在數(shù)據(jù)中心中,閥控式密封鉛酸蓄電池組作為備用電源在系統(tǒng)中的作用非常重要。鉛酸蓄電池工作狀態(tài)的穩(wěn)定與否、性能好壞都與UPS系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性和可靠性息息相關(guān)。蓄電池組容量監(jiān)測(cè)研究的意義在于提高UPS的利用率,實(shí)時(shí)在線監(jiān)控蓄電池組的健康狀態(tài),提供高效率的電池管理,提高后備電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,同時(shí)可保障鉛酸蓄電池的使用壽命、避免安全隱患及經(jīng)濟(jì)損失,減少人工成本。
定期對(duì)閥控式密封鉛酸蓄電池(以下簡(jiǎn)稱蓄電池)組進(jìn)行容量測(cè)試,有利于掌握蓄電池組的工況,避免故障隱患的長(zhǎng)期存在,保證供電系統(tǒng)運(yùn)行中的可靠性。
根據(jù)聯(lián)通動(dòng)力維護(hù)規(guī)程,蓄電池組使用三年必須進(jìn)行容量試驗(yàn),使用六年后每年進(jìn)行一次容量試驗(yàn),準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電池組的容量,確保在市電和電源設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),蓄電池組能夠保障通信設(shè)備續(xù)航的時(shí)間。
1 蓄電池組的容量測(cè)試方法
蓄電池組容量的測(cè)量,視情況不同可用下列三種方法進(jìn)行測(cè)量。
(1)離線式測(cè)量法
在采用離線式測(cè)量法進(jìn)行蓄電池的容量試驗(yàn)時(shí),應(yīng)按下述步驟進(jìn)行:
①將充滿電后的蓄電池組脫離供電系統(tǒng)靜置1～24h,在環(huán)境溫度為25±5℃的條件下開(kāi)始放電;
②放電開(kāi)始前應(yīng)測(cè)量蓄電池的端電壓,放電期間應(yīng)測(cè)記蓄電池的放電電流、時(shí)間及環(huán)境溫度,放電電流波動(dòng)不得超過(guò)規(guī)定值的1%;
③放電期間應(yīng)測(cè)量蓄電池的端電壓及室溫,測(cè)量時(shí)間間隔為:10h率放電30min、3h率放電20min、1h率放電5min。在放電末期要隨時(shí)測(cè)量,以便準(zhǔn)確地確定達(dá)到放電終止電壓的時(shí)間;
④放電電流乘以放電時(shí)間即為蓄電池組的容量。蓄電池按10h率放電時(shí),如果溫度不是25℃時(shí),則應(yīng)將實(shí)際測(cè)量的容量按下式換算成25℃時(shí)的容量Ce:
(1)式中,t——放電時(shí)的環(huán)境溫度(℃);
K——溫度系數(shù);
10h率放電時(shí),K=0.006/℃
3h率放電時(shí),K=0.008/℃
1h率放電時(shí),K=0.01/℃
Cr——試驗(yàn)溫度下的電池容量。
⑤放電結(jié)束后,要對(duì)蓄電池組充電,充入電量應(yīng)是放出電量的1.2倍。
電池組離線放電原理圖如圖1所示。
利用離線式測(cè)量方法進(jìn)行電池組容量試驗(yàn)時(shí),應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題:
①電池組離線式容量試驗(yàn),測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,電池組實(shí)際容量計(jì)算方便,便于了解電池組實(shí)際容量。但當(dāng)該供電系統(tǒng)只剩下一組電池后備,系統(tǒng)備用電池供電時(shí)間明顯縮短,且不清楚在線電池組是否存在質(zhì)量問(wèn)題;尤其使用六年以上的電池組,一旦市電中斷,該電池組對(duì)通信設(shè)備放電保障風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)增大。所以用此種方法對(duì)電池組進(jìn)行容量試驗(yàn)時(shí),要求柴油發(fā)電機(jī)組必須處于最佳工況狀態(tài),以確保發(fā)電機(jī)組、開(kāi)關(guān)電源等設(shè)備正常運(yùn)行;
②放電結(jié)束后的電池組充滿電后再并入供電系統(tǒng),此時(shí)與在線電池組間存在電壓差,若操作不當(dāng)將引起開(kāi)關(guān)電源對(duì)并入的電池組進(jìn)行大電流充放電,產(chǎn)生火花,易發(fā)生安全事故。為了解決打火花問(wèn)題,必須調(diào)整開(kāi)關(guān)電源輸出電壓,然后與充滿電的電池組電壓相等后進(jìn)行并聯(lián)浮充;
