UPS基础概念培训

1、GE Digital EnergyUPS基本概念什么是什么是UPS？电能质量国家标准摘要电能质量国家标准摘要电网存在的质量问题电网存在的质量问题UPS的分类的分类UPS的基本组成部件的基本组成部件功率因数功率因数UPS系统的组成系统的组成GE数字能源数字能源-电源质量电源质量刘天宇刘天宇南区南区GE Proprietary Information什么是什么是UPS?中文是中文是“不间断电源不间断电源”(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

2、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不间断切换的特点上。MVLVGEMain LV Switchboard (MLVS)LOCAL ACTIVE HARMONIC CONDITIONINGSTATIC TRANSFER SWITCHESLOAD DISTRIBUTION AND MANAGEMENTUPSREDUNDANT DISTRIBUTIONDI

3、STRIBUTION SWITCHBOARDAPPLICATIONSSOURCESDisplayFlywheelsPassive filtersBatteryLED unitMultiSlotUM-LinkSynchronisation moduleModemTelemonitorSineWave Ch. 5p. 35 Ch. 4p. 59 Ch. 2Ch. 4p. 48 Ch. 4p. 55 Ch. 1p. 24 Ch. 1p. 45 Ch. 1p. 50 Ch. 4 Ch. 3 Ch. 3Upsilon STSUpsilon STSComputers and telecommunicati

4、onsIndustrial processesHopitals and commercialInternet data centresComet EXtremeComet S31Galaxy PWGalaxy1000 PWGalaxy3000Galaxy4.5-12 kVA5-20 kVA* Parallel connection10-30 kVAup to 120*30-80 kVAup to 320*160-800 kVAup to 4800*20- 200 kVAup to 800*Active filtersPFCPMMCONTROL OVER UPSTREAM HARMONICSEN

5、ERGY STORAGETOTAL ACTIVE HARMONIC CONDITIONINGBACKUP GENERATOR FORLONG BACKUP TIMESCOMMUNICATION INTERFACES HUMAN-MACHINE INTERFACESUPS RANGESineWave Cards:- U-Talk- SNMP- HID- USB- XML Webcard.- dry contacts- JBus/ModBusPARALLEL CONNECTION OF UPSsUPS=VFI+BATGE Proprietary Information为什么要使用为什么要使用UPS

6、？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低压配电系统中400V，50Hz）。）。但实际的情况是，市电在额定但实际的情况是，市电在额定值附近波动。值附近波动。 电能质量国家标准摘要电能质量国家标准摘要GE Proprietary Information标准编号标准编号标准名称标准名称允许限值允许限值说说 明明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

7、 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r1000时，对于低压(LV)和中压(MV)，d=1.254；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(O8) O6 注

8、 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电能质量国家标准摘要GE Proprietary Information标准编号标准编号标准名称标准名称允许限值允许限值说说 明明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O3854.02O6、1043.21.635、6632.41.211021.6O8 注1.220kV电网参照

9、110kV执行。 2表中THD为总谐波畸变率。GBT155431995三相电压 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72min，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 159451995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电能质量国家标准摘要GE P

10、roprietary Information电网存在的质量问题：电网存在的质量问题：GE Proprietary Information电网存在的质量问题：电网存在的质量问题：GE Proprietary Information电噪电噪频率波动频率波动 断电断电谐波谐波 尖峰尖峰欠压欠压过压过压电网中干扰的类别与比例电网中干扰的类别与比例GE Proprietary InformationUPS的作用的作用两路电源之间的无间断相互切换两路电源之间的无间断相互切换 隔离作用隔离作用电压变换作用电压变换作用频率变换作用频率变换作用提供一定的后备时间提供一定的后备时间GE Proprietary I

11、nformationUPSUPS的两路电源无间断相互切换功能的两路电源无间断相互切换功能UPS二路供电一路供电M1M2输出GE Proprietary InformationUPSUPS的隔离作用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 InformationUPSUPS的电压变换作用的电压变换作用输入电压变换输出380V220V380V400V415V（稳压作用） 220VGE Proprietary InformationUPSUPS的

12、频率变换作用的频率变换作用50Hz50Hz60Hz输入频率变换输出（稳频作用） 60HzGE Proprietary InformationUPSUPS的后备功能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 InformationUPS的高质量及高可靠性供电的高质量及高可靠性供电HV/LV transformerHV systemNon-sensit

