UPS及EPS的应用技术与发展趋势

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:就当前一体化机房供电系统、UPS与EPS的应用特点及发展趋势进行了阐述。 关键词:UPS;EPS(应急电源);应用技术;发展趋势 1 一体化机房供电系统的新理念 1.1 电力不足与电力灾难 2003年8月14日下午美国东北部、中西部和加拿大南部发生大面积停电,这次持续29个小时的大面积停电,不仅给5000万美国人和加拿大人的生活带来极大不便,而且造成300亿美元以上的直接和间接经济损失。 我国也面临着电力供不应求的尖锐矛盾与事故频频发生的严峻形势。今年6月我国电力部门已宣布,今年将发生严重的“电荒”,决定对24个省市自治区采取拉闸限电的措施来保证基本的电力供应。我们应从北美发生大停电的教训中得到警示,意识到自身电网存在的问题和隐患。 随着中国信息化建设的成熟,信息系统已经涵盖了各种系统,其中包括航空、气象、金融、通讯以及交通等重点行业,这些系统无疑是国家的关键基础设施,而电力系统则是维持这些基础设施不间断运行的必要保证。 显然,用户不可能左右整个电网的可靠性,但可以积极地做好自身小环境的电力保护,因此,用户自我保护是当前解决企业电力问题的现实之举,而UPS能够有效地解决停电事故和电力质量不稳定的问题,在美国、日本以及西欧等国家UPS已得到广泛应用。 现在用户已经认识到UPS和备用发电机(油机)的重要性。我国用户多采用长延时UPS,而国外用户多采用“UPS+油机”的方式。事实上,UPS的电池与油机的初始成本相差不多,但油机后期维护成本更低一些,而UPS的电池则需要定期充放电,每隔几年需要更换,并且供电维持时间很难超过8h,而出现电力事故时,UPS的任务主要是承担从电力中断到柴油发电机起动的这段时间内的供电,保证电力供应不出现中断,而此后的供电应当交给发电机。 双路供电也是企业实现小环境电力保护的一种有效方式,但双路供电必须有来自不同配电站的电源供给。并且,机房的UPS还要有冗余的备份设备。 对企业小环境电源保护系统的配置,用户应考虑关键设备的主次之分。首先应保护最重要的关键设备,然后是相对次要的负载。并根据设备的重要程度选择适当的电力保护措施,避免不必要的投资,造成浪费。 1.2 不间断供电系统 自从计算机问世以来,对其供电系统的研究就成为保证计算机系统正常运行的重要课题。计算机类(计算机及其它IT设备等)设备对供电系统的要求是比较苛刻的,它不仅要求供电系统提供高质量的电源,保证供电的连续性,还要求提供相应的环境物理条件和必要的系统安全保证措施,供电系统应有很高的“可维护性”和“可管理性”,以及能够适应计算机和网络系统不断发展变化的“可扩展性”。 计算机和网络系统的供电以市电为主。影响供电质量的客观因素一方面是一个国家或一个地区的发电机总装机容量和配电水平、供电网络结构和配电设备以及维护管理自动化水平的落后,是供电质量差、可靠性低的重要原因;另一方面是各种不同性质的负载,特别是一些大容量感性、容性、冲击性、非线性的负载,对电网造成污染,使电网电压的幅值变化、波形畸变、频率漂移;另外,自然或人为的原因,如地震、雷击、输变电系统断路或短路等,都会危害电力的正常供应,从而影响负载设备的正常运行。 当前,从全球经济模式及商务运作形式一直到人们的日常生活方式都在发生着巨大的变化,其中最明显的莫过于Internet(互联网)和E-Business(电子商务)的迅猛发展,全球网络、全球通讯、信息实时处理以及一年365天(8760h)的贸易,将逐渐变成日常生活中不可或缺的组成部分。在计算机网络系统中,所有的硬件加在一起的费用也只是全部网络费用的一小部分(约20%),而大部分费用用在检查错误,服务器的重新启动,维护和更新以及数据重建等上面。从某种意义上讲,保护用户的数据比保护用户的网络设备更为重要。一个大型企业,深知自己成功与否取决于计算机,即使供电系统出现很短时间的故障,就可能出现如下的致命后果:有损形象;丢失合同;丢失客户;中止客户服务;产品积压;丢失运行的数据。一个网站宕机,一个潜在的用户在8s内离开,一个路由器宕机,局域网上可能有几百个用户无法工作;一个光纤室宕机,可能有几千个用户断开网络连接。 供电系统除了要向负载提供高质量的电源外,保证供电的连续性已经成为重要的不可缺少的功能,不间断供电系统(UPS)就是在这种形势下应运而生的。