我們過去所討論的UPS都屬於靜態UPS的範疇,其原理是:在這些UPS的運行中,除了冷卻風扇之外,所用到的各種電子元件及電氣部件均無任何機械運動。多年的靜態UPS運行經驗顯示:盡管靜態UPS對確保各行業用戶負載的安全運行做出了“功不可沒”的巨大貢獻。然而,它仍存在如下的弱點:
(1)靜態UPS的效率“不夠高”: 相關的統計資料顯示,對於中、大容量的工頻機型UPS而言,其效率僅為93%～94%。對於中、大容量的高頻機型UPS而言,其效率僅為94%～95%。對於當今日益強調節能、環保的社會而言,這種UPS本身的損耗仍然偏高。
(2)UPS中蓄電池組是導致UPS的故障率增高和日常維護量增大的重要因素。 而且，蓄電池的使用壽命短。此外，可能會對環境造成嚴重汙染的廢舊電池的處理問題，至今仍是困擾我們的難題之壹。
因此,作為解決以上難題的技術途徑之壹是:選用飛輪儲能式的動態UPS來代替雙變換在線式的靜態UPS。
2、飛輪UPS的技術優勢
近年來,在國內外的數據中心、半導體芯片制造業、某些特種軍用通信系統及政府的機要部門正日益關註和選用壹種飛輪儲能式的動態UPS(簡稱飛輪UPS或動態UPS)。采用這種UPS可以獲得如下好處:
(1)更進壹步地提高UPS的效率: 相關的資料顯示,可將UPS的效率從靜態UPS的92%提高到飛輪UPS的98%。
(2)將故障率明顯偏高的蓄電池部件從UPS中徹底取消。 由此所能獲得的好處是:不僅有助於提高UPS的可靠性,還可以大幅度地減少電源值班人員的維修工作量。
對於這種飛輪UPS而言,當市電供電正常時,它在利用市電向用戶供電的同時,還將部分電能同時通過具有電動機和發電機調控功能的“同步補償機(G/M)”裝置而以動能的形式儲存在其巨大的飛輪中。
此時,對於其“同步補償機(G/M)”裝置而言,不僅承擔著短時效的能量轉換調控功能,將來自市電的電能變換成儲存在飛輪中的機械能。而且,它還承擔著自動穩壓以及對可能來自市電電網和用電設備所產生的諧波電流執行自動補償的調控功能,就是將輸出電流的諧波含量THDI值實時地調節到趨於零。當市電供電中斷時,它可以利用原來儲存其飛輪中的巨大動能的慣性驅動同步補償機(G/M)裝置繼續旋轉。此時同步補償機(G/M)裝置將自動承擔著發電機的調控功能,從而確保對各種用電設備的連續不間斷地供電。能夠將飛輪UPS推向新的實用階段的推動因素有:
(1)對於當今的技術相當成熟的電力工業而言,由於普遍采用了由信息化管理的、智能化供電的電網調度技術,以及在用戶的供電系統中采用ATS開關在雙路市電輸入電源之間自動執行“切投調控”操作的保護性的設計方案,在他們的市電輸入供電系統中,發生長時間的停電事故的幾率是極低的。
這樣壹來,就為依靠動能型的慣性能量來確保負載的連續供電的飛輪UPS得到實際應用創造出極為有利的運行條件。
①根據美國Electric Power Research Institute對美國供電電網的調查發現,90%以上的停電事故的持續期小於10s;
②根據RWE公司對歐洲9個國家的126個供電電網的調查發現:95%以上的停電事故的持續期小於3s;
③對於在兩路市電輸入電源之間采用ATS開關的自動切換調控技術的用戶設備而言,當其優先供電的輸入電源發生停電事故時,其另壹路備用電源可在小於1～3s的時間間隔內恢復向用電設備供電。理論上講,ATS開關會導致輸入電源出現幾十到上百毫秒的供電中斷,這是因為ATS開關的典型切換時間為≤200ms左右。導致ATS開關的總切換時間可能長達幾秒的原因是:為了防止因市電電網發生偶發性的閃斷,而導致ATS開關在兩路市電電源之間執行不必要的、頻繁的“誤切換”操作,從而導致在用電設備的輸入端產生令人厭煩的尖峰型電源幹擾以及ATS開關使用壽命的縮短。為此,有必要人為地為ATS開關設置適當延時切換保護功能。所以,對於具備有“雙總線輸入”供電條件的用戶而言,是可以通過選用飛輪UPS的技術途徑來省卻配置體積龐大、故障率偏高和維護量偏大的蓄電池組。