③利用離線式測(cè)量方法時(shí),放電方式操作難度偏大,既要脫離電池組的正極電源線,又要脫離電池組的負(fù)極保險(xiǎn),尤其是脫離電池組負(fù)極保險(xiǎn)時(shí),需要特別小心并做好絕緣處理。操作不當(dāng)引起負(fù)極短路,將造成系統(tǒng)供電中斷和人身安全事故的發(fā)生。同時(shí)放電電池組通過(guò)假負(fù)載以熱量形式消耗,浪費(fèi)電能,增大了機(jī)房空調(diào)的制冷時(shí)間,影響機(jī)房設(shè)備運(yùn)行環(huán)境,需要維護(hù)人員時(shí)刻守護(hù),以免假負(fù)載高溫引發(fā)通信供電設(shè)備故障;
④關(guān)電源直流輸出電壓為46.4V,使電池組直接對(duì)實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行放電至開(kāi)關(guān)電源直流輸出電壓保護(hù)設(shè)置值。由于電池組放電電流大,應(yīng)按電源維護(hù)規(guī)程考慮48V供電范圍40～57V的最低供電低壓門限,電池組至設(shè)備供電回路全程壓降3.2V及電池單體放電最低1.8V的要求考慮。為了保證供電系統(tǒng)安全,所以帶實(shí)際負(fù)載的放電電流和放電時(shí)間掌控較困難,對(duì)電池組容量評(píng)估不夠準(zhǔn)確,對(duì)電池性能測(cè)試存在不確定因素,尤其對(duì)使用3年以上電池組性能檢測(cè)難以達(dá)到試驗(yàn)的預(yù)期效果。
(2)在線式測(cè)量法
在利用在線式測(cè)量法進(jìn)行蓄電池組容量試驗(yàn)時(shí),應(yīng)按如下步驟進(jìn)行:
①在供電系統(tǒng)中,關(guān)掉整流器或降低整流器輸出電壓后,由蓄電池組放電供給通信設(shè)備,在蓄電池組放電中找出蓄電池組中電壓最低、容量最差的一只電池來(lái)作為容量試驗(yàn)的對(duì)象;
②恢復(fù)整流器至正常工作狀態(tài),對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電,等蓄電池組充滿電后穩(wěn)定1h以上;
③對(duì)①中放電時(shí)找出最差的那只電池進(jìn)行10h率放電試驗(yàn)。放電前后要測(cè)記該只電池的端電壓、溫度、放電時(shí)間和室溫。以后每隔30min測(cè)記一次,放電快到終止電壓時(shí),應(yīng)隨時(shí)測(cè)記,以便準(zhǔn)確記錄放電時(shí)間;
④放電時(shí)間乘以放電電流即為該只電池的容量。當(dāng)室溫不是25℃時(shí),應(yīng)按式(1)換算成25℃時(shí)的容量;
⑤放電試驗(yàn)結(jié)束后,用充電機(jī)對(duì)該只電池進(jìn)行充電,恢復(fù)其容量;
⑥根據(jù)測(cè)記的數(shù)據(jù)繪制放電曲線。
在利用在線式測(cè)量法進(jìn)行蓄電池組容量試驗(yàn)時(shí),應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題:
①若兩組電池的單體電池都有失容、落后等質(zhì)量問(wèn)題,其放電至輸出保護(hù)值的時(shí)間,不易被維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn),此時(shí)可能后備電池組容量所剩無(wú)幾,因此該放電方式比離線放電方式不安全系數(shù)更大。同時(shí)由于放電深度有限,對(duì)電池組的測(cè)試的目的無(wú)法達(dá)到,關(guān)鍵是在全容量放電的實(shí)踐中會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些單體電池在放電前期電壓正常,但到中后期,有些落后電池才開(kāi)始逐步暴露出來(lái);
②這一部分落后單體電池,由于放電深度不夠而沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn),此放電方式只能大致評(píng)估電池組容量,而無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)具體放電多長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)兩組電池組間放電電流不完全均衡,各電池組將根據(jù)自身情況自然分?jǐn)傁到y(tǒng)的負(fù)載電流。落后電池組內(nèi)阻大、放電電流小,而正常電池組內(nèi)阻小、放電電流大。這就造成某些落后電池因放電電流不夠大而無(wú)法暴露出來(lái),達(dá)不到進(jìn)行電池組放電性能質(zhì)量檢測(cè)目的。
(3)單組全在線式節(jié)能容量試驗(yàn)很明顯,離線式測(cè)量法和在線式測(cè)量法,在實(shí)際運(yùn)用時(shí),存在重大缺陷:
•工作量太大,耗時(shí)耗力,一年內(nèi)無(wú)法保證對(duì)所有的蓄電池組進(jìn)行一輪放電試驗(yàn),亦即蓄電池組得不到及時(shí)有效的維護(hù);
•這兩種測(cè)量方法追求的是結(jié)果而不是過(guò)程,所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)該組蓄電池有質(zhì)量問(wèn)題時(shí),可能問(wèn)題在很早以前就存在了。也就是說(shuō),即使非常嚴(yán)格地按照維護(hù)規(guī)程進(jìn)行著維護(hù),仍然無(wú)法確保在用蓄電池的性能良好、保證通信網(wǎng)絡(luò)的順暢運(yùn)行;