UPS供电系统从产生到现在已有几十年的发展历程,在技术不断发展和改进的过程中,其保护功能也在不断地发生变化,特别是在网络技术高速发展的今天,这种变化就更明显,图1显示了这个变化过程。1993年以前着重追求对硬件的保护,1993年开始,更多的用户把电源对数据的保护要求放在了最重要的地位。 1.3 一体化网络系统 随着网络应用的深入和用户需求的个性化,对UPS的应用要求呈现高可靠性、可管理性以及经济性并重的趋势,集不间断电源、机柜、电源管理、散热、电力电缆和数据布线为一体的全套电源供应与管理的“整体方案”可以大大便利用户的选购、安装、维护和扩容,降低日常管理、维护的成本。这种应用趋势演变为厂商之间综合实力的竞争,包含产品技术、方案提供以及现场服务等多方面的因素。 当前所说供电机房已不再是传统意义的UPS设备,而是网络关键物理基础设施的体现,它是一套集成系统,UPS设备只能说成是该系统的核心部件。 由于UPS和EPS(应急电源)等电源保障系统是支持大型电脑、电子设备、电机设备系统的,这些系统要有集中测控的设备来监控整个过程的运行。10年前电源保障比较简单,只是单机单元进行监视与维护。后来随着系统愈来愈大,所用的UPS容量也愈来愈大,并要求高可靠性。例如民航导航与空管站的UPS,要求有两套来自不同电网的功率均分并机系统,两台UPS再并机,即用双总线系统来保证高可靠性与高可用性。如一台UPS出故障,可由并机的另一台承担。一路市电出问题,还有另一路市电来承担。与此同时还要求能监控每一块电池,对发电机组也需监控,对电机的起动电池也得监控。于是电源就成了一个与负载——电脑设备、电子设备、机电设备同等重要而复杂的系统。当然,技术上是可以解决的,但最终受限于成本和价格。于是电源网络化与IT化结合起来,形成“电源、发电机、电池及被保护的电脑、电子、机电”网络一体化的系统。也就是把UPS、EPS、电池、发电机,与被保护的电脑、电子、机电系统看作是一个整体。即“电源、电池、电机、电脑、电子、机电”的“六电一体化网络系统”。 只顾眼前利益忽视安全要求是非常危险的。近来报道的一些厂矿事故、城市火灾、坍塌事故等乃是这种意识的严重后果。对于“六电一体网”的建设绝不是一个把UPS、EPS、电池、电机与被保护的电脑、电子(如雷达、导航、通信)、机电设备(自动化系统)简单地接在一个Ethernet(以太网)上就行了。还要保证物流、能流、人流与信息流能够充分地流动起来。 2 UPS与EPS的应用特点 2.1 常用型UPS的特点及功能 UPS按其设计原理与工作方式可分为离线式UPS、在线式UPS、在线互动式UPS三种。 离线式UPS亦称后备式UPS,以小功率(5kVA以下)为主,主要对市电进行滤波、稳压调整,以便向负载提供更为稳定的电压,同时通过充电器把电能转变为化学能储存在蓄电池内,一旦电力中断、电网电压或电网频率超出UPS的输入范围,可在极短的时间内(几ms)开启自身的储备电源,向负载供电,此类UPS的特点是转换效率高、易于维护且价格低廉,为绝大多数中小功率用户电源保护的首选。 在线式UPS以中大功率(5kVA以上)为主,逆变器始终处于工作状态,与用电设备同时运行,在供电状态下的主要功能是稳压和防止电压波动和干扰,避免负载遭到长期低品质电力的侵害,一旦市电中断,UPS中的逆变器会利用机内蓄电池所提供的电能来维持负载的正常运转,供电转换时间为零,真正实现了不间断供电。该类UPS供电质量高,但价格昂贵。 在线互动式UPS以网络使用为主,它结合了离线式效率高和在线式供电质量高的特点,与离线式UPS相比切换时间短。 一台UPS应该包括传统意义上的以下环节和功能:能在各种复杂的电网环境下运行;在运行中不会对市电产生附加的干扰;输出电性能指标应该是全面的、高质量的,能满足负载的各项要求;UPS本身应具有很高的效率,有接近实际市电的输出能力;是一台智能化程度很高的设备,有高度智能化的自检功能,自动显示、报警、状态记忆功能,以及通讯功能;UPS不仅向由它直接供电的各种硬件设备提供全面的保护,在互联网时代,还应该向他们所运行的软件以及数据传输途径提供安全可靠的保护,可配置相应的电源监控软件,使其具有远程管理能力,使用户可执行UPS与网络管理平台之间的监控和数据通讯操作。 2.2 UPS与网络和数据密切相关 随着技术的发展,现在的UPS,特别是中大型UPS,不只是一台停电后可以继续向负载供电的整机产品,而且已成为一个小型的,或者说局部的高度可靠、性能齐全、高度智能化的供电中心。