,再加之2005年至2007年初国内铜材、钢材价格上涨(紫铜价格一度涨至8万圆/吨),致使一些生产厂家在原本利润空间就不大的基础上再度增加成本减少利润,这也是导致工频机在国内市场占有率逐渐下降的原因之一。
  虽然这种UPS的一些重要指标与行业标准存在严重的不符合性,但是这种小容量的工频机在国内还有一些边角市场,只要有市场需求,就有企业生产供货。一些多年生产工频机的企业面对市场需求与行业的监督管理,一方面着手引进或开发高频变换新技术,而另一方面对现有工频机的输入功率因数和输入谐波电流采取机外补偿的措施,既在UPS主机以外另配置一个补偿柜,一般采用LC无源滤波方式。采用这种补偿措施后上述两项指标基本可达到标准中Ⅲ类技术要求。但是由于补偿电路同样有功率损耗,所以补偿后的总体效率要低于未补偿时的效率,而且由于补偿柜的造价、体积和重量都会加大系统的运行成本,所以采用这种补偿措施后的工频机很难适应市场的要求。
  面对上述小功率工频UPS存在的问题,一方面要对市场(用户)采取积极正确的引导措施,电网运营及通信行业主管部门对广大用户和UPS生产企业积极地进行节能、环保宣传。通信行业及其它行业集中采购时要严把质量关,经检验不符合标准要求的产品不准进入采购产品名单。另一方面技术质量监督机构和产品质量检验机构要加大对此类产品的监督力度,只有这样才能加快这些高能耗且对电网严重污染的UPS从国内市场上退出。
  互动式UPS可为一般负载(主要是办公自动化的计算机等)提供较为稳定可靠的供电。此种UPS的输出容量一般在5kVA以下,其电路结构比较简单,主变换电路只有一个可双向变换AC/DC的变换器,当市电电压在负载允许变化的范围内时,市电通过UPS内部带有多路抽头的稳压器直接对负载供电,同时其内部的变换器以AC/DC整流方式对蓄电池充电,当市电电压的变化范围超过负载要求时,其内部的稳压器通过多路抽头的切换将UPS的输出电压稳定在负载允许范围内。如果市电停电或电压、频率超过UPS的允许范围,此时UPS的工作方式将转入逆变状态,其内部的变换器以DC/AC逆变方式将蓄电池的直流电压变换为交流220V正弦波或阶梯波电压继续为负载供电。另有一些互动式UPS无论工作在哪种状态,其变换器的控制电路始终检测并跟踪着市电交流电压的频率和相位,以满足两种工作方式在同频率同相位状态下相互转换的要求。
  互动式UPS具有电路结构简单可靠性高、正常工作时过载能力强、高效节能等优点。同时也存在一些不足之处,由于其输入端只有高频无源滤波电路而没有功率因数补偿功能,所以非线性负载产生的谐波电流几乎完全由交流电网提供,因而对交流电网会产生谐波传导*,反之,来自交流电网的各种*也会直接影响负载的正常工作。在市电供电时,其输出电压的稳定性决定于市电的波动性与其内部稳压电路的抽头数量以及两抽头间电压变化量。当抽头数量较少且两抽头间绕组匝数较多时,稳压电路在调节输出电压时会出现输出电压过高或过低的现象。只要将抽头数量适当增加,输出电压便可稳定在一个变化较小的范围内,虽然其稳压性能较上述双变换式UPS差一些,但也可以满足一般负载的要求。由于电路结构的特点,这种UPS没有旁路转换功能,在DC/AC逆变器进入供电状态之前,必须使输入主电路与市电电网分离,避免逆变器向市电电网反向供电。所以互动式UPS的市电与电池的转换时间不会比上述双变换UPS的转换时间快。但一般可小于10mS,较快的可做到7mS左右,这对一般的计算机不会影响其正常运行。互动式UPS虽然没有双变换UPS的隔离功能与输入功率因数补偿,但是由于容量小对交流电网的谐波*也较小,正常工作时只有稳压器的铁损和铜损,所以转换效率很高(可达98%)。这种UPS较适合在交流电网供电质量较好的条件下工作,其主要作用是防止交流电网瞬间短时间掉电或因前级交流配电故障突然停电而丢失未存储的数据。
  互动式UPS也有一定的市场占有量,虽然有一些属于通信行业以外的用户,但是就其所带的负载特性与通信行业是相同的。目前由于对通信电源行业管理的需要,互动式与后备式UPS也纳入对电源产品实行的产品质量认证所涵盖的产品,但目前还没有一个能与之相适应的行业标准作为互动式与后备式UPS产品质量检验及现场检查的依据。虽然“通用技术条件”中一些技术要求项目能与互动式UPS相符合,但是由于当时国内UPS的技术状况,这些技术要求的高低和与之相对应的试验方法也不能适应目前对互动式UPS技术指标的质量检验。对后备式UPS而言也同样存在此问题,也就是说“通用技术条件”中的试验方法不具备互动式UPS检验的可操作性。例如对输出电压稳定性的要求应针对互动式UPS输入交流供电时输出电压特有的稳压方式,规定在输入交流电压与电池输入电压允许变化范围内,分别测量其输出电压的最大和最小值均应符合规定的技术要求。而对输出电压波形失真度及转换效率的测量也应根据互动式UPS的工作原理,在交流供电时只测量输出对输入电压波形失真度的增量和电池供电时的输出电压波形失真度即可。转换效率则应在电池供电状态下测量。