綜上所述,既然在供電電網中, 發生長時間停電故障的幾率是極低的 。這樣壹來,就為能充分發揮出飛輪UPS對可能來自市電電網的瞬態電壓波動、閃斷、瞬態幹擾、諧波電流執行實時補償型調控功能的技術優勢奠定下堅實的技術基礎。
(2)與傳統雙變換在線式的靜態UPS相比,飛輪UPS具有如下明顯的技術優勢,如表1所示。
從表中可見,飛輪UPS在整機效率、單機的最大輸出功率、抗過載能力、抗輸出短路能力、輸入功率因數、負載功率因數、允許的工作溫度範圍、無需電池組的維護和可靠性高等技術性能上均明顯地優於雙變換在線式的靜態UPS。在此需要說明的是,對於飛輪UPS供電系統而言,其平均整體效率要比靜態UPS的效率高3%～4%。來自美國Active Power公司的真空磁懸浮飛輪UPS能效甚至可提高6%。這對於當今能源價格增幅較大的背景下,其節能降耗和綠化環保的效應尤為明顯。采用飛輪UPS可以更加節能的另壹個原因是:由於它自帶有風冷電扇及無需配置要求環境溫度小於25℃的電池組。因而,再也無需為UPS機房配置具有高耗運行特性的空調機組。但應說明的是,仍需為它配置必要的熱風排除系統。
3、飛輪UPS的工作原理
壹臺帶飛輪型動能存儲器的動態UPS的典型的控制框圖如圖1所示。它可提供單機輸出功率分別為150、180、260、400、500、750、1000、1300、1670kVA的產品。如圖中所示,與UPS***有的兩條供電通道:
(1)維修旁路供電通道:正常工作時,開關S2處於斷開狀態;
(2)主供電通道:它是由輸入開關S1、輸入靜態開關、扼流圈1和扼流圈2、電力電源橋(Power-bridge)及輸出開關S4等幾大部件所組成。其中的電力電源橋部件是由同步電動機/發電機組、雙向變換器、勵磁發電機和儲能飛輪等主要部件所組成。當市電中斷時,其滿載供電時間為20s左右。對於需要長時間連續供電的用戶而言,可通過選配柴油/燃氣發電機組來實現(選件)。在這裏,由扼流圈1、扼流圈2和同步電動機/發電機所***同構成的電力電源橋是同時具有輸出自動穩壓和輸入電流諧波補償調控功能的所謂神奇的隔離-耦合扼流圈型的調控環。在這裏,電力電源橋同時承擔著自動穩壓器和有源濾波器的雙重調控功能。可將這個調控環的控制功能歸納如下:
①對來自非線性負載所產生的諧波電流進行電流諧波的補償和治理;
②對來自輸入電網的電壓失真度進行電壓諧波的補償和治理;
③限制短路電流反射到主輸入電網的幅值;
④利用電力電源橋所產生的正弦波形的電源來執行自動穩壓調控功能,確保它能向負載輸出穩壓精度<±1%的高品質的電源。
3.1 飛輪UPS的自動穩壓和不間斷供電的調控原理
(1)輸入電源供電正常時,飛輪UPS的自動穩壓調控原理
按照這種UPS的設計方案,正常工作時,其輸入開關S1和輸出開關S4處於閉合狀態、維修旁路開關S2處於斷開狀態。當輸入電源的電壓處於-20%～+15%之間的範圍時,“輸入靜態開關”處於導通狀態。在此條件下,可能含高頻幹擾的、不穩壓的市電電源經扼流圈1和扼流圈2進行抗高頻幹擾的濾除處理後,被饋送位於其輸出端的用電設備的同時,還經位於“電力電源橋”中的發電機/同步補償機(G/M機)承擔著同步補償機的調控功能。此時的“電力電源橋”處於電動機工作狀態。它通過處於高速施轉狀態下的勵磁發電機的主軸來帶動巨大的儲能飛輪(轉速高達1800～3300轉/分鐘),從而達到將部分的市電電網的電能轉換成處於高速施轉狀態下的飛輪所具有的機械性慣性動能的能量轉換的目的。與此同時,在邏輯控制板的調控下,利用位於飛輪UPS中的“電力電源橋”中的“雙向變換器”,對其勵磁發電機和同步發電機/發電機組同時執行自動穩壓和市電同步跟蹤的調控任務。此時,其發電機/同步補償機在雙向變換器的調控下,向外輸出穩壓精度為380V±1%的穩壓電源。此時的扼流圈1和2承擔著被動型的電壓諧波補償器的調控功能。
