新闻中心News Center
联系我们CONTACT US
新闻中心
当前位置:首页 > 新闻中心 > 公司新闻 >

海工UPS电源系统分析

来源:未知  作者:admin  点击: 次 发布时间:2019-01-07 12:26

UPS(不间断电源)是为用户关键设备提供高品质供电的电源保障类设备,它在外部有电时通过自身的整流、逆变及隔离变压器对电源进行“净化”,同时当外部电源意外中断时自动切换到蓄电池逆变供电,让用户的关键负载不受外部市电波动的影响,从而得到高质量的电源保障。因此UPS在通讯、工业、医疗、数据中心、金融与证券、机场、地铁、石油石化、化工、海工、航天航空、军工、核电等领域得到广泛应用。
  根据应用领域不同,用户对UPS性能要求不同,因而市场上有不同需求级别类型的UPS产品,最常见的分级是商业级UPS和工业级UPS。其中商业级UPS应用的数量最多,国内外主要UPS厂家几乎都生产商业级UPS,如伊顿、科华恒盛、艾默生、施耐德等。工业级UPS的需求数量要低于商业级UPS,但用户对UPS的可靠性、安全性、稳定性和设计寿命等方面有着更高的要求。专注工业级UPS主流品牌有固特、AEG、北宁、克劳瑞德以及国内综合电源解决方案提供商科华恒盛等,同功率下,工业级UPS的价格要高于商业级UPS。
  在船舶、海洋石油平台应用中,需要UPS电源保护的设备大致有以下几类:
  l 与安全和巡航相关的系统,如导航系统、海事通讯系统和应急照明系统等。
  l 业务和管理需要电源保障,如科考实验设备、计算机及网络系统等用于其重要业务管理的关键设备。
  l 为船舶、海洋石油平台作业定制的特殊系统,如探测、钻井、监控系统、自动化控制系统等,对出现电源中断等故障将无法弥补的重要装置同样需要UPS提高可靠电源保护。
  l 商业应用系统,如船上商场、餐厅、***所的EPOS销售设备、现场监控设备、应急照明系统等。
  海工UPS属于工业级UPS的一种特殊应用。之所以说特殊,是因为它跟一般陆地上施工要求、应用环境、电源制式等有所差别不同,主要体现在一下几个方面:
  n 海洋船舶、海洋石油平台用的是柴油发电机组供的电,用户设备端电源没有零线和地线,采用的是IT接地系统。
  n 设备所处环境容易晃动,垂直和水平方向均有可能产生较大范围的晃动。
  n 海洋性气候环境,存在潮湿、盐雾、油雾、霉菌侵蚀,对UPS内各器件的抗腐蚀性要求高。安装空间有限。
  n UPS在安装施工期间存储条件有限,需多次搬运、吊装等过程。
  n 设备维修、维护人员上海洋船舶、海洋石油平台维护检修不易。
  针对这些特殊的应用环境,在UPS设计和选型时需要考虑以下几关键要素:
  一、 适应三相三相制配电系统,输入和输出完全电气隔离,中性点绝缘不带N线的开关控制。
  首先船舶、海洋平台的供电系统是由柴油发电机组提供的电源,末端设备用电一般是3相3线380-480V或单相2线220-240V(或110-115V),频率50Hz或60Hz,采用IT接地方式,船体为地。这与陆上三相五线制,TN-C的接地系统有所不同。
  实现电气隔离,简单、可靠的方法采用变压器进行电气隔离,在UPS主机的配置中输入、输出和旁路中配置隔离变压器,UPS单机示意图如下图所示:
图示 三进单出带旁路隔离稳压UPS单相图
  这样UPS无论工作在哪个状态(正常市电工作状态、电池逆变工作状态和旁路供电状态),其输出都是处于带隔离变压器输出(电源侧与输出侧没有直接的电气联结,只是利用电磁感应传递电能)。输出采用隔离变压器,对现场操作人员也是相对安全的,在操作人员意外触碰到输出其中一极,由于没有形成回路,不会触电,只有在用户在同时触碰到2极时才会触电。
