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通信用不间断电源(UPS)技术研究

作者:admin 发布日期:2019/5/7 关注次数: 二维码分享

近几十年来,我国通信业发展迅速,覆盖了全国绝大多数地区,已经成为人们现代生活密不可分的重要组成部分。电源作为通信网络的“心脏”,对保障通信网络的安全可靠运行起着至关重要的作用。





1.通信电源的三级划分

电源系统可靠性是确保通信系统正常运行的首要条件,为了确保可靠的供电,由交流电源供电的通信设备需要采用交流不间断电源(UPS)。某些通信设备对交流电源的电压和频率指标要求很高,也需要由交流不间断电源(UPS)供电。通信电源可以分为三级,第一级电源为交流基础电源,保证能源供给,但不能保证不间断。直流电源和交流不间断电源(UPS)为第二级电源,主要保证不间断供电。第三级电源为二次电源,主要提供通信设备内部各种不同交、直流电压的要求。

综上可知,在通信电源系统中引入UPS是为了以优良的供电质量向负载连续供电,从而提高供电系统的可靠性和质量。因此,UPS的性能优劣及其可靠性就显得十分重要。

2.通信用UPS电特性要求

通信行业标准对通信用UPS的电气性能技术要求如表1所示:

在实际设计和配置UPS时,可根据负载特性、电网以及对UPS的具体要求,来确定选择侧重的电气性能指标。

3.典型UPS的组成及特点

UPS的较早形式由整流器、电池、直流电动机、柴(汽)油机、飞轮和发电机组成,飞轮为储能装置,称为动态式UPS。其维护简单,比较稳定,但系统庞大,操作不便,效率低,噪声大,电力品质不高。

随着技术的进步,动态式UPS逐渐被蓄电池做储能装置的UPS所取代,称为静态式UPS,因其具有一系列优点而成为主流,由整流器、充电器、蓄电池、逆变器、静态开关和手动维修旁路开关组成,结构如图1所示。

根据运行原理和结构不同,可以分为后备式UPS、互动式UPS、双变换式UPS、Delta变换式UPS等四种类型。

3.1 后备式UPS后备式UPS对市电进行简单的升降压及滤波处理后直接供给负载,当输入电源不符合要求时才由电池供电,绝大多数时间内负载使用的是市电或经简单处理后给负载供电。具有成本低、部件少、体积小、效率高等优点。但市电/电池供电转换时间约4~10ms,输出精度低、输出波形差、输出波形为方波,适用于单台计算机系统的断电保护。

3.2 互动式UPS互动式UPS,当市电正常时,供给负载为改良了的市电;市电故障时,负载完全由电池逆变供电。双向变换器既可当逆变器,又可作为充电器给蓄电池供电。市电正常时逆变器处于热备份状态而作为充电器给电池充电,故又称为在线互动式UPS,此时其工作效率可达98%以上。具有输出能力强,不对电网产生谐波干扰等优点。但输出电压精度和稳定度比较差,能满足一般负载的供电要求。

3.3 双变换式UPS双变换式UPS的电路结构如图1所示,这是10kVA以上功率范围的电源常用的UPS类型。不管有无市电,负载的全部功率都由DC/AC逆变器提供,能够保证高质量的电源输出。市电掉电时,输出电压不受任何影响,没有转换时间,具备典型的在线式UPS功能。能够彻底解决市电停电、电压波动、频率不稳、波形失真及电压干扰等所有输入电源的问题。可以作为通信局(站)或者关键性负载的首选电源。

由于负载功率100%都由逆变器负担,因而UPS的输出能力不理想,对负载提出限制条件。而且,其可控输入整流器决定了UPS输入功率因数低,无功损耗大,输入电流谐波成分大于30%,对电网产生很大的污染。

3.4 Delta变换式UPSDelta变换式UPS把电网调节技术中的串并联有源滤波技术应用到了UPS电路结构中,适用于功率范围5kVA到1.6MW的应用领域。它始终由逆变器提供负载电压,故有高性能输出特点。而且,Delta变换器也向逆变器输出供电,克服了双变换式UPS对电网产生污染和输出能力差的固有缺点。

其优点在于过载能力、输出电流峰值系数、输出功率因数等都得到了提高。但是,当市电存在时,Delta变换器承担的大有功功率为额定的20%左右,而两个变换器承担的无功功率可能为输出功率的1倍。效率是个可变量,只有市电输入为额定值,负载为线性负载时,效率才达到高值。当输入停电甚至出现短路时,Delta变换器将进入保护状态,若保护失效,则故障将是毁灭性的。事实上,电网停电或短路时有发生,相比之下,双变换式却不会出现此现象。