•離線全容量放電測(cè)試存在嚴(yán)重的安全隱患問(wèn)題,操作不當(dāng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)供電安全造成嚴(yán)重的影響,同時(shí)嚴(yán)重浪費(fèi)能源,而且放電結(jié)束后被測(cè)蓄電池組和系統(tǒng)存在巨大的壓差,回接系統(tǒng)相當(dāng)困難且危險(xiǎn)。而一些單位采用定期的在線式放電測(cè)試,雖然這種在線式放電測(cè)試相比離線放電測(cè)試,操作較簡(jiǎn)單,也沒(méi)有電能的浪費(fèi)和電池組回接困難的問(wèn)題。但是在線式放電測(cè)試是將系統(tǒng)電壓降低,系統(tǒng)上所有的電池組同時(shí)對(duì)實(shí)際負(fù)載放電,如果市電停了,系統(tǒng)上就沒(méi)有滿容量的電池組,同樣存在巨大的安全隱患問(wèn)題。而在線式放電測(cè)試的放電深度不夠,且放電不恒流,不能準(zhǔn)確的測(cè)試出蓄電池的剩余容量,達(dá)不到檢測(cè)蓄電池性能的目的,給系統(tǒng)維護(hù)留下安全隱患。
解決這個(gè)難題的方法在于采用安全節(jié)能的“蓄電池組全在線容量試驗(yàn)”。單組全在線式節(jié)能容量試驗(yàn)可以避免上述缺陷,具有良好的實(shí)用價(jià)值。全在線式節(jié)能容量試驗(yàn)的原理圖如圖2所示。
所謂“蓄電池組全在線容量試驗(yàn)”,是指在被測(cè)電池組和通信設(shè)備工作電源之間串聯(lián)一套“電池組全在線放電安全節(jié)能維護(hù)系統(tǒng)FBI”,讓被測(cè)電池組相對(duì)另一組處于浮充狀態(tài)的電池組具有略高電位的趨勢(shì),并通過(guò)FBI系統(tǒng)的控制以使被測(cè)電池組能夠以恒定電流或恒定功率對(duì)在線負(fù)載設(shè)備進(jìn)行供電,隨著被測(cè)電池組電壓的下降,FBI系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)升壓補(bǔ)償,以保持被測(cè)電池組所在支路電壓(被測(cè)電池組電壓+FBI升壓)始終保持與另一組電池等電位,但始終具有略高電位的趨勢(shì),以使被測(cè)電池組能夠持續(xù)在線供電,當(dāng)被測(cè)電池組以恒定電流或恒定功率在線放電到預(yù)先設(shè)定的截止電壓后,FBI系統(tǒng)自動(dòng)引導(dǎo)整流器在線對(duì)被測(cè)電池組充電恢復(fù),隨著被測(cè)電池組電壓的上升,FBI系統(tǒng)自動(dòng)隨時(shí)降壓補(bǔ)償,以保持被測(cè)電池組所在支路電壓(被測(cè)電池組電壓+FBI升壓)始終保持與另一組電池等電位,直至被測(cè)電池組充電恢復(fù)完成。在此被測(cè)電池組全在線放電和充電過(guò)程中,另一組電池始終保持浮充狀態(tài)。采用FBI,徹底改變了以往蓄電池放電容量測(cè)試模式,解決了離線式測(cè)量法和在線式測(cè)量法的種種弊端。被測(cè)電池組電壓+FBI升壓的原理圖如圖3所示。當(dāng)然也可以采用被測(cè)電池組電壓+FBI降壓的模式。被測(cè)電池組電壓+FBI降壓的原理圖如圖4所示。
下面簡(jiǎn)述全在線式節(jié)能容量試驗(yàn)的充放電過(guò)程和全在線充、放電設(shè)備串接電池組的操作過(guò)程。
①全在線充、放電過(guò)程
被測(cè)電池組的正極與全在線(充)放電設(shè)備串聯(lián),不需要調(diào)整開(kāi)關(guān)電源的浮充電壓值,使被測(cè)電池組所在支路的電壓略高出開(kāi)關(guān)電源輸出或另一組電池的浮充電壓,這樣使該電池組對(duì)實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行放電,放電過(guò)程中被測(cè)電池組電壓隨著放電時(shí)間的變化而逐漸下降,通過(guò)全在線(充)放電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)電壓補(bǔ)償調(diào)整,保證被測(cè)電池組始終保持恒定電流或恒定的功率進(jìn)行放電,當(dāng)電池組放電終止即電壓、容量、時(shí)間和單體電池電壓達(dá)到預(yù)期所設(shè)置的放電門限值時(shí),放電試驗(yàn)自動(dòng)結(jié)束。自動(dòng)轉(zhuǎn)入對(duì)被測(cè)電池組的全在線充電恢復(fù)過(guò)程,以消除兩組電池之間存在的電壓差,并引導(dǎo)在線開(kāi)關(guān)電源輸出,經(jīng)過(guò)充電、等電位控制保護(hù)電路自動(dòng)對(duì)被測(cè)放電后的電池組進(jìn)行限流充電,自動(dòng)完成在線等電位連接,恢復(fù)系統(tǒng)的正常連接后,全在線充、放電設(shè)備退出,結(jié)束蓄電池組充電恢復(fù)等電位連接過(guò)程。實(shí)現(xiàn)了該電池組在線充、放電試驗(yàn)?zāi)康暮土私庠撾姵亟M的續(xù)航能力。
