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GE Digital Energy UPS基本概念 什么是UPS？ 电能质量国家标准摘要 电网存在的质量问题 UPS的分类 UPS的基本组成部件 功率因数 UPS系统的组成 GE数字能源-电源质量 刘天宇南区 GE Proprietary Information 什么是UPS? 中文是“不间断电源”(uninterruptible power supply) 它是能够实现两路电源之间无间断地相互切换的电气装置 有时人们叫它“不停电电源”， 这种说法从专业上来说是不确 切的。因 为电源是能够提供 电能、实现其他能量转换成电 能的装置。UPS不能依靠能量 的转换来提供电能，因此从严 格意义上讲，UPS不是一种电 源。它只是提供一 种两路电 源之间无间断转换的机会， 这才是UPS设计的主要思想。 UPS的价格之所以昂贵，就是 贵在这种不间断切换的特点上 。 UPS=VFI+BAT GE Proprietary Information 为什么要使用UPS？ 理论上讲，供电设备应提供固定幅值和频率的正弦波电压（比如 低压配电系统中400V，50Hz）。但实际的情况是，市电在额定 值附近波动。 电能质量国家标准摘要 GE Proprietary Information 标准编号标准名称允许限值说 明 GB 1232590供电电压 允许偏差 (1)35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超 过10； (2)10kV及以下三相供电为7； (3)220V单相供电为+7，一10 衡量点为供用电产权分界处 或电能计量点 GB 23262000 电压波动 和闪变 电压变动d的限值和变动频度r(h-1)有关： 当r 1000时，对于低压(LV)和中压(MV)，d=1.25 4；对 于高压(HV)，d=1O3；对于随机不规则 的变动， d=2(LV、MV)和d=1.5(HV)，闪变限值如下 表： 此标准为GB 1232690修订版 (1)衡量点为电网公共连接点 (PCC)； (1)Pst每次测量周期10min， 取实测95概率值；几每次测 量周期2h，不得超标； (3)规定限值分三级处理 原则； 提供预测计算方法，规定测量 仪器并给出典型分析实例。 系统电压等级LVMVHV Pst 1.0 0.9(1.0) 0.8 P1t O8 O7(O 8) O6 注 1括号中的值仅适用于所有用户为同电 压级场合。 2Pst为短时间闪变；P1t为长时间闪变。 电能质量国家标准摘要 GE Proprietary Information 标准编号标准名称允许限值说 明 GBT 1454993 公用电 网谐波 各级电网谐波电压限值(%) (1)衡量点为PEC，取实测95 概率值； (1)对用户允许产生的谐波电流 ， 提供计算方法； (3)对测量方法和测量仪器作出 基本规定； (4)对同次谐波随机性合成提供 算法 电压(kV)THD奇次偶次 O3854.02O 6、1043.21.6 35、6632.41.2 11021.6O8 注1.220kV电网参照110kV执行。 2表中THD为总谐波畸变率。 GBT 155431995 三相电压 允许不 平衡度 (1)正常允许2，短时不超过4； (2)每个用户一般不得超过1.3。 (1)各级电压要求一样； (2)衡量点为PCC，取实测95 概率值或日累计超过不超过72 min，且每30min中超标不超过 5min； (3)对测量方法和测量仪器作出 基本规定； (4)提供不平衡度算法。 GBT 15945 1995 电力系统 频率允 许偏差 (1)正常允许0.2Hz，根据系统容量 可以放宽到土0.5Hz； (2)用户冲击引起的频率变动一般不 得超过土0.2Hz 对测量仪器提出了基本要求 电能质量国家标准摘要 GE Proprietary Information GE Proprietary Information GE Proprietary Information 电噪 频率波动 断电 谐波 尖峰 欠压 过压 电网中干扰的类别与比例 GE Proprietary Information UPS的作用 两路电源之间的无间断相互切换 隔离作用 电压变换作用 频率变换作用 提供一定的后备时间 GE Proprietary Information UPS的两路电源无间断相互切换功能 UPS 二路供电 一路供电 M1 M2 输出 GE Proprietary Information UPS的隔离作用 整流器 直流 逆变器 交流输入交流输出 将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网干扰阻挡 在负载之前，既使负载对电网不产生干扰，又使电网中的干扰不影响载。 