在网络化时代,UPS已经成为一个高度智能化的设备,它对整个网络中的硬件设备、运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面的保护,使之成为不间断网络。 它具有如下技术特性。 2.2.1 高可靠性 具有能在365天(每天24h)连续提供高质量输出电压的供电能力。这就意味着,在UPS供电系统的运行中既不允许出现任何瞬间供电中断或停电事故,也不允许出现由市电经交流旁路直接向负载供电的局面。为此,要求UPS供电系统应满足如下要求: 1)UPS单机本身的故障率低,目前大型UPS产品的平均无故障工作时间(MTBF)可达(2~4)%26;#215;105h; 2)采用具有高度容错功能的“N+1”型UPS冗余并机系统来进一步提高UPS供电系统的可靠性〔“1+1”型冗余并机系统的典型MTBF值可达(14~20)%26;#215;105h〕; 3)在整套UPS供电系统中,不应存在单点瓶颈性故障隐患; 4)允许在UPS逆变器连续供电的条件下,执行不停电的维护和检修操作; 5)万一在用户设备端出现短路故障时,应将故障的影响范围缩小到尽可能小的范围。 2.2.2 高抗干扰性 UPS供电系统能使互联网设备获得100%的高可利用率(低误码率,低数据传输丢失率、高网络接通率),创造优良的运行环境。 大量的运行实践表明,电源干扰问题是造成互联网设备可利用率下降的重要原因之一。能否尽可能地消除电源干扰是确保信息网络能否获得100%的高可利用率的关键所在。应当说明的是,电源干扰不仅来源于普通的市电电网,还来源于设计不完善的UPS本身及用户的互联网设备本身。这是因为配置在IDC(互联网数据中心)和MDC(多媒体数据中心)机房内的服务器、磁盘阵列机、交换机等均内置有开关电源。这种整流滤波型非线性负载会向UPS供电系统反射3~23次谐波干扰,其可能带来的后果之一是降低语音通话质量。实践证明,过大或过多出现电源干扰,轻者会导致互联网的传输速率下降、网络服务器的数据丢失率增大、Modem的上网掉线率增大等隐形故障,从而导致互联网设备被迫进入降额使用状态,严重时还会导致网络瘫痪。从这个角度来看,高速信息网络技术的迅猛发展在给UPS产业带来巨大商机的同时,也对UPS所能提供的供电质量提出更为严格的要求。 2.2.3 具有防雷击及抗浪涌的功能 雷击、闪电及电网上的浪涌严重威胁UPS系统和计算机网络的安全。如无相应的保护措施,将造成UPS系统及计算机网络的硬件和软件的损坏。UPS应具有这方面的保护电路,其指标应符合国家及国际安规标准。 2.2.4 过载能力强 由于计算机等属于整流滤波型负载,在启动时往往有较大的瞬态冲击电流,如果UPS的过载能力弱,有可能造成严重后果导致系统不能正常运行。 2.2.5 智能化监控 在UPS和计算机/网络之间建立起双向通信监控管理功能。利用监控软件管理UPS的运行、操作。当市电中断或UPS蓄电池电压处于低限时,监控软件可将计算机中的数据自动安全存盘、系统安全关机,然后关闭UPS,避免因电力突然中断而造成操作系统的损坏和数据资料的损失,以实现数据的完整性保护。 2.3 EPS的兴起及现状 EPS已被广泛应用于建筑电气领域和特殊应急供电场合。随着社会发展,越是信息化、现代化,就越依赖于电力。突然的断电必然会给人们正常的生活秩序和学习带来影响,尤其是对于生产、生活中特别重要的负荷,一旦中断供电,将会造成重大的经济损失。然而,电力故障具有突发性,不以人们的意志为转移,即使电网设施再先进,意外的断电也在所难免。目前,城市供电系统的安全对策一般是采用并网供电,为城市电力提供可靠的电源保护。但从企业及工业、民用建筑使用情况来看,仅仅靠公用电网还远远不够,必须具备应急供电系统(EPS),其重要性是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电力,以有效降低因为断电而造成的损失,为人们生产和生活安全提供保障。因此,EPS也被称为“城市生命线系统”的重要组成部分。 