对多种机型UPS同时存在状态的综合评述
　　
　　本刊编辑部         张乃国
　　
　　摘要叙及当前UPS类型有交流输出型的工频机型UPS和高频机型UPS(含模块化UPS),还有直流输出型UPS、飞轮式和柴油机式动态型UPS,各有用户群体,各有市场份额,是UPS技术发展的“过渡期状态”。从当前来看,高频机型(含模块化)UPS是现代数据中心的优选机型。从长远来看,直流输出型UPS是技术发展的必然趋势。用户应当根据UPS技术发展和市场趋势来选择UPS机型。

(4)适用场合
　　
　　当前,在相当多的通信系统中DC-UPS已经在运行,可靠性很好,逐步向数据中心推广应用。现在对直流电压值的等级(240V、300V、380V)还有不同意见,待逐渐改进并取得共识后,将会在各行业普遍采用。
　　
　　4 动态型UPS
　　
　　动态型UPS是指以机械旋转工作方式构成的不间断电源,一般有两种型式:飞轮式和柴油机式。
　　
　　4.1磁悬浮式飞轮储能UPS
　　
　　(1)结构
　　
　　主要由磁悬浮飞轮和备用柴油发电机组成,飞轮是其核心部件。由飞轮UPS组成的供电系统如图5所示,飞轮储能装置如图6所示[7]。

　　
　　图5中采用双路10kV/400V变压器供电,两台变压器互为备用,在双路电源都失效的情况下由后备柴油发电机在10s内自动起动并且达到稳定输出。在有市电时,驱动电动机带动飞轮高速旋转,把动能储存起来,在市电中断至发电机正常供电之间由飞轮的转动惯量提供动力,在励磁装置激励下发出电能,保持对负载不间断供电;待发电机起动并稳定运行后,转由发电机供电。

　　
　　图6所示为磁悬浮飞轮结构,其稳态转速为7700转/min,采用磁悬浮轴承的目的是消除摩擦损耗,提高驱动效率。为了减小风阻损耗,将飞轮置于高真空环境中运行。飞轮与电动机/发电机同轴相连,通过电力电子转换装置实现储能部件与电网之间的能量交换。
　　
　　(2)特点
　　
　　①这种UPS的突出优点就是不用蓄电池做后备储能电源,从而获得环保等一系列优点,减少了维修工作量。
　　
　　②由于不使用蓄电池,减少了体积和重量,而且整机效率也提高了。
　　
　　③飞轮式UPS对环境的要求较低,在-20℃～40℃之间运行,不需要空调设备。
　　
　　(3)存在问题
　　
　　①人们担心的主要是后备时间问题。以容量为500kVA的飞轮式UPS为例,满载时的后备时间为15s(半载时为30s),这就要求柴油发电机必须在10s左右起动并达到稳定电压及频率输出,需要优质发电机相配合。据调查资料得知,柴油发电机可以在10s达到正常运行,可见飞轮式UPS是可以满足要求的。
　　
　　②飞轮式UPS对机械加工精度及材料的要求很高,其价格相对昂贵,但因其使用寿命可以达到20年以上,比蓄电池的寿命长了许多,所以整体成本还是比较低的。
　　
　　(4)适用场合
　　
　　首先是不宜使用蓄电池的单位,例如军用系统、半导体芯片制造厂、数据中心等,尤其是对于蓄电池很介意的场所。这种UPS目前主要用于150～1500kVA供电系统中。如果是对15s的后备时间特别在意的话,则应适当考虑。
　　
　　4.2柴油机式动态UPS
　　
　　(1)结构
　　
　　主要由同步交流发电机、感应耦合器、自由轮离合器及柴油机等部分组成,如图7所示[8]。