GE Proprietary Information UPS的电压变换作用 输入电压变换输出 380V 220V 380V 400V 415V （稳压作用） 220V GE Proprietary Information UPS的频率变换作用 50Hz 50Hz 60Hz 输入频率变换输出 （稳频作用） 60Hz GE Proprietary Information UPS的后备功能 整流器逆变器 交流输入负载 电池 UPS带有电池，贮存一定的能量，一方面在电网停电或发生间断时继续供电一段 时间来保护负载；另一方面在UPS的整流器发生故障时使用户有时间来保护负载。 按照用户的要求，后备时间可以是15分钟、30分钟、1小时、2小时等，甚至更长。 GE Proprietary Information UPS的高质量及高可靠性供电 GE Proprietary Information UPS的分类 1.动态型（旋转型） 发电机+惯性飞轮+直流发电机 2.静态型 后备式 在线互动式 双变换在线式 GE Proprietary Information 动态UPS 这一类UPS使用旋转机械来实现UPS的功 能，获得“旋转逆变器的功能”。 这一类UPS实际上是将一台高度简化的 静态逆变器与一个电动机-发电机结合在一 起。逆变器滤除市电的骚扰，同时只控制其 输出电压的频率(通常以方波的形式)，并为 电动机-发电机组供电。电动机-发电机组有 时还会与飞轮组合在一起。电动机-发电机 组产生以逆变器输出频率为参考的正弦波电 压输出。 GE Proprietary Information 18 静态UPS-后备式 工作原理 大多数基本类型的备份电源采用离线式或后备式技术，如上图表示。如果市电供给交流电 源，它直接通过UPS传输到所连接的负载。电池充电器把输入的交流电转换成直流电，维持电 池充电。如果市电故障，逆变器将电池的直流电转换成交流电供给负载。逆变器在大多数时间 里运行在后备方式，充电器仅保持电池充电状态的功率。一旦市电出现超出规定范围的变化， 逆变器从空载到100%负载供电时间在几毫秒之内逆变器从电池获得电能，直到电池 耗尽。这种技术通常称为“单重转换”，因为在任何的给出点，电源仅转换一次。 性能特点 市电利用率高，可达98%以上。输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。输出能力 强，对负载电流波峰因数，浪涌系数，输出功率因数，过载等没有严格限制。转换时间一般为 4-10ms。 由于它的低成本和高效率，这类UPS是保护家用计算机或备份的独立工作站运行非关键业务或 文娱活动设备应用的理想产品。 这类的许多产品还包括基本的浪涌保护，但并不提供任何真正的电源调节作用。 GE Proprietary Information 静态UPS-在线互动式 工作原理 在线互动式UPS技术提供相近水平的保护。同离线式技术有点相似，在线互动式产品采用 变压器或电感器串联在市电电源和负载之间。这种串联式电感器提供一定程度的电压调节， 使UPS逆变器能够同输入电源“相互作用”（互动式名称的由来）。在多数情况下，这种“双向的 ”转换器是恒定的电压装置，它用改变输出相位角去调节负载的变化，由于相位角不能够快速 变化，需要电池提供功率差，这会导致电池寿命的减少。在线互动式产品的另一个限制是如 果不由电池供电运行，它不能完全地使输入电源隔离负载。公用电源的干扰、频率上的干扰 和其它电源的异常情况可能直接传送到关键负载上，因为它不是完全的电气隔离。 性能特点 当市电存在时，市电利用率高，可达98%以上。输入功率因数和输入电流谐波取决于负 载性质。对负载电流波峰系数，浪涌系数，输出功率因数，过载等没有严格的限制。市电掉 电时，输出有转换时间，但比后备式要小。由于它提供基本电压调节和它的标准结构中包括 更先进的通信能力，在线互动式UPS作为选择考虑成本-效率因素来保护关键的工作站和中小 型网络配置时得以应用。如果认为采用一个更高级的集中式电源解决方案不值得的话，它也 不失为一种好的解决方案。 GE Proprietary Information 静态UPS-双变换在线式 工作原理 对于大规模集中式的应用，真正在线式或称双转换系统见上图，提供最佳水准 的保护。在这项技术中，整流器将交流输入电源整流成直流电，逆变器将直流电转 换成洁净的交流供电给关键负载。连接到直流母线的电池在正常运行时处于浮充电 。如果输入电源超出规定的范围，电池提供电源给逆变器和关键负载。 