2.3.1 EPS的分类 目前市场上的EPS品牌众多,大家在设计上所采用的控制方式和控制手段不尽相同,但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种:一是主要用于应急照明和事故照明的单相EPS;二是用于应急照明、事故照明之外,还有应用于空调、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列EPS;三是直接给电动机供电的变频系列EPS。 2.3.2 EPS的设计要求 EPS可以说是近两年才迅猛发展起来的一个新兴产业,相比于发展成熟的UPS而言,有相同之处,也有不同之处。其相同点在于都具备在市电故障(中断)情况下继续向负载提供交流电源的功能,均采用了IGBT逆变技术和脉宽调制(PWM)技术。不同之处是UPS除了提供不间断供电外,还兼备改善市电品质的功能,而EPS则主要解决市电故障时的应急供电问题;UPS主要是为IT行业设备提供用电保障,EPS则适用于各种行业;UPS供电模式要求切换时间很短(0~10ms),EPS则相对较宽(0~4s);UPS主要带计算机类负载,而EPS所带负载混杂;UPS对于运行环境要求较高,EPS则要求能适应各种环境;UPS以一般用户监控为主,EPS主要用于应急供电,要求与消防联动;UPS以维护信息传输畅通为主要目的,EPS以防范重大灾难事故为主要目的。可以形象地比喻,UPS以“救数据”为主,而EPS以“救人”为主。一般EPS功率较大,机内的逆变器处于备用状态,因而可以简单地理解为:EPS就是大功率后备式UPS。 鉴于EPS的主要设计思想是在市电突然中断时提供安全可靠的应急电力供应,有效避免发生灾害时的人身伤亡和财产损失为原则。因此,在设计EPS时应着重考虑其安全性、可靠性、适用性及合理性。主要有:1)断电转换时间一般在毫秒级(25ms),以保证供电的及时性; 2)负载适应能力强,包括电容性、电感性、混合型负载,而且过载能力和抗冲击能力强; 3)有多路输出,防止输出单一形成的故障; 4)有消防联动和远程控制信号,可手动与自动相互转换; 5)环境适应能力强,适用于各种恶劣环境,有防止高低温、湿热、盐雾、灰尘、震动及鼠咬等措施; 6)使用寿命长,有电池快速充电能力和管理能力; 7)节能,运行效率高,运行成本低; 8)有无人值守、自动操作功能; 9)报警功能齐全,能及时提供各种异常状况的报警; 10)有强启动功能,避免电池环节保护后无法启动; 11)无烟雾、无噪音、无公害等; 12)维护简单,维护费用低。 2.3.3 EPS的设计原理 1)应急照明和事故照明类照明型的EPS一般以单相为主,主要为应急照明场合(商场、娱乐场所、办公场所、交易场所等)提供集中供电,如图2所示。当输入电源正常时,市电一路通过转换装置输出给日常照明,另一路通过充电器给电池组充电,当控制器检测到市电中断或异常(偏低或偏高)时,向逆变器发出启动信号,并控制互投转换装置转至逆变器输出。当然,对于EPS的接法不同,还可以把EPS当作二路电源、三路电源使用。 2)应急照明及混合型负载类此类型EPS一般适用于负载性质比较复杂的场合,譬如既有照明型负载,又有动力型负载,所以一般以三相居多,如图3所示。适用场合为宾馆、高层建筑、医院、大型商场等。 3)电机专用的变频起动类此种类型EPS主要为电机类负载而设计,避免因电机起动过程中的大电流冲击而损坏设备。被广泛应用于大功率电动机负载,比如电梯、消防水泵、大型风机等。与其他EPS的不同之处是此类EPS一般只有单路输出,如图4所示。当三相输入市电正常时经整流后给逆变器提供直流电,同时经充电器对电池组充电;当三相输入断电或异常时,自动转由电池组给变频器提供直流电。当需要电机负载工作时,送给变频器启动信号(运行信号、远程控制信号等),变频器会立即输出。从0~50Hz变频,供给电动机进行变频起动,当其频率到达50Hz后保持正常运行。 2.3.4 EPS领域的现状 随着科技的不断发展,众多的智能大厦拔地而起,人们在对其居住环境提出了更高要求的同时,也提出了电力保障和消防安全问题。但EPS的起步较发电机和UPS要晚,人们对其认识的程度还不够,所以在众多的应急供电场合,还是以发电机和UPS为主要应急供电方式来实现EPS的功能。就提供应急供电能力而言,这两种方式已暴露出许多不足之处。 1)用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的,也是最常见的应急备用电源,由于柴油发电机的容量较大,可并机运行且连续供电时间长,所以已经有较长的应用历史。