  UPS输出和输出必须同时通断L线、N线。在船舶、海油石油平台上电气设备的绝缘要求高,在UPS交流馈线配电、UPS直流母线中要安装绝缘检测,实时了解绝缘状态。中性点绝缘不带N线,这要求UPS内部旁路断路器、交流输出断路器不允许采用陆上UPS N线不进开关的做法(商业级UPS采用输入和输出N线共同接在一个端子排上),海工UPS必须所有输入、输出和旁路接线必须进开关,这样做的目的是为了同时通断L线、N线,因为对船舶和海洋平台的IT接地方式供电系统来说没有N线,UPS隔离变压器输出2极相对甲板(地)都是有电压差。
  二、 关于整流方式选择。
按整流工作方式,UPS有工频6脉冲整流、工频12脉冲整流和高频IGBT整流机型。各种机型各有各的特点,主要特点对比如下:
  高频IGBT整流带PFC功率因数校正,输入功率因数和整流的效率都要好于工频机,且其输入谐波小,但高频机内部器件较多,且IGBT器件本身的耐流、耐压性能较弱,其抗冲击能力较差,较难适应工业和船舶电网环境。海工类UPS首先要考虑的是其可靠性,UPS的效率并不是其重点。船舶、海洋平台电源来自其的发电机组,对谐波有一定要求,但UPS的功率相对发电机功率小很多,由UPS产生的谐波绝对值不大。1台80KVA 12脉冲工频整流UPS在满载时谐波电流THDi 10%左右,但实际产生的谐波电流只有12A,对其整个供电系统影响非常有限。下面我们仔细分析下关于12脉冲整流及谐波相关问题。
  12脉冲整流AC/DC:采用12脉冲相控整流方式,通过DSP软件控制下图中2组6个脉冲的导通时序及DSP的闭环控制来保证整流器输出电压的稳定,同时电池与整流器直接并联(或通过二极管隔离),方便充电电流的扩容及控制,同时软件具备整流器输出过压、过流、过充保护,确保整流器工作安全可靠。电气示意图如下:
图示:三相12脉冲整流示意图
  关于谐波改良对策:
  6脉冲整流交流侧电流傅里叶级数展开为:
  可得知:电流中含6K±1(k为正整数)次谐波,即5、7、11、13…等各次谐波。
  12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上,在输入端、增加移相变压器后在增加一组6脉冲整流器,使直流母线电流由12个可控硅整流完成。2个整流桥,其中桥2网侧线电压比桥I超前30°,电流比桥I超前30°,桥1的网侧电流傅立叶级数展开为:
  桥2的网侧电流傅立叶级数展开为:
  故合成的网侧线电流
  两个整流桥产生的5、7、17、19、…次谐波相互抵消,注入电网的只有12k±1(k为正整数)次谐波,即11、13、23、25等各次谐波。因此我们可以得到结论:6脉整流器谐波含量最大为5次谐波、12脉整流器强度最大为11次谐波。
  6脉整流器5次谐波最大,可加装5次滤波器来抑制谐波;12脉整流器11次谐波最大,可加装11次滤波器来抑制谐波。常见的LC滤波原理如右图所示。
  某品牌大功率UPS加装滤波器后谐波对比表如下:
  需要特别指出的是:6脉冲+5次谐波滤波器的配置可以达到9%左右的谐波要求,但是由于5次谐波滤波器的电容容值较大,在UPS负载较轻(<15%负载量)时,整流器输入电流会超前输入电压,如果发电机的励磁绕组采用自励方式,很容易产生电枢正反馈效应,发电机输出电压会异常升高,导致发电机进入保护状态而停机。因此6脉冲+5次谐波滤波器方案不建议在UPS负载较轻时使用。而单独的12脉整流器也可达到10%左右的电流谐波指标,但是没有大电容的LC电路,避免了与发电机的励磁正反馈效应。