GE Proprietary Information 性能特点 将关键负载和交流输入完全隔离 。 逆变器总是在向负载供电：当输入电源中断时，输出电压没有瞬时的下降， 因为逆变器总处在运行的状态，并总是由直流输入供电； 共模噪声防护：输出逆变器通常包括一个隔离变压器，这一隔离变压器可以 产生一个分离的中性线，这样就使得UPS被电气隔离，从而对负载提供共模 噪声保护； 市电存在时，串连的两个变换都承担100%的负载功率，所以UPS整机的效率 较低。 静态UPS-双变换在线式 GE Proprietary Information UPS用功率器件 1.可控硅（晶闸管）SCR 普通型SCR电压高达6000V，电流达数千安培，自身电压降约为1.5V。开通 时仅需在控制极上加一个小触发脉冲，关断电路复杂，工作频率不大于500HZ， 主要用做整流器和静态开关。 2. IGBT场效应晶体管 IGBT是新发展起来的复合型电力电子器件，既有单极型电压驱动的MOSFET的 优点，又有双极型器件BJT耐压高，电流大的优点。IGBT的最高电压为1200V， 最大电流为1000A，工作频率高达100KHZ。普遍用于逆变器和斩波器，有的也 用于整流器。 GE Proprietary Information UPS的基本组成部件 整流器 逆变器 静态开关 电 池 GE Proprietary Information SitePro LanPro SG 工频 高频（PFC整流器） 功率器 件 SCR 转换形 式 AC-DC 功率器 件 SCR 转换形 式 AC-DC 功率器 件 IGBT 转换形 式 AC-DC 功率器 件 IGBT 转换形 式 AC-DC TruePro UPS整流器 GE Proprietary Information SCR 工频整流器 由三只或六只可控硅SCR组成的三相整流桥，分别称为六脉冲和十二脉冲整流器。 这种类型的整流器吸收n = 6 k 1 (这里的k 为整数) 次的谐波电流，主要是H5 和H7， H11 和 H13的幅值相对较小。 利用滤波器可以控制这些谐波对上线的注入。 IGBT “洁净” PFC (功率因数校正) 整流器 这种类型的整流器由六只内置的IGBT组成的三相整流桥和正弦波调整系统组成。 这种技术确保了输入电压和输入电流： 同为完美的正弦波，即不含谐波； 相位相同，即输入功率因数接近于1。 有了这种类型的整流器，就不再需要滤波器了。 UPS整流器 GE Proprietary Information 正弦脉宽调制（SPWM）逆变器 正弦脉宽调制是根据能量等效原理发展起来的一种脉宽调制法，利用三角波和正弦波的共同作用 而产生出正弦脉宽调制波。 目前市场上UPS大多采用这种逆变器调制方式。 采用IGBT和空间 矢量调制技术 UPS逆变器 GE Proprietary Information 空间矢量调制（SVM）逆变器 空间矢量调制是新一代脉冲宽度调试（PWM）逆变器调制技术。 SVM采用先进的PWM转换技术来驱动绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。SVM的目标是使用较简单 的转换形式组合来生成输出电压矢量。在传统的PWM中，三角波还与基准正弦波进行比较，结果 是经过脉冲宽度调试的矩形波，用于为IGBT提供闸控信号。 PWM信号必须进行实时计算，通常需要进行三维计算（三个相角上各一次）以确定逆变器状态。 通过使用SVM，计算简化为极坐标平面中的二维“空间矢量”，提高了响应速度，改善了系统性能。 GE UPS采用这种逆变器调制技术。 UPS逆变器 GE Proprietary Information 用于将负载从逆变器切换到旁路，并且在切换时对负载的 供电没有任何间断。容错功能使供电系统在各级供电发生 故障的情况下以“低级”方式运行。在维修所必须的时间内， 负载继续得到供电并创造产值。 容错功 能 有意识的逆变器停机； 过载超过了逆变器限定的能力； 过温； 内部故障。 