(2)當輸入電源因故出現“短時停電”/閃斷故障時,飛輪UPS的自動穩壓調控原理
當市電因故出現“短時停電”/閃斷(幾十毫秒數量級的供電中斷)故障時,位於飛輪UPS中的勵磁發電機在利用原來存儲在巨大飛輪中的慣性動能而繼續處於高速旋轉的工作狀態之下。此時,從該發電機所輸出的頻率和電壓均處於緩慢變化狀態的輸出電源被饋送到雙向變換器的輸入端(註:這是由於隨著輸入電源的停電時間的不斷地延長,原來儲存在巨大飛輪中的慣性動能被不斷地消耗掉。在此條件下,從勵磁發電機輸出電源的頻率和電壓均會出現不同程度的下降的緣故所致)。這樣的供電質量較差的電源經雙向變換器處理後,就能向外輸出具有自動穩壓和自動穩頻工作特性的高品質電源。這樣的高品質電源再被饋送到同步電動機/發電機機組的輸入端後,它就能連續不斷地向外輸出380V±1%的穩壓電源(見圖1b)。
當市電停電時,這種UPS持續供電時間的長短取決於飛輪所儲存的機械能量大小及UPS的負載百分比。對於輸出功率為1670kVA的動態UPS而言,其機械儲能為16.5MW·s。這種UPS的持續供電時間與UPS的負載百分比之間的典型變化參數值被列於表2中。
從上述可見,對於飛輪UPS而言,在其運行中,如果市電出現的瞬間供電中斷時間不超過上述時限的話,它都能連續不斷地向用戶的負載輸出高品質的電源。此外,如果所遇到的市電電源問題並非是停電故障,而是輸入電壓偏低,這種UPS的持續供電將會被大大地延長。
在此條件下,可以獲得很寬的輸入電壓工作範圍,其典型的技術參數為:當輸入電壓為380V、-20%, +15%時,可連續工作; 當輸入電壓下降為380V、-30%時,其供電時間為10min; 輸入電壓下降到380V、-50%時,其供電時間為30s。當然,對於選用了柴油/燃氣發電機選件或采用兩路輸入電源+ATS開關的“雙總線輸入”型的供電設計方案的用戶而言,就能向後接負載提供365×24小時的不間斷的供電。
壹臺典型的飛輪UPS的外形及主要部件的結構圖如圖2所示。
3.2 飛輪UPS的諧波補償特性的調控原理
飛輪UPS的第二個重要的技術優勢是: 它具有優異的輸入諧波補償特性和具有很高的系統效率(96%～98%)。
當後接負載為電阻性時,其輸入功率因數PF值為1,輸入電流諧波分量的THDI值幾乎為零。當它在帶PC機、低檔服務器等IT設備、工控系統中DCS設備及家用電器等不帶輸入功率因數校正功能(PFC)的單相整流濾波性非線性負載時,這些用電設備本身的輸入諧波特性都很差。盡管此時饋送到這些用電設備中輸入電源的電壓波形呈現出優良的正弦波形,然而,它們從輸入電源所吸取的電流波形卻變成如圖3(a)所示的不連續的鐘形脈沖串(即在它們的輸入電流波形上呈現出嚴重的電流畸變現象),從而導致其輸入電流的諧波含量THDI值高達55%～77%,輸入功率因數PF值下降到0.8左右。
然而,在選用飛輪UPS來驅動上述用電設備後,就可以利用由“扼流圈1+同步電動機/發電機+雙向變換器+扼流圈2”等***同組成的電力電源橋來對這種類型的非線性負載進行諧波治理。在此條件下,利用並接在飛輪UPS的主供電幹線上的同步電動機/發電機所提供的無功功率來執行電流諧波補償調控。這樣壹來,就能在飛輪UPS的輸入端上再次獲得如圖3(a)所示的具有優良正弦波形的輸入電流波形。