然而,无论发电机的起动速度有多快,从停电后使发电机接到起动信号开始,至发电机电压、频率等达到稳定可以供电时为止,至少需要数十s至数min,这段时间,所有用电设备均停止工作,就可能造成少数设备的损坏或出现生命财产的安全问题。而EPS的启动一般不会超过25ms,所以不会影响设备的正常工作。 另一方面,柴油发电机应用在应急供电场合,有诸多不利之处,主要有: (1)在高层建筑中,柴油发电机组一般放在地下室,设计难度大,造价高,配备进风、冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑; (2)存在火灾隐患。其油罐像一个极为危险的“炸弹”,万一失火,后果不堪设想; (3)日常维护比较频繁,工作量大; (4)柴油发电机噪音大,产生公害; (5)排烟中有大量的二氧化硫,污染严重,影响环保。 以负载容量为200kW为例,将EPS与柴油发电机组的性价比作一个比较。选用EPS时,其额定功率与负载功率比为1:1即可,其总价约为60万元左右。而选用柴油发电机时,其额定功率与负载功率比应为1.3~1.5:1,对200kW的负载,柴油发电机组需250kVA规格,该机组价格为40万元左右,但是除机组本身价格之外,还需外加其他辅助装置费用约16~29万元,现以20万元计算,即选用柴油发电机组总价为60万元左右。所以,二者价格相差不多。从中也不难看出,如果EPS容量小于200kW时,其价格要小于柴油发电机组的综合造价。目前消防应急供电场合的负载总容量一般在200kW以下,从投资的长远利益考虑,EPS较柴油发电机组经济得多。 2)用UPS作为应急电源EPS从原理结构上和UPS大同小异。在线式UPS不论市电是否正常,它都一直由逆变器供电,即按照“市电输入→整流→逆变→输出”的顺序进行,只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出,如图5所示。而EPS,当市电正常时,市电通过开关S输出给负载,同时充电器对电池充电。当控制系统检测到市电停电时,逆变器工作,使开关S切换至逆变输出状态,向负载提供电能,如图6所示。 从以上供电系统图可以看出,UPS是一种双变换结构的不间断电源,主要为负载提供稳定的高质量电能,不受市电电网的影响,而且其转换时间一般在10ms以内,所以,UPS被广泛应用于计算机、程控交换机、医疗设备及精密电子仪器等不能中断供电的场所。但正因为UPS不仅担负着应急供电外,还担负着改善电力品质的任务,所以其逆变器要连续不断地工作,使用寿命相对较短,一般为5~8年,尤其是电池的更换较为频繁。另一方面,UPS的逆变器长期处于工作中,自身的损耗较大,而且对使用环境要求很高,只能放在计算机房或空调房间里。 UPS专为IT行业的计算机类和通讯类负载而设计,其负载适应能力不及EPS,举例说明,如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负载,那么在UPS的设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的起动电流通常是其额定电流的5~7倍,而UPS的过载能力标准规定:过载125%时,A类为10min,B类为1min,C类为30s;过载150%时10s。如果想要UPS能承受电动机起动电流的冲击能力,势必要增大UPS的额定容量,这无疑将加大投资,还未必能彻底解决问题。因此,选用UPS作为应急电源,工作既不可靠,还得花费大量资金。3UPS/EPS的发展趋势 3.1 UPS的控制技术 中小型UPS的AC/DC和DC/AC变换大多数仍采用模拟控制电路,AC/DC变换器的控制芯片大多数已集成化,使用简单,工作可靠。DC/AC变换器的控制有两种基本方式,一种是单闭环控制,另一种是双闭环控制。前者控制电路简单,但难于实现输出端短路自动恢复。后者控制有电流内环和电压外环,电压调节器的输出为电流调节器的给定,因此,限制电流给定幅值也就限制了逆变器的最大输出电流。 当前,数字控制已成为新型UPS控制技术发展的主流,数字控制器具有精度高,抗干扰能力强,易于实现对UPS的检测、故障诊断和隔离,易于实现遥控遥测,实现多台UPS的并联和热插拔,易于实现对蓄电池的监控和管理。也就是说,计算机的介入使UPS具备了智能化,可以使其运行在最优状态。 3.1.1 DSP的应用 采用数字信号处理器(DSP)的数字PWM技术,是数字控制技术的核心,用于保证UPS输出电压的质量,即保证输出电压、频率和输出电压波形满足技术指标的要求。