4.通信用UPS的设计

综合上述各种结构UPS性能的优劣,结合应用实际。我国通信用UPS几乎全部为双变换结构,为保证系统可用度,通常采用多个双变换单机UPS组成适当的冗余。在通信电源系统的实际应用中,设计UPS系统时主要包括以下几个方面的内容:前级供电系统、UPS容量计算、冗余配置等。

4.1 前级供电系统UPS向负载提供电压稳定、频率稳定、波形失真度小的高质量电源,且保证实现无间断供电,其前级供电质量很重要。

前级供电系统电源电压及频率要稳定在正常范围内,通常大容量UPS主机输入电压范围为380V±15%。电压过低将使UPS后备蓄电池频繁放电,缩短蓄电池的使用寿命。电压过高则容易引起逆变器损坏。而且如果前级电压变化范围过大,会导致逆变器和旁路电源之间的切换被禁止或有间断。

在UPS供电系统中不应带有其他频繁启动的负载,否则其开、闭会出现瞬间高电压或低电压,导致供电线路上电压波形失真过大,造成UPS市电旁路供电与逆变器供电转换控制电路误动作,进而引起同步控制电路故障。

大多数通信用UPS都备有发电机组,以解决较长时间停电时的供电问题。在配置发电机组时,其容量不低于UPS额定输出功率的1.5~2倍,以保证发电机输出电压、频率正常,并改善其波形失真度。

4.2 UPS容量的计算通常UPS的容量首先要满足当前负载的需要,同时也要考虑负载性质对UPS输出功率的影响。UPS电源实际可带负载量受负载功率因数的直接影响,对不同的负载功率因数要进行功率折算,UPS容量不宜过大或过小,还应考虑扩容的需要。

在计算UPS容量时,所有共用1台UPS的用电设备额定功率总和即为总负载功率P。UPS的佳运行负载裕量百分值称为裕度,一般裕度m的值取20%为宜。考虑到通信行业的特点,功率因数PF取为0.9~0.95。则可以根据负载大小来确定UPS的容量S。

S=

式中:――UPS容量(kVA);

P――负载有功功率(kW);

PF――负载功率因数;

m――裕度。

如果以PF取为0.9~0.95,m为0.2,则S=(1.3~1.4)P。可见,在确定UPS容量时,应按照所有负载功率总和的1.3~1.4倍来设计。

4.3 UPS冗余配置方式提高UPS系统可用性问题的根本办法是采用多个双变换单机UPS组成冗余。UPS冗余主要有并联冗余、备用冗余、主―从串联冗余和分布冗余等几种形式。

并联冗余UPS由两个或多个单机UPS组成,各单机UPS的输出并联到一个公共的配电系统。系统一般按照个单机UPS配置,其中个单机就足以满足系统的全部负载用电,再增加一个作为备用。

备用冗余UPS的两个UPS中有一个是主用,另一个是备用。正常时两UPS同步运行,只有主用UPS为负载供电,备用UPS空载运行。当主用UPS故障时,转换为备用UPS供电,故障的主用UPS与负载断开。其控制电路简单,但主用UPS向备用UPS转换时,备用UPS要承受100%额定阶跃负载,故对逆变器的动态性能要求较高。

主―从串联冗余UPS由两个单机UPS按照串联方式连接,一个是主UPS1,另一个是冗余UPS2。冗余UPS2的输出直接与主UPS1的旁路输入端连接。当主UPS或冗余UPS需要进行维护时,负载可由另一台UPS供电,此时负载仍可与市电电源和各种干扰隔离。

在实际运用中,UPS输出端至负载之间的配电电路往往产生故障。为了既保证UPS输出端的电源可靠,又保证负载输入端的电源可靠,设计了分布冗余UPS。其目的是将电源系统的冗余扩展到每一个负载设备,使电源系统的冗余尽可能接近负载设备的输入端。它有两个独立的UPS,每个独立的UPS都能为全部重要负载供电,构成双母线供电系统。每个UPS系统的输出功率总容量都大于或等于系统负载总容量。通过适当的配电电路,可以为单电源输入和双电源输入的各种负载设备供电。分布冗余除了提高系统的可靠性外,还可使系统在线维护和扩容升级变得容易。

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