②全在線充、放電設(shè)備串接電池組的操作過(guò)程拆、接線只在電池組正極,無(wú)須拆電池組負(fù)極,只在負(fù)極接一根放電設(shè)備的工作電源線,操作過(guò)程不存在短路危險(xiǎn),充、放電全部在線自動(dòng)運(yùn)行。充、放電電流保持恒定。測(cè)試記錄自動(dòng)進(jìn)行。被測(cè)電池組按0.1C10率直接對(duì)負(fù)載放電和對(duì)電池組充電,無(wú)須看守,大大減輕工作強(qiáng)度,提高工作效率。
圖5為某通信機(jī)房-48V直流供電系統(tǒng)3000Ah電池(兩組)的全在線式節(jié)能容量試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。
圖5中,有兩組-48直流供電系統(tǒng)3000Ah電池,每組用全在線設(shè)備單獨(dú)對(duì)負(fù)載放電試驗(yàn)做具體操作。首先將6個(gè)*監(jiān)測(cè)模塊連接到該組電池各單體上(每個(gè)*監(jiān)測(cè)模塊可以監(jiān)測(cè)4只單體電池電壓),全在線設(shè)備控制系統(tǒng)上設(shè)定4個(gè)放電截止門限:單體電池截止電壓門限1.8V;電池組截止電壓門限43.2V;放電容量門限3000Ah;放電時(shí)間門限10h(任一門限達(dá)到,放電都將停止)。設(shè)定放電電流為300A,核對(duì)所有設(shè)置參數(shù)正確后進(jìn)行放電。用直流鉗形表檢測(cè)該組電池的放電電流由0A逐步上升到300A,保持300A恒定,該組電池電壓如平常放電一樣逐步下降,串接全在線設(shè)備的電壓逐步上升,整個(gè)放電支路在線電壓保持比系統(tǒng)浮充電壓54V高0.3～0.6V即54.4V以上。檢測(cè)另一電池組沒(méi)有放電,仍然保持浮充54V工作狀態(tài)。此時(shí)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓保持在54V,而開(kāi)關(guān)電源模塊輸出電流總和下降了300A。由于放電方式是對(duì)實(shí)際負(fù)荷用電,放電過(guò)程中全在線設(shè)備沒(méi)有任何發(fā)熱現(xiàn)象,安全可靠。當(dāng)放電時(shí)間達(dá)到10h,到達(dá)設(shè)定某個(gè)參數(shù)的門限值時(shí),全在線設(shè)備停止放電。自動(dòng)轉(zhuǎn)入充電程序,直到兩組電池等電位后,充電結(jié)束,拆下全在線充、放電設(shè)備,供電系統(tǒng)運(yùn)行正常。
在線設(shè)備串聯(lián)單組電池的放電節(jié)能方式,是將電池組中的電能直接釋放到實(shí)際負(fù)載中,不像離線放電是將電能以熱量形式消耗,所以串聯(lián)在線設(shè)備對(duì)電池組放電方法具有節(jié)能效果。
傳統(tǒng)離線放電的能源浪費(fèi)Q=電池組電壓U(V)×電池組放電電流I(A)×放電時(shí)間t(h)×放電電池組數(shù)N;如容量為3000Ah兩組蓄電池,放電電流為300A,按10h放電的能耗估算為:
Q=U×I×t×2=48V×300A×10h×2=288kWh
全在線設(shè)備的節(jié)能總電量P=離線放電的能耗Q+開(kāi)關(guān)電源少輸出的能量W
開(kāi)關(guān)電源少輸出的能量
W=開(kāi)關(guān)電源輸出電壓×放電電流×放電時(shí)間×電池組數(shù)=54V×300A×10h×2=324kWh
則P=288+324=612(kWh)
按照電費(fèi)0.8元/kWh計(jì)算,一個(gè)-48直流供電系統(tǒng)中的兩組3000Ah電池容量試驗(yàn)可以節(jié)約電費(fèi)約489.6元。
2 蓄電池組容量測(cè)試一般周期
①每年應(yīng)做一次核對(duì)性放電試驗(yàn)(對(duì)于UPS使用的密封蓄電池,宜每季一次),放出額定容量的30%～40%;
②對(duì)于2V單體的電池,每三年應(yīng)做一次容量試驗(yàn),使用六年后應(yīng)每年一次。對(duì)于UPS使用的6V及12V單體的電池應(yīng)每年一次;
③-48V系統(tǒng)的蓄電池組,放電電流不得大于0.25C10。
3 結(jié)束語(yǔ)
上述三種蓄電池的容量試驗(yàn)方法,是日常維護(hù)中常用的方法,但無(wú)論哪種方法,在容量測(cè)試期間,通信安全都會(huì)受到一定的威脅。因此在做容量試驗(yàn)時(shí)要防止市電停電,備用發(fā)電機(jī)組應(yīng)處于良好狀態(tài)。
有條件的,應(yīng)采用專業(yè)蓄電池容量測(cè)試設(shè)備進(jìn)行放電、記錄、分析,以提高測(cè)試精度和工作效率
1 兩種旁路方案的架構(gòu)定義和來(lái)源