数字控制的另一个重要功能是实现UPS的初始自检和运行自检,进行故障保护和故障隔离,这是模拟控制器无法胜任的。由于数字控制器的灵活性,使UPS控制器的硬件电路可以标准化,从而简化了生产、使用和维修,也大大提高了工作可靠性。 3.1.2 控制电路的全微处理器化 UPS电路是由以下几部分组成的:主电路、驱动电路、监控显示及控制保护电路和通信界面电路。其中监控、显示及控制保护电路和通信界面电路,可以运用数字化设计技巧简化其电路,并解决原类比电路需要调整、具有温漂及参数调整不易的缺欠。采用的方法是: 1)全微处理器化利用微处理器来执行监 控、显示及控制保护电路和通信界面电路的功能; 2)半微处理器化利用类比电路处理快速反 馈保护电路,而由处理器处理慢速反馈、报警、显示及通信界面的功能。 3.2 蓄电池技术 蓄电池是UPS的心脏,不管UPS电路多么先进,其性能最终取决于它的电池,一旦电池失效,再好的UPS也无法提供不间断供电。 目前,UPS一般都使用免维护密封铅酸蓄电池,由于采用阴极吸收式密封技术,克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点,具有“免维护”、使用方便、不污染环境、体积小、重量轻的优点。它使用高氢过电位的板栅材料,减少了电池在存放和充电过程中的气体分解。正极表面的超细玻璃纤维膜,阻止了活性物质脱落,提高了电池的寿命。安全阀的使用使蓄电池很少产生气体,又可使已产生的氧气被负极铅所吸收,使蓄电池无水的损失,达到了密封免维护的目的。 一般情况下,影响电池性能的主要因素是连续充电,电池连续充电大约要减少一半的使用寿命。目前国外使用一种ABM(AdvancedBatteryManagement)三阶段电池管理方案,即充电分成三个阶段:第一阶段是恒流均衡充电,将电池容量充到90%;第二阶段是浮充充电,将电池容量充到100%,然后停止充电;第三阶段是自然放电,在这个阶段里,电池利用自身的漏电流放电,一直到规定的电压下限,再重复上述的三个阶段。这种方式改变了以前那种充满电后,仍使电池处于一天24h的浮充状态,因此延长了电池的寿命。 金属化镍氢电池具有高能量密度的优点,而且又无镍镉电池可能造成的镉污染,将其应用于UPS可以收到小型轻量化的优点。但其缺点是售价太高。美国Alupower公司研发的高功率铅-空气备用电源装置(RPU),运行≥50h,功率从600W到6000W,电压有DC24V和48V两种,其能量密度是铅酸电池的十多倍,重量只有铅酸电池的1/10,所占空间只有铅酸电池的1/7,有望取代铅酸蓄电池应用于UPS。 3.3 UPS的冗余技术和在线维护(热插拔) 开关整流器的并联和热插拔已成为通信电源的基本运行方式,这种运行方式即所谓N+1冗余供电方式,用于取代主备方式,使电源的可靠性大幅度提高。主备方式的备份电源的容量和主电源相同,因此使电源成本提高,而且在转换时还会造成电能中断。N+1冗余供电方式不仅降低了电源成本,并且还保证了供电不中断。这种冗余供电方式的实质是通过并联平行操作的电源模块提供分布式电源,所有的模块并联运行并平均负担当前的负载,电源阵列比额定容量多配置一个功率模块,当一个模块出现故障时,特设的电路将故障模块从负载上断开,其它模块将立即支持所有负载,使其连续不间断地供电。替换模块后UPS的控制电路和蓄电池均能在线运行。这种灵活的模块化设计,用户可以自行堆叠电池模块,以增加UPS的输出功率,延长供电时间,大大增强了电源的可靠性。 UPS的并联和热插拔技术要比开关整流器的并联复杂得多,这是因为交流电的变量比直流电多,有相序、频率、相位、电压幅值和波形等5个变量,其任意一个与市电电源不一致,都不能使UPS投入电网。在投入电网后还必须不断地检测各台UPS输出的有功功率和无功功率,通过调节电压和相位实现各UPS输出有功功率和无功功率的平均分配。 由此可见,UPS的并联工作有3个方面。一是正常工作的UPS自动投入电网,二是并联运行的UPS之间,有功功率和无功功率的均匀分配,三是UPS退出并联,特别是在不干扰电网的情况下快速切除故障UPS。这3个要求的实现,也就解决了UPS的热插技术。 3.4 智能化UPS的管理系统 所谓智能化UPS,是指将传统UPS通过与计算机相连的硬件接口,结合特殊设计的软件,以提供计算机及数据资料的双重保护。