　　
　　同步交流发电机与市电一起向负载供电,并与电抗器(另接)组成有源滤波器滤除谐波。感应耦合器是储能装置,有外转子和内转子,外转子上有一个两极三相线圈,在有市电情况下,可以加速自由转动的内转子的转速。当市电中断时,取出在内转子上储存的动能,驱动发电机继续给负载供电,并及时起动柴油机使之达到稳定状态,向负载提供电能。自由轮离合器在感应耦合器/发电机与柴油机之间起机械通断作用。在市电正常时,柴油机处于停止状态,离合器断开,发电机旋转;市电中断时,柴油机起动,当达到额定转速时,离合器自动接合,由发电机向负载供电。整个转换时间约为5～10s。当市电恢复时,这种动态UPS会与市电同步,转由市电向负载供电,离合器断开,柴油机与感应耦合器不再有机械连接,逐渐停止运转,回到待机状态。
　　
　　(2)特点
　　
　　从上述结构原理可知,它的储能装置既不用蓄电池,也不用飞轮,更没有静止型UPS的半导体变换器。具有如下优点:
　　
　　①可靠性高。双变换型UPS系统中必须要有蓄电池和逆变器,这两个环节是AC-UPS产生故障的主要部分,柴油机式动态UPS没有这两个环节,显然大幅度提高了可靠性。
　　
　　②整机效率高。双变换型UPS的电能要经过两次变换,有功率损耗;UPS和蓄电池都需要空调系统,也要消耗能量,而柴油机式动态UPS只需适当通风条件即可,不需要空调系统,显然其工作效率很高。
　　
　　③工作寿命长。双变换型UPS的寿命约为10年左右,柴油机式动态UPS的寿命可达25年。
　　
　　④环保性能及经济性能均很好。与飞轮式UPS相同,由于没有蓄电池了,不存在对环境的污染;体积小了,节省空间;无蓄电池及空调系统,成本也降低了,维护也方便了。
　　
　　(3)存在问题
　　
　　对于飞轮式UPS,人们主要担心的是后备时间问题,对于柴油机式动态UPS,因为其储能装置(感应耦合器)与发电机和柴油机是一体化结构,容易满足要求。
　　
　　机械加工的精度要求仍然比较高,但其难度比悬浮式高真空飞轮要好一些,从而其工作寿命及价格情况具有一定优势。
　　
　　(4)适用场合
　　
　　目前这种UPS主要用于250～2500kVA供电系统中。对于不宜使用蓄电池的军用系统、现代数据中心等是非常适合的。
　　
　　总之,从节能和环保这些基本国策而言，静态型UPS存在着明显的缺陷，这为飞轮式和柴油机式两种动态型UPS提供了良机，吸引了人们的眼球，在UPS市场上占有一席之地，具有较好地应用前景。
　　
　　5 结束语
　　
　　(1)在上世纪初期发明了以飞轮惯性为储能手段的动态型UPS,后来出现以半导体器件(晶闸管)为基础、以蓄电池为储能装置、以逆变器为核心的静止型UPS,现在飞轮型UPS经过改进又回来了,它的突出优点就是不用蓄电池,有利于环保。
　　
　　(2)高频机型(含模块化)UPS是AC-UPS发展到较高阶段,具有技术先进及节能环保等多种优势,成为当前UPS应用的主流。
　　
　　(3)逆变器是使AC-UPS工作可靠性不高的主要环节,电源技术工作者想办法取消逆变器,把蓄电池直接挂在IT设备的输入端,从而研发出DCUPS,实际上它就是一个高频整流器(兼充电器)+蓄电池+DC/DC变换器,输出直流3V、5V等电源直接送入IT设备,这样就更简单了。
　　
　　(4)工频机型UPS由于存在诸多缺点,市场份额逐渐缩小,可以预见不久的将来,终将被高频机型UPS和直流输出型UPS所取代。
　　
　　(5)利用飞轮式和柴油机式动态型UPS力图甩掉蓄电池,但又带来了复杂的机械问题及燃油问题。
　　
　　由上述可见,科学技术的发展,就是由简单到复杂再到简单的过程,现在是多种机型同时存在,这是一种“过渡期”,与“社会多元化”的道理是相同的,而那种落后机型自然就会消亡,现在去市场购买照相机,谁还买胶卷式相机呢。但愿我国电源技术工作者共同努力,使这个过渡期短一些,新技术推广得快一些。
　　
　　[注]本文曾参考或引用部分友人的文章,在此一并致谢。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]何春华,顾客心智中的定位,UPS应用,2013年9月,p.Ⅷ.
　　
　　[2]张乃国,也谈UPS使用中应当关注的几个基本概念,电源技术应用,2012年12月,p.42-48.
　　
　　[3]张广明、张乃国,取消工频输出变压器是UPS电路技术的重大进步,UPS应用,2011年10月,p.32-35;2011年11月,p.31-34.
　　
　　[4]陈冀生、张广明,现代数据中心供电系统规划设计(五)、(六),UPS应用,2013年9月,p.25-33;2013年10月,p.25-32.
　　
　　[5]刘凤君,高频UPS存在的问题与技术改革,UPS应用,2009年10月,p.25-30.
　　
　　[6]王鸿藻,略论UPS带纯阻性负载的能力,UPS应用,2012年5月,p.31-34.
　　
　　[7]李成章,高效节能的飞轮UPS,UPS应用,2011年6月,p.30-36.
　　
　　[8]曲学基,谈柴油机式动态UPS,UPS应用,2013年9月,p.34-38;2013年10月,p.38-41.
　　
　　作者简介
　　
　　张乃国(1937-),男。清华大学信息科学技术学院副教授,1997年退休。自1962年至退休的35年间,一直在清华大学从事电子技术教学和科研工作,编著高校教材及科技图书(含《中国电力百科全书》)20余种,发表论文60余篇。1983年参与中国电源学会的创建工作,曾任学会副秘书长等职,现任《UPS应用》杂志主编。在此期间,培养了许多本科生及研究生等高级人才;在促进我国电力电子技术发展等方面做出重要贡献。

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