模塊化UPS,顧名思義,是將大功率的UPS系統(tǒng),分開(kāi)成多個(gè)子模塊并聯(lián),通過(guò)優(yōu)化的系統(tǒng)控制,
實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線擴(kuò)容升級(jí)、維護(hù),并大幅提高系統(tǒng)的可靠性、可用性和節(jié)能效果,降低客戶的維護(hù)成本,近年來(lái)已經(jīng)漸漸成為主流客戶的首選。下面以市場(chǎng)上典型的基于10個(gè)30kVA功率模塊的300kVA系統(tǒng)來(lái)作分析。
(1)分散旁路架構(gòu)
分散旁路架構(gòu),即每個(gè)功率模塊含有整流、逆變和電池變換等部分以外,還含有與功率模塊容量相等的靜態(tài)旁路,可以認(rèn)為是一臺(tái)沒(méi)有液晶監(jiān)控的UPS。多個(gè)模塊在機(jī)柜中并聯(lián)組成系統(tǒng),模塊間相互關(guān)系類似于傳統(tǒng)多并機(jī)UPS系統(tǒng)。系統(tǒng)切換到旁路供電時(shí),負(fù)載由所有功率模塊內(nèi)的分散旁路來(lái)并聯(lián)供電。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。
(2)集中旁路架構(gòu)
集中旁路架構(gòu),即系統(tǒng)只有一個(gè)與系統(tǒng)容量相等的集中旁路模塊,功率模塊內(nèi)僅包含整流、逆變和電池變換電路,每個(gè)部分均由獨(dú)立的控制器,模塊間的并聯(lián)不再是傳統(tǒng)的UPS并機(jī)系統(tǒng),而是包含復(fù)雜的逆變均流、旁路控制和監(jiān)控等邏輯。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。
(3)兩種技術(shù)方案的發(fā)展來(lái)源
模塊化UPS的概念,最先起源于客戶對(duì)系統(tǒng)維修簡(jiǎn)易化的需求,希望能在故障情況下不影響關(guān)鍵業(yè)務(wù),進(jìn)行簡(jiǎn)單地更換操作即可恢復(fù)系統(tǒng)。廠家自然地就想到把UPS并機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu),這也就是分散旁路方案的來(lái)源。
分散旁路方案的優(yōu)點(diǎn)是,控制簡(jiǎn)單,開(kāi)發(fā)難度小,僅須將原有的UPS并機(jī)系統(tǒng)移植并優(yōu)化監(jiān)控部分即可;機(jī)柜成本低;旁路器件因?yàn)槿萘枯^小,成本也相對(duì)較低;靜態(tài)旁路有多路冗余。
集中旁路方案是繼分散旁路之后發(fā)展起來(lái)的技術(shù)路線，相比傳統(tǒng)并機(jī)UPS系統(tǒng)，從并聯(lián)均流控制、系統(tǒng)邏輯協(xié)調(diào)、容錯(cuò)能力方面都做了非常大的改動(dòng)，可以說(shuō)是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)難度大。
2 兩種方案的性能差異
常見(jiàn)的旁路供電的情況有以下幾種:逆變器故障、逆變器過(guò)載或過(guò)溫、輸出短路?？梢?jiàn),旁路供電的工況多為極端工況,對(duì)器件的考核加倍嚴(yán)酷。
(1) 穩(wěn)態(tài)工況
旁路供電時(shí),集中旁路方案是只有一個(gè)旁路提供全部電流,旁路容量按照系統(tǒng)最大容量來(lái)設(shè)計(jì),跟模塊配置數(shù)量無(wú)關(guān)。
分散旁路方案是由多路小功率靜態(tài)旁路來(lái)承擔(dān)負(fù)載,由于旁路回路是低阻回路,多回路的均流沒(méi)有辦法用軟件方法來(lái)控制,模塊間的均流完全取決于以下幾個(gè)因素:
①個(gè)體器件間的差異,主要是導(dǎo)通壓降的差異,器件廠家的分散性不可避免;
②回路阻抗的差異,主要是各回路線纜的長(zhǎng)度無(wú)法保證一致,且線纜連接點(diǎn)阻抗因工藝控制等原因無(wú)法把握。一般來(lái)說(shuō),即使是最樂(lè)觀的估計(jì),均流差異不可能小于20%,也就是說(shuō),存在部分模塊電流過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn),這在嚴(yán)酷的應(yīng)用中是非常危險(xiǎn)的。
由于這個(gè)不可控的均流能力,部分廠家提出了“解決方案”——旁路均流電感,即在每個(gè)旁路回路串聯(lián)一個(gè)電感,利用電感的阻抗來(lái)平衡各支路的電流(同樣也是常規(guī)并機(jī)系統(tǒng)的方法)。且不說(shuō)電感量的10%的個(gè)體差異,帶來(lái)更大的系統(tǒng)損耗,這種方案還會(huì)有下面瞬態(tài)性能上不可逾越鴻溝。
(2)瞬態(tài)工況
逆變切換到旁路的工況,基本上是緊急工況,切換時(shí)序要求非常高,否則容易造成關(guān)鍵負(fù)載中斷。在大負(fù)載或者是故障電流情況下切換,瞬間的操作電流可能會(huì)數(shù)倍于系統(tǒng)額定電流,這也就是為什么靜態(tài)旁路設(shè)計(jì)要求更大的余量。