  近几年来由于用户对双变换在线式UPS运行可靠性要求的不断提高,国内外UPS生产厂家分别推出了单机冗余式UPS。这种形式的UPS系统是由若干个小功率(3kw~5kW)的模块UPS在系统机架上并联组成,每个模块都具有双变换在线式UPS的电路结构与基本功能,系统的监控单元可对所有模块UPS实施统一管理。
  此种形式UPS系统的可靠性及可用性与上述单机无冗余UPS相比有了较大的提高。由于这种UPS的系统是由若干个小功率的模块UPS组成,所以系统的转换效率有可能低于同等容量UPS单机的效率,而且其输入功率因数与谐波电流的补偿是在每个模块UPS上实现的,可能会使整机硬件成本加大。由于单机冗余式UPS
  的监控单元要控制几个或十几个模块UPS,使其输出电压均等,跟踪电网频率与相位,并使故障模块迅速退出系统及旁路转换的一致性等,会使控制系统的电路结构与技术较为复杂。在电磁兼容性方面也要做一些特殊考虑。
  由于多方面原因,目前我国大多数UPS制造厂家在中、大容量(80kVA以上)UPS的自主设计、制造能力与美国和欧洲相比还处于较落后的水平。这主要和我国基础工业(机械与电子工业)的平均水平有关,现在国内虽然有少数UPS制造企业也能制造出50kVA~80kVA或容量更大的三相UPS,但就其部件及整机的制造工艺水平还没有达到标准化大批量生产的水平。输入主电路的技术水平一般停留在三相6脉冲形式,或在每相交流输入电路中串联带有铁芯的电感,以此来减小输入谐波电流含量,这样虽然在输出额定负载时输入谐波电流含量可达到20%左右,输入功率因数一般不会超过0.9,转换效率很难达到90%。如果要进一步提高上述技术指标可考虑配置12脉冲整流器,但是80kVA以下的UPS配置12脉冲整流器会使整机价格增加较大,性能价格比下降而失去价格竞争力。而国内市场对国产大容量UPS价格水平的认可度较低,所以国产大容量UPS一时很难找到合适的市场切入点。
  多数UPS生产厂家对大容量UPS复杂的控制及保护电路技术的掌握程度和设计水平,目前还尚未达到能自主灵活设计的程度,在这方面可能也存在一些控制电路专用芯片的所有权问题。另有一些UPS制造商是以从国外进口零部件在国内组装贴国内品牌参与市场竞争,还有一些UPS制造商只购进主要零部件,在国内完成整机结构设计并经组装调试后成为自有品牌的产品。以上两种生产(合作)方式有利于对国外大容量UPS较深层技术的学习与理解,并能积累一些经验,在市场竞争中也有一定的价格优势,但是这种合作方式一般是以只有对方能掌握核心技术为原则。由于上述原因致使真正意义上的国产中功率以上的UPS始终没有进入能与国外产品相竞争的行列,近十几年来由于我国通信及信息网络的快速发展,为大容量UPS提供了一个巨大的市场,大容量UPS的设计与制造水平可以作为衡量电力电子工业的现有技术状况的一个标准。我国对大容量UPS关键技术的开发应充分发挥国内研发能力较强的UPS生产企业、具有功率电子学研究与试验能力的高校试验室及专业技术人员的作用,电源学会与行业协会发挥技术指导与社会协调等作用。同时也要不断提高我国基础工业的平均水平。
  而对于已执行了6年的YD/1095-2000《通信用不间断电源-UPS》的行业标准面对目前国内用户所使用的UPS的种类,该标准的产品覆盖范围已不能完全满足通信行业质量监督管理的要求与用户对产品性能质量优劣判定的依据。所以在对YD/1095-2000的修订工作中,不但要考虑到此标准对通信行业内大多数UPS产品种类的覆盖性,而且对标准中技术要求指标的分类也应做适当的调整。关于输入功率因数与谐波电流成分指标的分类,建议应参考高频机的输入参数与12脉冲整流器以及IGBT(PWM)整流或其它输入方式的技术指标。为避免现行标准中“输出功率因数”与UPS制造商和用户的习惯说法混淆,而且UPS在驱动整流非线性负载时,其输出功率因数与输出电流峰值系数是相互关连的,都同时表现了UPS对整流非线性负载的驱动能力,所以只保留输出电流峰值系数一项即可。对于其它的技术要求与试验方法的调整和修改将会广泛地征求业内、外技术专家、生产厂家及行业用户的宝贵意见。
  总而言之,产品的行业标准要跟踪产品的技术发展动态及市场的需求,产品标准应是使产品功能兼容、质量保证及促进技术进步的必要保障。


来源:中国电力电子产业网


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