ups維修|如何提升UPS蓄電池的效率

1 為什么要高效?

(1)可靠性的需求

在選用UPS產(chǎn)品之時,客戶的第一關(guān)注點(diǎn)必然是可靠性。對UPS來說,更高的效率意味著更低的發(fā)熱量,根據(jù)阿列紐斯理論(Arrheniustheory),認(rèn)為溫度每上升10℃,電子產(chǎn)品(例如電容、半導(dǎo)體器件)的壽命減半,發(fā)熱量的降低將對器件內(nèi)部溫度的降低起到重要貢獻(xiàn),從而提高器件本身的壽命。

當(dāng)然,高效只是影響UPS內(nèi)部溫度的主要因素之一,還要綜合考慮機(jī)器本身的散熱設(shè)計(jì)。但是,效率越低往往意味著需要在成本(更好的散熱器件或更大的散熱空間)、可靠性(增加故障點(diǎn))或工作溫度(40℃時不能連續(xù)工作)等方面作犧牲,以保障內(nèi)部溫度在可接受的范圍之內(nèi)。

(2)響應(yīng)國家節(jié)能減排政策

2013年初,工信部聯(lián)合五部委共同出臺《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》[工信部聯(lián)通(2013)13號],要求新建數(shù)據(jù)中心PUE值達(dá)到1.5以下,原有改造的數(shù)據(jù)中心PUE值下降到2以下;而UPS系統(tǒng)的損耗是數(shù)據(jù)中心能耗的主要組成部分,大約占到數(shù)據(jù)中心能耗的6%～10%,數(shù)據(jù)中心要做到較低PUE,必須選擇運(yùn)行效率更高的UPS。圖1給出了不同類型UPS對PUE貢獻(xiàn)的差異。

(3)客戶節(jié)約電費(fèi)的需求

以一個中型數(shù)據(jù)中心為例,假設(shè)IT負(fù)載為500kW,A系列UPS效率為93%,B系列UPS效率為96%,空調(diào)能效比(EER)為3:1。根據(jù)以上條件,分別采用兩種UPS所帶來的損耗見表1。

一般來說UPS效率每提高一個百分點(diǎn)可節(jié)約10%～20%的電能費(fèi)用,可見高效UPS給企業(yè)帶來的收益是很可觀的。

(4)認(rèn)證門檻的要求

為應(yīng)對全球氣候的變化及提升技術(shù)門檻,全球各地出臺了針對各類產(chǎn)品的節(jié)能認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),如中國的CQC“節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證”、美國的“EnergyStar”,以上兩者是當(dāng)?shù)卣块T強(qiáng)制性認(rèn)證,沒有通過相關(guān)認(rèn)證的產(chǎn)品不能進(jìn)入政府采購名單。如英國的ECA認(rèn)證,要求200kVA以上UPS滿載效率做到96%,針對具備ECA認(rèn)證的產(chǎn)品,客戶可以在購買產(chǎn)品的第一年申請100%的稅收減免。此類節(jié)能認(rèn)證極大的提升了高效產(chǎn)品的競爭力,也說明了各國對產(chǎn)品高效性能的重視。

(5)負(fù)載率對效率的影響

負(fù)載率對UPS的效率影響很大。如圖2所示,一般情況下,UPS的效率會隨著負(fù)載率的提高而提高,并且會在負(fù)載率達(dá)到70%時達(dá)到效率最高點(diǎn)。結(jié)合圖2的曲線,不難得出以下結(jié)論:讓UPS始終工作在效率最高負(fù)載區(qū)間,是提升UPS效率的可行手段。然而實(shí)際場景中,存在以下因素,使得UPS負(fù)載率無法工作在最佳負(fù)載區(qū)間,甚至存在負(fù)載率極低,導(dǎo)致UPS效率極低的情況。

①超前規(guī)劃

因?yàn)楣┡潆娤到y(tǒng)不易改造,機(jī)房在規(guī)劃時會考慮到未來3～5年的業(yè)務(wù)擴(kuò)容,常常需要提前規(guī)劃好擴(kuò)容容量的供配電系統(tǒng);圖3給出了超前規(guī)劃降低UPS負(fù)載率。

②冗余配置

為保障可靠性,供配電系統(tǒng)需要冗余配置,常采用N+1配置,部分核心負(fù)載甚至采用2N或2(N+1)配置,保證供配電系統(tǒng)任何一條線路出現(xiàn)問題時都不會導(dǎo)致負(fù)載掉電;采用圖4給出了冗余配置降低系統(tǒng)負(fù)載率。