靜態(tài)旁路器件抗瞬態(tài)電流沖擊的主要參數(shù)是I2t,也就是短時(shí)間(一般小于10ms)的電流積分,如果I2t過(guò)大,器件很可能燒毀。UPS的性能參數(shù)中,常見(jiàn)規(guī)定的旁路過(guò)載能力為1000%、維持10ms,也就是在配電開(kāi)關(guān)保護(hù)時(shí)間(10ms)內(nèi)旁路需要提供不小于10倍額定電流。下面以300kVA系統(tǒng)為例,分析不同器件的抗沖擊能力的差異。
分散靜態(tài)旁路器件,因?yàn)槟壳凹夹g(shù)能力的原因,器件單體最大電流等級(jí)為70A,根據(jù)某著名廠家的器件規(guī)格書(shū),提供的最大為7200(<10ms),300kVA系統(tǒng)可以認(rèn)為是10路器件并聯(lián)運(yùn)行。
集中靜態(tài)旁路,用的都是SCR模塊,最主流廠家為德國(guó)賽米控(SEMIKRON),我們看看其中一個(gè)型號(hào)SKKT323/16E的參數(shù),同樣10ms條件下為450000,兩者之間的相差超過(guò)60倍!
而我們計(jì)算一下對(duì)于常見(jiàn)的1000%過(guò)載10ms的需求,對(duì)于300kVA系統(tǒng)而言,
也就是說(shuō),集中旁路的單個(gè)SCR模塊,完全能夠提供超過(guò)10倍額定電流的10ms保護(hù)能力,而基于分立器件的靜態(tài)旁路,即使不考慮器件不均流,也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的!
瞬態(tài)切換的均流控制,不僅與器件、各回路阻抗有關(guān),也與控制相關(guān)。由于各個(gè)模塊有各自的控制器,存在各處理器的處理速度、通信延時(shí)和模塊自身差異等因素影響,各模塊的實(shí)際切換動(dòng)作一定有不等的延時(shí),這就導(dǎo)致了第一個(gè)切到旁路的模塊,很可能承受著100倍于模塊容量的額定電流!由于是瞬態(tài)大電流,即使串聯(lián)旁路均流電感也不會(huì)起到任何限流作用。這對(duì)于任何器件來(lái)說(shuō)都是不可能完成的任務(wù),這種切換無(wú)異于原地爆炸。短路故障電流的示意圖如圖3所示。
當(dāng)然,分散旁路的廠家也深知這個(gè)道理,也提供了相應(yīng)的“解決方案”,就是在短路情況下,只有逆變維持200ms,然后不切旁路,直接關(guān)機(jī)!
我們來(lái)解釋一下,10倍額定電流的工況常見(jiàn)于輸出短路工況,當(dāng)逆變器不能提供足夠的分?jǐn)喙收系碾娏?通常為3倍額定電流維持200ms)的情況下,系統(tǒng)將切換到旁路供電,用旁路的低阻抗大電流去沖開(kāi)短路點(diǎn)的保護(hù)器件(開(kāi)關(guān)或熔斷器),這是配電設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的,如果是正確設(shè)計(jì)的配電系統(tǒng),各分路的保護(hù)設(shè)計(jì)不應(yīng)該產(chǎn)生越級(jí)保護(hù),即下游的故障不應(yīng)該導(dǎo)致上游的開(kāi)關(guān)動(dòng)作,系統(tǒng)最壞的情況就是切換到旁路,然后利用旁路強(qiáng)大的過(guò)載能力沖開(kāi)下游的保護(hù)器件,這就是旁路抗沖擊要求的來(lái)源。
使用分散旁路的系統(tǒng),如果強(qiáng)行切換到旁路,由于抗沖擊能力的不足和非同步的切換,毫無(wú)疑問(wèn)將會(huì)導(dǎo)致器件損壞,系統(tǒng)宕機(jī),所以廠家設(shè)計(jì)就只能禁止切換到旁路。可以想象在一個(gè)復(fù)雜的機(jī)房或者工廠內(nèi),只要有一個(gè)分支發(fā)生短路故障,后果就是整個(gè)系統(tǒng)束手就擒!這在實(shí)際應(yīng)用中是無(wú)法接受的,這是分散旁路無(wú)法解決的固有問(wèn)題。
3 系統(tǒng)可靠性分析
分散旁路尚可宣稱的優(yōu)點(diǎn)就是旁路冗余,集中旁路被認(rèn)為是存在單一故障點(diǎn),請(qǐng)見(jiàn)下面的分析。
(1)從器件選型的角度上分析從器件選型的角度上來(lái)說(shuō),單個(gè)大功率SCR的可靠性遠(yuǎn)高于數(shù)量眾多的小型器件組成的系統(tǒng),集中旁路模塊功能簡(jiǎn)單,僅需要考慮器件和少量外圍驅(qū)動(dòng)電路的影響,而分散旁路因?yàn)槭欠植荚诠β誓K內(nèi),同時(shí)受模塊內(nèi)部眾多器件的影響。
眾所周知,整流、逆變電路的故障都有可能因?yàn)榛鸹w濺等原因造成其他部分電路的故障,靜態(tài)旁路面臨較多地不確定風(fēng)險(xiǎn)。如果說(shuō)集中旁路是單一故障的話,分散旁路可能要被稱為“多點(diǎn)故障”了。
(2)從系統(tǒng)容量角度上分析