在此背景下,就能大大地改善其輸入電流諧波特性。其的典型值分別為:輸入電流的諧波含量THDI值<5%，輸入功率因數PF值>0.98左右。在此需說明的是:由於在當今的數據中心機房所用的絕大多數IT設備(中、高檔服務器、存儲設備、網絡設備)均采用帶輸入功率因數校正技術(PFC)，當再用飛輪UPS來驅動這些用電設備時，就獲得如下的具有“綠色電源”型的輸入諧波特性：即：它們輸入電流的諧波含量THDI值<3%、輸入功率因數PF值>0.99左右，如圖3(b)所示。
綜上所述可知,與傳統的雙變換在線式的靜態UPS只能解決其輸入電流諧波和輸出諧波問題相比,飛輪UPS可同時對其輸入電流諧波和輸出諧波執行諧波補償調控,其技術優勢不言自喻。
3.3 飛輪UPS具有優異的輸出動態響應特性
飛輪UPS的另壹個重要的技術優勢是它具有優越的動態響應特性,如圖4所示,當UPS的後接負載突然加載時,由“同步電動機/發電機組+扼流器2”所組成的並聯的電力電源橋向後接的負載提供瞬態的、補充型的有功功率,以便確保在UPS的輸出端上能獲得優良的自動穩壓輸出特性。其典型動態響應特性為:<5%,恢復時間10ms(0→100%負載→0)。相反,當UPS的後接負載突然減載時,由“同步電動機/發電機組+扼流器2”所組成的並聯的電力電源橋將會迅速地從UPS的主輸出幹線上吸取瞬態的“富裕”有功功率,以便確保在UPS輸出端上能獲得優良的自動穩壓輸出特性。
在這裏,可以將位於飛輪UPS中的由輸入靜態開關、扼流圈1和扼流圈2等所組成的電路看成是市電電網的電能傳輸的主通道,將由“飛輪+勵磁電機+雙向變換器+同步電動機/發電機”等所組成的電力電源橋看成是並聯在其輸出端上的穩壓電能儲能器,由它來動態地調節從飛輪UPS所輸出的功率,以便能快速地響應後級用電設備的實時用電量的動態變化。
3.4 飛輪UPS的典型技術參數
輸出功率:150、180、260、400、500、750、1000、1300、1670kVA;
輸入功率因數:0.96～0.99;輸入電壓諧波含量的THDV值<2%;效率:>96%;
輸入電壓範圍分別為:380V、-20%～+15%,長期工作; 380V、-30%,支持的運行時間為10min;380V、-50%,支持的運行時間為2min;
輸出電壓:380V<±1%; 峰值比為5:1;
抗輸出短路能力:300%,5s;1400%,10ms;
UPS單機平均無故障工作時間(MTBF):130萬小時;
允許的UPS的並機數量:16臺。
4、結束語
綜上所述,對於市電環境良好的用戶而言,飛輪UPS在如下技術性能上均明顯地優於雙變換在線式的靜態UPS。它們是:整機效率、單機的最大輸出功率、抗輸出短路能力、輸入功率因數、輸出功率因數、允許的工作溫度範圍、可靠性、EMC電磁兼容性,以及因無需配置電池組而大大減少UPS的維護工作量和減少機房占用面積等諸多方面。其中,尤以可靠性高、節能降耗效果顯著、無需配置故障率偏高的蓄電池組等更加引人註目。有鑒於此,它在美國、歐洲和臺灣地區的某些半導體芯片廠和軍用系統中得到應用。近年來,它也日益引起國人的關註。據悉,在我國有可能將飛輪UPS將納入我國數據中心建設的標準中。這是因為,飛輪UPS作為近年來發展極為迅猛的技術,它可為我們在建設綠色數據中心時,獲得經濟與環保的雙重收益。然而,在此需說明的是,對於這種UPS而言,它並非是十全十美。
雖然飛輪UPS還存在著壹些不足,然而時至今日,對於那些具備有“雙總線輸入”供電條件和對蓄電池的應用感到困擾的用戶而言,他們是完全可以通過選用飛輪UPS的技術措施,來消除因配置故障率偏高和維護工作量偏大的蓄電池組所可能帶來的種種弊端,這是因為其預期使用壽命可長達15～20年。目前,國外大型數據中心采用飛輪UPS保障供電比較普遍,磁懸浮飛輪UPS系統在此領域尤為突出,相比之下,蓄電池的使用壽命僅為充、放電幾千次,壹般僅需幾年就要更換電池。
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