③機(jī)房設(shè)計(jì)時不可能按照100%負(fù)載率進(jìn)行設(shè)計(jì),一般情況下,負(fù)載率不會超過80%。

因?yàn)橐陨纤v的三個原因,一般情況下,UPS實(shí)際負(fù)載率低于40%,冗余越高的,負(fù)載率越低(見圖4),一些機(jī)房UPS負(fù)載率會低到20%左右。

2 UPS損耗組成

如何提升UPS的效率?UPS的損耗由哪些部分組成?圖5為UPS輸入功率的最終走向。

圖5中深色部分為UPS最終輸出功率,即提供給負(fù)載的能量;淺色部分為UPS自身產(chǎn)生的損耗,最終轉(zhuǎn)化為熱量或輻射等;圖上方的折線圖為效率趨勢。從圖5中可以看出UPS損耗并不是呈現(xiàn)線性增加,這是由于其損耗由多種類型組成。以下對空載時的損耗和滿載時的損耗分別進(jìn)行分析,從中找出UPS損耗構(gòu)成的基本規(guī)律。

(1)空載損耗

從圖6中可以看出,UPS上電后,有一部分器件始終處于工作狀態(tài),其損耗即使在UPS空載時也是必不可少的。這部分器件中,損耗最大的是電感,占據(jù)了42%,其次是IGBT和SCR的驅(qū)動以及SCR本身的損耗,兩者加起來大概占了26%左右,還有一些損耗比較小的,比如泄放電阻,電容內(nèi)阻等。一般占UPS最大額定容量的0.5%～3%左右。

(2)滿載損耗

圖7為滿載損耗分布圖,可以看出,跟空載損耗相比IGBT與二極管損耗明顯增大,從空載時的6.6%躍升至45.7%;電感損耗占比略有下降,但是仍然占據(jù)了32.6%;SCR的損耗略有上升,從12.4%上升到14.4%。其他諸如風(fēng)扇,監(jiān)控,控制板等占比均有下降。

從以上的對比可以看出,IGBT、二極管、電感等的損耗是UPS損耗的大頭,要想提升UPS的效率,一方面需要從降低這些器件損耗入手,另一方面,可以選擇更優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 如何降低UPS損耗

(1)降低器件損耗

高頻UPS所用的半導(dǎo)體器件主要為IGBT、二極管以及MOSFET。由于自身結(jié)構(gòu)和工作特性不同,器件損耗構(gòu)成各有不同。

①IGBT

IGBT的損耗由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗構(gòu)成。

導(dǎo)通損耗等于導(dǎo)通電流ICE和正向?qū)▔航礥CE的乘積

Pconductloss-IGBT=UCE-on×ICE

開關(guān)損耗分為開通和關(guān)斷損耗,可以用單次通斷的能量損耗(Eon或Eoff)乘以開關(guān)頻率Fsw來表示

PTurnon-loss-IGBT=Eon×Fsw

PTurnoff-loss-IGBT=Eoff×Fsw

降低IGBT損耗需要選擇導(dǎo)通壓降低、開關(guān)損耗小的型號。由于通常導(dǎo)通壓降低和開關(guān)損耗小無法同時選擇,所以需要判斷實(shí)際電路中導(dǎo)通損耗比較大還是開關(guān)損耗比較大,然后選擇收益最大的一個方向挑選IGBT。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,IGBT也逐漸呈現(xiàn)高效化的趨勢,新一代的IGBT通常比上一代損耗降低,所以優(yōu)先挑選采用最新技術(shù)的IGBT也是降低損耗的一個常用手法。華為UPSU5000在整流和逆變電路上選擇了不同型號的IGBT以配合電路實(shí)際工作特性,以求達(dá)到損耗最小。

注:部分電路中IGBT的反并聯(lián)二極管也會產(chǎn)生損耗,選擇IGBT時也需要注意二極管特性。

②二極管

在UPS中會使用較多的功率二極管,按照電路工作的頻率,二極管分為高頻二極管和整流(工頻)二極管,兩種二極管的損耗略有差異,本文主要討論高頻二極管的情況。

高頻二極管的損耗主要由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗構(gòu)成,導(dǎo)通損耗等于正向?qū)娏鱅F和正向?qū)▔航礥F的乘積:

Pconductloss-diode-REC=UF×IF

開關(guān)損耗主要是由二極管的反向恢復(fù)電流引起的

Pleakage-diode-REC=Ileakage-diode-REC×Udiode-REC

式中,Udiode-REC為二極管的反向電壓,Ileakage-diode-REC為二極管的反向恢復(fù)電流。

二極管的總損耗為:

Ploss-diode-REC=Pconductloss-diode-REC+Pleakage-diode-REC

如上式所示,如果要降低高頻二極管的損耗,需要挑選導(dǎo)通壓降小和反向恢復(fù)快的二極管。

③功率電感

功率電感的損耗由磁芯損耗和線圈損耗組成。磁芯損耗分為磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。UPS一般工作頻率不高,大部分在20kHz左右,磁芯損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成,通常磁芯供應(yīng)商的擬合損耗曲線會包含這些損耗。以CSC sendust26μ磁芯為例,圖8中給出了損耗的擬合公式,先計(jì)算出B,再代入工作頻率即可得到單位體積的損耗。降低B能有效降低磁芯損耗,即可以選擇增大磁路截面積或提高頻率、降低工作電壓等措施來降低磁芯損耗。例如:以CSC鐵硅鋁26μ的磁芯為例,如果將磁芯的截面積增加25%,其他條件不變,則B會降低25%,磁芯損耗則會降低45%。

線圈損耗是電流在導(dǎo)線上流過產(chǎn)生的。通常流過電感的電流包括直流或工頻的低頻電流和開關(guān)頻率的高頻電流。由于集膚效應(yīng)的存在,開關(guān)頻率較高時線圈的交流阻抗會大于直流阻抗,所以設(shè)計(jì)時如果開關(guān)頻率較高,需要用多股細(xì)線并繞來降低集膚效應(yīng)的影響。

④風(fēng)扇

風(fēng)扇的損耗主要來自電機(jī),通常電機(jī)的損耗和轉(zhuǎn)速的立方成正比,所以在不同負(fù)載段適當(dāng)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,可以降低各負(fù)載段的風(fēng)扇損耗。

(2)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),降低損耗

除了以上討論的降低器件損耗外,通過優(yōu)化UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以降低損耗。在UPS領(lǐng)域,大量應(yīng)用多電平拓?fù)?。相對于以前使用的兩電平拓?fù)?現(xiàn)在常用的二極管箝位型三電平拓?fù)渑c傳統(tǒng)兩電平拓?fù)淠孀兤飨啾?可以減小濾波電感的尺寸和損耗。

①三電平損耗分析

圖9給出二極管箝位型三電平逆變器拓?fù)?。電路主要損耗為開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗以及輸出濾波電感損耗。因三相電路三個橋臂的損耗相同,為便于計(jì)算,基于A相單相橋臂進(jìn)行損耗分析。

如圖10給出A相橋臂開關(guān)VT1～VT4的驅(qū)動信號ugVT1～ugVT4與輸出電壓uo、電流io關(guān)系示意圖。開關(guān)動作情況可根據(jù)uo、io的方向分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個區(qū)域。ugVT1～ugVT4與uo、io的關(guān)系由圖10可以看出,在Ⅰ區(qū)域中,io方向?yàn)樨?fù),即流入變換器。當(dāng)輸出高電平時,VD1,VD2導(dǎo)通;當(dāng)輸出零電平時,VD5,VT3導(dǎo)通。忽略io在一個開關(guān)周期中的變化,則Ⅰ區(qū)域中逆變器單相半導(dǎo)體器件損耗功率為

PⅠ=f(EswⅠ+EconⅠ++EconⅠ0)

式中,EswⅠ為Ⅰ區(qū)域器件消耗的總開關(guān)損耗能量;EconⅠ+為Ⅰ區(qū)域輸出高電平時,器件消耗的總導(dǎo)通損耗能量;EconⅠ0為Ⅰ區(qū)域輸出零電平時,器件消耗的總導(dǎo)通損耗能量;f為輸出電壓頻率。在Ⅱ區(qū)域中,io方向?yàn)檎?即流出變換器。當(dāng)輸出高電平時,VT1、VT2導(dǎo)通,輸出零電平時,VD6、VT2導(dǎo)通。Ⅱ區(qū)域?qū)ㄆ骷疽鈭D忽略io在一個開關(guān)周期中的變化,則Ⅱ區(qū)域中逆變器單相半導(dǎo)體器件損耗功率為

PⅡ=f(EswⅡ+EconⅡ++EconⅡ0)

式中,EswⅡ?yàn)棰騾^(qū)域器件消耗的總開關(guān)損耗能量;EconⅡ+為II區(qū)域輸出高電平時,器件消耗的總導(dǎo)通損耗能量;EconⅡ0為Ⅱ區(qū)域輸出零電平時,器件消耗的總導(dǎo)通損耗能量。分析可知,Ⅲ區(qū)域與Ⅰ區(qū)域,Ⅳ區(qū)域與Ⅱ區(qū)域分別為對偶關(guān)系,所以Ⅲ區(qū)域的器件損耗與Ⅰ區(qū)域相同,Ⅳ區(qū)域的器件損耗與Ⅱ區(qū)域相同,故三電平逆變器三相半導(dǎo)體器件總損耗功率為