從系統(tǒng)容量角度上來(lái)說(shuō),集中旁路的容量按照機(jī)柜設(shè)計(jì),與配置的模塊數(shù)量無(wú)關(guān)。而分散旁路的靜態(tài)旁路容量由模塊容量決定,當(dāng)模塊故障時(shí),系統(tǒng)將會(huì)失去相應(yīng)的靜態(tài)旁路容量。一個(gè)比較極端的例子,當(dāng)機(jī)柜配置2個(gè)功率模塊時(shí),如果負(fù)載率是55%左右,當(dāng)一個(gè)模塊故障時(shí),剩余的一個(gè)模塊則會(huì)處于110%過(guò)載的工況,最終的結(jié)果就是系統(tǒng)掉電。同樣工況對(duì)于集中旁路來(lái)說(shuō),完全不是問(wèn)題。
集中旁路模塊因?yàn)槠骷萘康膬?yōu)勢(shì),甚至有些廠家提供125%長(zhǎng)期過(guò)載的能力,這對(duì)系統(tǒng)可靠性來(lái)說(shuō)有絕對(duì)的保障。
(3)從集中旁路的可靠性設(shè)計(jì)分析
集中旁路的可靠性設(shè)計(jì),眾多主流廠家也提出了很多提升可靠性的方案,比如冗余備份的控制回路方案,通信總線冗余的方案,功率模塊和旁路模塊控制解耦方案,功率模塊參與旁路控制方案,每個(gè)廠家的解決方案各有特色,經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)驗(yàn)證,能夠大大提升系統(tǒng)的可用性,加上旁路模塊普遍的熱插拔設(shè)計(jì),維修升級(jí)與功率模塊一樣簡(jiǎn)便。
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)以上的分析,希望可以讓大家能夠進(jìn)一步了解到兩種方案的系統(tǒng)綜合性能和產(chǎn)品可靠性的差異。
技術(shù)流派的爭(zhēng)論和路線選擇是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的正?，F(xiàn)象,對(duì)于用戶來(lái)說(shuō),正確了解各路線的利弊是至關(guān)重要的,兼聽(tīng)則明,可以避免陷入營(yíng)銷概念的誤區(qū)。然而,對(duì)于生產(chǎn)廠家而言,技術(shù)路線的選擇意義重大,一旦路線確定,產(chǎn)品開(kāi)發(fā)將無(wú)法中途轉(zhuǎn)變,后續(xù)產(chǎn)品系列也必將延續(xù),這就是為何無(wú)論業(yè)界如何發(fā)展,分散旁路的廠家仍然無(wú)法轉(zhuǎn)向另一陣營(yíng)。
1.Santak山特
山特電子（深圳）有限公司，UPS不間斷電源十大品牌，廣東省名牌，國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品，深圳市高新技術(shù)企業(yè)，全球著名動(dòng)力管理公司EATON旗下，較早進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的知名UPS廠商之一。
2.APC
施耐德電氣（中國(guó)）有限公司，APC，UPS不間斷電源十大品牌，服務(wù)器機(jī)柜十大品牌，創(chuàng)立于1981年美國(guó)，全球行業(yè)領(lǐng)先品牌，網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施（NCPI）全線產(chǎn)品提供商，全球較大的UPS供應(yīng)商之一。
3.Emerson艾默生
艾默生電氣（中國(guó)）投資有限公司，UPS不間斷電源十大品牌，始于1890年美國(guó)，世界500強(qiáng)企業(yè)，全球技術(shù)解決方案的強(qiáng)勢(shì)集團(tuán)公司，技術(shù)與工程領(lǐng)域的全球領(lǐng)袖，全美最受贊賞企業(yè)之一。
4.EATON伊頓
伊頓（中國(guó)）投資有限公司，十大UPS不間斷電源品牌，創(chuàng)立于1911年美國(guó)，美國(guó)財(cái)富500強(qiáng)，全球領(lǐng)先的多元化工業(yè)產(chǎn)品制造商，電氣控制、電力分配、不間斷電源和工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品和服務(wù)的全球知名企業(yè)。
5.科華KELONG
廈門科華恒盛股份有限公司，UPS不間斷電源十大品牌，福建省著名商標(biāo)，福建名牌，上市公司，高新技術(shù)企業(yè)，中國(guó)本土較大的高端UPS制造商和提供商之一，以研究電力電子技術(shù)為核心，致力于打造生態(tài)型能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。
6.科士達(dá)KSTAR
深圳科士達(dá)科技股份有限公司，UPS不間斷電源十大品牌，高新技術(shù)企業(yè)，中國(guó)大陸本土規(guī)模較大的UPS研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)之一，機(jī)房一體化系統(tǒng)集成制造商，中國(guó)領(lǐng)先的新能源電力轉(zhuǎn)換技術(shù)創(chuàng)新廠商。