以下的任意一种原因都可能导致自动切换： UPS静态旁路 GE Proprietary Information 1)Real On-line Technology (“Double Conversion”) The rectifier always converts AC into DC, charges the battery and feeds the inverter. The inverter continuously supplies the load with constant voltage and frequency. When the mains fails, the inverter is automatically supplied by the battery. Rectifier Battery Inverter Static Bypass Load Mains input 容错功能使UPS具有高可用性 GE Proprietary Information 2）Real On-line Technology (“Double Conversion”) The rectifier always converts AC into DC, charges the battery and feeds the inverter. The inverter continuously supplies the load with constant voltage and frequency. When the line fails, the inverter is automatically supplied by the battery. Rectifier Battery Inverter Static Bypass Load Mains input 容错功能使UPS具有高可用性 GE Proprietary Information 3）Real On-line Technology (“Double Conversion”) The rectifier always converts AC into DC, charges the battery and feeds the inverter. The inverter continuously supplies the load with constant voltage and frequency. When the line fails, the inverter is automatically supplied by the battery. Rectifier Battery Inverter Static Bypass Load Mains input 容错功能使UPS具有高可用性 GE Proprietary Information 4）Real On-line Technology (“Double Conversion”) The rectifier always converts AC into DC, charges the battery and feeds the inverter. The inverter continuously supplies the load with constant voltage and frequency. When the line fails, the inverter is automatically supplied by the battery. Rectifier Battery Inverter Static Bypass Load Mains input 容错功能使UPS具有高可用性 GE Proprietary Information UPS的储能技术 UPS需要一个储能系统在市电故障或超限的情况下给逆变器供电。 存储的能量必须具有如下的特性： 它能立即用来提供过渡市电的间断、短期的电压下降或停电时的电力； 具有足够的功率来为所有负载供电，即其额定容量等同于UPS系统本身的额定容量； 后备时间能适合负载的需要，并且能持续到获得其它的能源； (例如由一台发电机组提供长时间的后备)。 可以使用的储能技术 电池： - 密封铅酸电池， - 胶体电池， - 镍镉电池。 超级电容； 飞轮： - 传统飞轮，以低速旋转 (每分钟1500 转)并结合发电机组； - 中速 (每分钟7,000转) 或高速(每分钟30,000到100,000转) 飞轮。 GE Proprietary Information 输入功率因数 和 输出功率因数 输入功率因数低时的危害 视在功率的损失 电缆中的温度升高 中线电流增大 自污染负载 损坏电容 变压器降容(Derating) 越高越 好 UPS的供 电质量 线性负载 非线性负载 GE Proprietary Information 对各种电气装置，谐波电流既不会产生有功功率也不会产生无功功 率，只是通过焦耳效应产生损耗，即转变为焦耳热(ri2)。 谐波 GE Proprietary Information 谐波会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、保护 功能失常、通讯系统紊乱，还会引起变电站局部并联或 串联谐振，造成电压互感器等设备损坏； 特别是可能导致计算机系统无法正常工作，从而造成巨