13、ive loadsNormal utility power(disturbances andsystem tolerances)Static bypassMaintenance bypassInverterBatteryRectifier/chargerSensitive loadsUPSReliable power(no disturbances, within strict tolerancesand available due to battery backup power)GE Proprietary InformationUPS的分类的分类1.动态型（旋转型）动态型（旋转型）发电机+

14、惯性飞轮+直流发电机2.静态型静态型后备式在线互动式双变换在线式GE Proprietary Information动态动态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 Information18静态静态UPS-后备式后备式工作原理工作原理 大多数基本类型的

15、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

16、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静态静态UPS-在线互动式在线互动式工作原理工作原理 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

17、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UP

18、S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静态静态UPS-双变换在线式双变换在线式工作原理工作原理 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

19、特点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。静态静态UPS-双变换在线式双变换在线式GE Proprietary InformationUPS用功率器件用功率器件1.可控硅（晶闸管）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

20、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 InformationUPS的基本组成部件的基本组成部件整流器 逆变器静态开关电 池 GE Proprietary InformationSiteProLanPro

21、 SG工频高频（PFC整流器）功率器功率器件件SCR转换形转换形式式AC-DC功率器功率器件件SCR转换形转换形式式AC-DC功率器功率器件件IGBT转换形转换形式式AC-DC功率器功率器件件IGBT转换形转换形式式AC-DCTrueProUPS整流器整流器GE Proprietary InformationSCR 工频整流器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

22、净洁净” PFC (功率因数校正功率因数校正) 整流器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整流器整流器GE Proprietary Information正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）逆变器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逆变器逆变

23、器GE Proprietary Information空间矢量调制（空间矢量调制（SVM）逆变器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

24、技术。UPS逆变器逆变器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；有意识的逆变器停机；过载超过了逆变器限定的能力；过载超过了逆变器限定的能力；过温；过温； 内部故障。内部故障。以下的任意一种原因都可能导致自动切换： UPS静态旁路静态旁路GE Proprietary Information1)Real On-line Technology (“Double Conversio

25、n”)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.RectifierBatteryInverterStatic BypassLoadMains input容错

26、功能使容错功能使UPS具有高可用性具有高可用性GE Proprietary Information2）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

27、automatically supplied by the battery.RectifierBatteryInverterStatic BypassLoadMains input容错功能使容错功能使UPS具有高可用性具有高可用性GE Proprietary Information3）Real On-line Technology (“Double Conversion”)The rectifier always converts AC into DC, charges the battery and feeds the inverter. The inverter continuously

28、supplies the load with constant voltage and frequency. When the line fails, the inverter is automatically supplied by the battery.RectifierBatteryInverterStatic BypassLoadMains input容错功能使容错功能使UPS具有高可用性具有高可用性GE Proprietary Information4）Real On-line Technology (“Double Conversion”)The rectifier always

29、 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.RectifierBatteryInverterStatic BypassLoadMains input容错功能使容错功能使UPS具有高可用性具有高可用性G

30、E Proprietary InformationUPS的储能技术的储能技术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

31、(每分钟30,000到100,000转) 飞轮。GE Proprietary Information输入功率因数输入功率因数 和和 输出功率因数输出功率因数输入功率因数低时的危害视在功率的损失视在功率的损失 电缆中的温度升高电缆中的温度升高 中线电流增大中线电流增大自污染负载自污染负载损坏电容损坏电容变压器降容变压器降容(Derating)越高越好UPS的供电质量线性负载非线性负载GE Proprietary Information- U IH 3- U IH 3- U IH 3- U IH 3+ U IH 3+ U IH 3+ U IH 3+ U IH 3+ U I+ U I+ U IUUI

32、 H 3I+ U ITTU x I 的 乘 积对各种电气装置，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，即转变为焦耳热率，只是通过焦耳效应产生损耗，即转变为焦耳热(ri2)。谐波谐波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；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，从而造成巨特别是可能导致计算机系统无法正常工作，从而造成巨大损失。大损失。U 1NU 3U 3U 2U 1U 2I H 3 ( 1 )中线电流I H 3 ( 2 )I H 3 ( 3 )谐波谐波GE Proprietary Information电压失真度反映出了电流的失真度，并且随着非线性电压失真度反映出了电流的失真度，并且随着非线性负载上的阻抗累积而逐步增大。负载上的阻抗累积而逐步增大。 市电电源谐波失真的阻性成分第二级分开关柜末级开关柜主低压开关柜电缆电缆电缆非线性负载电缆变压器，发电机组谐波失真的感性分量每向非线性负载靠近一步，电压失真度就增大一次。U失真度