7.易事特EAST
易事特集團(tuán)（股票代碼：300376）創(chuàng)立于1989年，是國(guó)家火炬計(jì)劃重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)、能源網(wǎng)系統(tǒng)集成解決方案優(yōu)秀上市公司，歷經(jīng)20多年的艱苦創(chuàng)業(yè)和睿智經(jīng)營(yíng)，致力于IDC數(shù)據(jù)中心（含UPS）、光伏發(fā)電站（含逆變器）和智能微網(wǎng)（含電力軌道交通、新能源車運(yùn)營(yíng)及充電樁）等產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)已發(fā)展成為行業(yè)領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，擁有全資或控股子公司近50家，在全球設(shè)立268個(gè)客戶中心，產(chǎn)業(yè)覆蓋全球100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
8.臺(tái)達(dá)DELTA
臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司在交換式電源供應(yīng)器產(chǎn)品為世界第一的領(lǐng)導(dǎo)廠商，并且在多項(xiàng)產(chǎn)品領(lǐng)域亦居世界級(jí)的領(lǐng)導(dǎo)地位，其中包括提供電源管理的整體解決方案、視訊顯示器、工業(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)通訊產(chǎn)品、與可再生能源相關(guān)產(chǎn)品。臺(tái)達(dá)集團(tuán)于1971年創(chuàng)立，營(yíng)運(yùn)據(jù)點(diǎn)與制造工廠遍布臺(tái)灣、泰國(guó)、中國(guó)、墨西哥以及歐洲。做為全球電力電子產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，臺(tái)達(dá)集團(tuán)致力于實(shí)踐環(huán)境保護(hù)的承諾，已在多年前實(shí)施綠色無(wú)鉛制程、回收再利用措施與廢棄物管理計(jì)劃。臺(tái)達(dá)集團(tuán)的經(jīng)營(yíng)使命是「環(huán)保 節(jié)能 愛(ài)地球」。
9.志成冠軍CHESHING
廣東志成冠軍集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱志成冠軍）位于毗鄰深圳特區(qū)的東莞市塘廈鎮(zhèn)，是一家集科、工、貿(mào)、投資于一體的民營(yíng)高科技企業(yè)，始創(chuàng)于1992年8月，注冊(cè)資金1億元人民幣，占地27萬(wàn)平方米，自有資產(chǎn)逾6.5億元。
10.SOCOMEC索克曼
溯高美索克曼電氣（上海）有限公司，十大UPS不間斷電源品牌，始于1922年法國(guó)，全球領(lǐng)先的電源設(shè)備集團(tuán)之一，全歐洲UPS銷量較大的銷售廠商之一，專業(yè)致力于電力電子產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)的集團(tuán)企業(yè)。
本公司經(jīng)銷直流屏用蓄電池，ups蓄電池供應(yīng)商，專業(yè)提供德國(guó)陽(yáng)光蓄電池Sonnenschiesh(德國(guó)陽(yáng)光膠體系列）、日本松下蓄電池（Panasonic）、西恩迪-大力神蓄電池、艾博特蓄電池、冠軍蓄電池、梅蘭日蘭蓄電池、索潤(rùn)森蓄電池、友聯(lián)蓄電池、理士蓄電池、科士達(dá)蓄電池、太陽(yáng)神蓄電池、湯淺蓄電池、圣陽(yáng)蓄電池、美國(guó)GNB蓄電池（美國(guó)原裝進(jìn)口）、BB蓄電池、CSB蓄電池、美國(guó)山特蓄電池、美國(guó)博爾特蓄電池、OTO蓄電池等高質(zhì)量的ups電池及ups電源、山特ups電源、山頓ups電源、艾默生ups電源、梅蘭日蘭ups電源、科士達(dá)ups電源、apc ups電源，臺(tái)達(dá)ups電源，雷諾士ups電源，美國(guó)山特ups電源等。我公司長(zhǎng)期以來(lái)一貫堅(jiān)持"一流產(chǎn)品，一流工程、一流服務(wù)，一流信譽(yù)、一流企業(yè)"的發(fā)展理念，憑所代理產(chǎn)品的卓越品質(zhì)、所設(shè)計(jì)施工項(xiàng)目的優(yōu)秀質(zhì)量和對(duì)用戶真誠(chéng)周到的服務(wù)，深受廣大用戶贊譽(yù)。公司將一如既往地把國(guó)際名牌產(chǎn)品介紹推薦給廣大用戶，把更完美的工程奉獻(xiàn)給廣大用戶，為廣大用戶提供更全面，更專業(yè)，更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。
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