当前UPS智能化技术有两个方面:一是加强UPS新功能,与服务器上的软件协同工作,使UPS除了完成最基本的不间断供电功能外,还能实现网络上事件记录、故障告警、参数自动测试分析和调节等;另一方面是加强UPS的节能功能。 智能化的UPS,除了完成一般UPS所能完成的全部工作外,还应具备的功能是: 1)对运行中的UPS进行监测,随时将采样点的状态信息送入计算机进行处理,一方面获取UPS工作的有关参数,另一方面监视电路各部的工作状态,从中分析电路各部分工作是否正常; 2)故障时,根据监测的结果进行故障诊断,指出故障部位,给出处理办法; 3)完成部分处理工作,除了实现对UPS工作的控制外,还能在发生故障时,根据需要采取必要的应急控制,此外通过对整流部分的控制,按照对不同蓄电池的不同要求,自动完成对蓄电池的分阶段充电; 4)自动显示所检测的参数,在异常或发生故障时,可以自动记录有关异常或故障的信息; 5)按照技术说明书给出的指标,自动定期地进行自检,并形成自检记录文件; 6)能够用程序控制UPS的启动或停机,实现无人值守的自动操作; 7)具有交换信息功能,可以随时向计算机输入信息或从计算机获取信息; 8)通过通信接口与计算机互联,实现网络化监控管理。 推动UPS技术发展的主要动力在于全球计算机网络的迅速发展。为了使UPS能够更好地适应网络环境的要求,UPS正在向网络化管理和控制方向发展。新型的网络UPS采用一个集成的SNMP适配器,掉电期间,即使UPS不能通过网络传递信息,用户也可以依靠UPS通过串行端口适时关闭服务器,适配器接到UPS通信端口上,以实现网络可维持局部停机控制。网络管理人员通过网络中的网管平台,将UPS作为一个网络设备来管理,实时处理电源故障及UPS状态报警。SNMP适配器和管理软件相配合可以同时向任何管理站发出电源故障及UPS状态报警。在无人值守的情况下,当市电中断时,软件会发出告警信息,并开始倒计时,当倒计时计数到零时或电池耗尽前,软件即关闭应用程序,并将现场资料存盘后关闭系统,向UPS发出关机命令,切断UPS,当市电恢复后可自动启动UPS。 智能化的网络UPS最基本功能是在长时间断电的情况下,能安全、自动地关闭网络,确保网络系统及数据的安全性。此外,通过远程控制装置,用户也可以在远方通过电话遥控UPS,有些UPS还可将UPS状态或报警信息通过电子邮件、传真机或手机等通知外出网络管理人员。 3.5 提高UPS的可用性 从20世纪90年代中期开始,随着信息技术的高速发展和网络时代的到来,对UPS可用性的要求越来越高。所谓UPS的可用性,其物理概念是,在规定的使用期间内,UPS的正常运行时间与整个时间的比例。根据这个定义要提高UPS的可用性有两个办法:一是提高UPS的平均无故障时间MTBF,二是降低UPS的平均修复时间MTTR。提高UPS本身MTBF的传统做法是,提高功率开关器件的规格和档次;改进控制技术,提高逻辑控制组件的规格和档次;使用更先进的主电路结构;提高智能管理和通信功能;严格生产工艺,加强质量管理(ISO9000)等。但当MTBF提高到一定程度后其效果就不明显了。用降低MTTR的办法,效果是非常明显的。降低UPS的MTTR的做法有如下几种。 1)一般的做法是加强对UPS,特别是其中的关键部件的维护;充足的备件并保证其完好性;加强对维护人员操作技能的培训,特别是用户在采购UPS时就要求厂家对售后服务(包括备件提供、反应时间和修复速度)条件做出严格承诺。 2)UPS的模块化+冗余配置,把整个UPS按电路功能分成几部分,并在结构上设计成可以插拔的模块,例如功率模块(包括整流器和逆变器)、电池模块、智能管理和通信功能模块。 3)UPS的冗余并机配置,在UPS中,可以把控制电路集中起来作为一个独立的可插拔模块,也可以把功率变换部分集中在一个结构中,作为一个可以热插拔的模块。为了适应多台UPS并联供电,也可以把每台UPS看作一个模块,在冗余热备份配置的情况下,同样可以做到故障后热插拔修复,或者使每台UPS都具备直接并机的功能。 4)用集成设计提高UPS的可用性,以适应由多种设备组成供电系统的需要。集成化UPS供电系统的基本思想和原则是,供电设备制造和供应的统一化和标准化;系统中供电设备和包括负载机架结构的一体化和连接的规范化;系统中各供电设备和环节(包括负载机架中的PDU)电源状态管理的集中化;系统中各供电设备和环节结构的模块化和连接的热插拔功能。 