  以实测某品牌200KVA UPS采用12脉冲+11次滤波器输入谐波在不同负载率下的绝对值:
负载百分比
输入谐波THDi%
总谐波电流
100%
4.5%
15.7A
75%
5.6%
13.5A
50%
8.1%
12.3A
30%
13.1%
11.9
  影响电网的是谐波电流的绝对值,而不是谐波电流的百分比。在满载情况下,谐波电流绝对值最大;在半载及轻载情况下,谐波电流绝对值均不超过100%满载谐波电流绝对值。12脉冲+11次谐波滤波器具有输入电流总谐波小,同时还可避免有源滤波器“误补偿”、系统效率低等缺点。在投资额充许的情况下,尽量选用12脉整流器加11次滤波器的UPS配置。此种配置满足信息产业部UPS行业标准输入电流谐波成份I类要求(YD/T1095-2000)和国际电工委员会IEC61000-3-4的指标要求。
  三、 逆变器DC/AC及逆变器黑启动功能
  工频机的逆变器设计相对简单,因为其逆变输出带有升压变压器,无需通过Boost电路升压后再逆变(高频机的做法是要先将母线电压通过DC-DC升压后再逆变,这样输出才能达到所需的额定电压值),只要将直流母线通过全桥或半桥逆变,然后输出给隔离变压器,隔离变压器进行升压达到所需的额定电压值。
  主电路采用单相IGBT全桥逆变器的拓扑结构,逆变器必须能在额定负载下可靠启动。输出配合变压器结构的设计,输出波形特性好。主电路拓扑如下:
  这种拓扑结构简单实用,元器件少,虽然系统效率比较低,但其故障率低。
  UPS“黑启动”功能
  考虑到用户在无市电情况下,利用电池组开启UPS逆变输出,即UPS“黑启动”功能。UPS的整流器具有缓启动功能,正常开启后,UPS直流母线上的电解电容由整流器充电。若没有市电,整流器无法开启时,直接由电池给电容器充电,在充电瞬间电容2端电压很小(接近0),流入电流很大,相当于短路,可能会造成直流熔断器熔断。因此,在没有市的情况下,要开启UPS逆变器,需设计一个RC回路,即给电池充电回路中加1个限流电阻(百欧姆级即可),组成RC充电回流,这样UPS主流母线的电解电容才能够安全完成预充电,预充电完成后将UPS电池组开关闭合,逆变器即可安全开启,UPS开始输出。船舶、海洋平台在建造期间,用电是不稳定的,在一些时候,现场人员为调试后端设备,可能会在无外部电源的情况下,临时启用UPS,若UPS无设计“黑启动”功能,用户操作开启电池逆变可能会造成UPS的损坏。另外在船舶停靠修整期间,或海上平台撤离后返回平台再次开机时,也可能会遇到这种情况。
  四、 必须有效解决晃动带来的影响。
  海工UPS不仅在搬运、装卸过程会有倾斜和晃动,在UPS运行过程都有可能会产生晃动,无论是水平还是垂直方向都有可能产生较大幅度的晃动,如何减少晃动带来的影响?我们必须在UPS的整体结构上做提升,应该包括:
  1、加强变压器、电感等器件的防震,所有螺丝必须加弹垫;
  2、采用更加牢固框架柜体结构;
  3、在垂直连接处采用软铜条(或叠片式绝缘软母排)连接,如直流母排与SCR或IGBT功率管的连接采用软铜条连接,内部连接线要有一定余量;
  4、电路板接插件端子位置点胶处理,以防止脱落;
  验证振动性能可根据IEC60068-2-6:2007(或GB/T2423.10-2008)要求,UPS在通电状态下做振动试验。验证在船舶振动的影响下,UPS能否正常工作。振动试验试验参数设置

下一篇:没有了