Ptotal=3(PⅠ+PⅡ+PⅢ+PⅣ)=6(PⅠ+PⅡ)(1)

②兩電平損耗分析

兩電平逆變器拓?fù)淙鐖D11所示。同樣,根據(jù)uo和io的方向,將開關(guān)動作情況分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個區(qū)域,則兩電平逆變器三相半導(dǎo)體器件總損耗功率可表示為

Ptotal*=3(PⅠ*+PⅡ*+PⅢ*+PⅣ*)=6(PⅠ*+PⅡ*)(2)

各分量計(jì)算與三電平對應(yīng),但需修改相應(yīng)的損耗參數(shù)。

對比式(1)和式(2),用Mathcad軟件可算出三電平和兩電平逆變器在相同給定應(yīng)用條件下的損耗和效率。

按照以下給定值計(jì)算:三電平逆變器以IGBT為開關(guān)器件,型號為2MBI  300U2B-060(600V/300A),二極管VD1～VD6型號為1FI150B-060(600V/200A);兩電平逆變器所用IGBT型號為2MBI300UC-120(1200V/300A);兩種拓?fù)淠孀兤黩?qū)動電阻Rg=5Ω,工作溫度Tj=125℃。理論計(jì)算,當(dāng)fs=10kHz時,三電平逆變器效率比兩電平逆變器提高1.7%;當(dāng)fs=20kHz,三電平逆變器效率可提高2.79%?？梢钥闯?選擇更優(yōu)的拓?fù)淇梢燥@著提高效率。

(3)采用模塊化UPS降低系統(tǒng)損耗

選用模塊化的優(yōu)點(diǎn)如下:

①按需擴(kuò)容

模塊化UPS的一大優(yōu)勢在于可在線擴(kuò)容,這種設(shè)計(jì)使得客戶不必過于超前規(guī)劃UPS系統(tǒng)的容量,而可以在適合的范圍內(nèi)接近負(fù)載容量,從而達(dá)到最好的效率點(diǎn)。

②模塊冗余

UPS系統(tǒng)的可靠性是客戶非常看重的指標(biāo)。一般來說,N+1冗余系統(tǒng)可以滿足大部分應(yīng)用場景的可靠性需求,也是性價比最高的配置方式。一般塔式系統(tǒng)采用N+1只保證了可靠性,但是會導(dǎo)致初期投資較高,并且也會讓負(fù)載率低于50%,采用模塊化機(jī)器則不會有這個問題。

③智能休眠功能

模塊化UPS一般具有智能休眠功能,采用這個功能可有效改善因低載帶來的低效現(xiàn)象。智能休眠的示意圖如圖12所示。UPS將根據(jù)目前所處負(fù)載情況,在留有冗余的前提下,休眠1～2個模塊,從而提升其他工作中機(jī)器的負(fù)載率,使得系統(tǒng)效率得以提升。且原有系統(tǒng)負(fù)載率越低,節(jié)能效果越顯著。以負(fù)載率為20%的3+1模塊冗余系統(tǒng)為例,通過智能休眠功能,系統(tǒng)將休眠2個模塊,使得剩余2臺機(jī)器負(fù)載率達(dá)到40%,且這種情況下UPS系統(tǒng)仍保留冗余,即保障1臺機(jī)器故障時,剩余1臺機(jī)器仍可正常帶載運(yùn)行。仍以500kW負(fù)載為例,空調(diào)EER=3:1,休眠前后的節(jié)能對比見表2。

從表2的對比可見,休眠后的總損耗降低了三分之一以上,10年可節(jié)約204萬度電,帶來約100萬元人民幣的收益。華為UPS5000-E除具備輪換休眠功能外,系統(tǒng)會對工作的模塊進(jìn)行定期輪換,以保證工作時間平均,延長模塊壽命。圖13為UPS5000-E智能輪換休眠的示意圖。

4 結(jié)束語

當(dāng)今業(yè)界UPS最高效率普遍可以達(dá)到96%甚至更高,但是提升UPS效率仍然是整個業(yè)界一直持續(xù)追求的,選用優(yōu)質(zhì)器件、更優(yōu)的拓?fù)涫翘嵘齍PS效率的可靠途徑,同時模塊化UPS智能休眠等特性可以讓UPS工作在最佳效率區(qū)間。

文章來源：ups維修http://www.umvbook.com/solve_ups.asp