一个完整的供电系统的组成,除UPS设备外,还有输入配电柜、ATS转换开关、变压器、瞬态电压浪涌抑制器、负载配电开关柜、柴油发电机、交流稳压器、电池系统、各种开关、断路器、熔断器、转插板,上百乃至几百个连接点和相应的传输线。对于一个复杂的供电系统如何提高其可用性呢?仅仅解决UPS设备的可靠性显然是不够的,根据系统实际运行的故障数据表明,直接由于UPS故障引起系统宕机的比例毕竟是较少的,由于系统中其他设备和环节以及人为事故造成的故障,或者由此引发的UPS故障占大多数。但是模块化、冗余配置、热插拔修复等设计原则还是适用的。当然,系统中各种设备和管理的标准化、统一化和集中化,减少单路径故障点和大面积掉电的隐患,加快建设速度和安装的规范化、对环境和负载变化的适应性和系统的可扩展性、降低维护管理的难度和减少人为事故的几率等问题,也是要研究和解决的重点。 图7是集成化UPS供电系统示意图,虚线框内是集成化所包含的内容。 集成化UPS系统的特点如下: (1)由单机模块化+冗余的UPS系统组成双总线系统,是可用性等级最高的UPS供电系统; (2)UPS供电系统与数据中心一体化机架式结构,整个系统只有电网进线与外接线; (3)PDU作为基本组合的一个子系统,直接配置在标准的负载机架中; (4)该系统结构的基本组合机柜上的服务器提供了整套基础设施,这种基础设施包括IT机柜中的冷却设施、布线设施和配电设施;基础组件包含在4个子系统中,即IT机柜、机架安装PDU、环境监控以及电源和数据电缆布线。 3.6 绿色化 各种用电设备及电源装置产生的谐波电压和谐波电流,对市电电源是一种污染,随着各种政策法规的出台,对无污染的绿色UPS的呼声越来越高。要求UPS做到使用户负载既不受已污染的市电电源的影响,同时用户负载产生的谐波电压和谐波电流也不要污染市电。对于串并联补偿式UPS,它已经具备了这种功能,对于传统双变换UPS,除在输入端加装高效输入滤波器外,还应在输入整流器部分采用数控有源功率因数校正技术(PFC),这样就可以提高输入功率因数,减少对市电电源的污染。 3.7 EPS的发展趋势 由于EPS所带负载类型的复杂性和环境的相对固定性,针对不同场合、不同负载,可对EPS功能做得更贴近现实应用。其中包括以下几方面。1)结构组成普通EPS为了更好地结合实际应用,往往采用“多合一”的结构设计,但由于负载及环境的复杂性,也由此带来设备标准化和设计院所、用户选型的困难。解决的办法是采用模块化设计,将主机与输入或输出配电分离开来。主机模块完成主要的能量转换及通讯控制功能;配电模块实现丰富的配电管理功能。主机模块通过标准控制接口实现对配电模块的管理,如双电源自动切换功能,多回路输出功能,消防联动功能均应在配电模块中实现。 2)配电模块应增加功能EPS用于紧急负载的供电,其负载往往为非单一的负载,而这些负载在紧急情况下的关键程度不尽相同,因此,对于EPS来说,某些配电管理功能至关重要。 (1)顺序启动功能诸如,EPS的负载很大一部分是感性冲击负载,具有较大的启动电流,在选型时必须加大EPS容量,从而造成设备资源的浪费以及用户成本的增加。实际上,由于EPS负载供电的可间断性,EPS可增加一个8路或16路的可编程配电管理接口,通过对负载启动的顺序、时间进行控制,可在很大程度上解决启动冲击电流和加大选型容量的问题。 (2)部分卸载功能由EPS负载性质决定,当过载发生时,需要EPS尽可能继续工作,而不能象UPS那样进行保护性关机,因此,同样可通过配电管理接口卸除次要负载。 3)电池管理由于EPS的使用环境一般较UPS恶劣,为尽可能延长蓄电池的使用寿命,充电器应同时具备以下功能: (1)可设定充电限流; (2)可设定电池放电终止电压; (3)具有自动浮充功能,充电机制应符合DIN41773标准; (4)具有浮充电压温度补偿功能; (5)智能电池检测功能; (6)深放电保护(可强制应急)。 4)变频起动功能目前变频起动型EPS的设计,如图8所示,主要着眼于解决较大电动机,如电梯、水泵、风机等负载的起动冲击问题,但更为合理的设计,应该是在线式UPS与变频器技术的完美结合。在线式UPS具有成熟的整流、电池管理技术;变频器具有成熟的变频控制技术,两者的有机结合才是这一应用领域的最终发展方向。
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