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对不间断电源(UPS)的新思路
  •   目前,UPS的主要工作原理就是双变换,即先将市电的交流整成直流,再将直流逆变成交流。这是因为交流电不能储存,直流电可以储存;负载需要交流电而不是直流电。但事实上,当今大部分负载(非加工领域)其内部用的都是直流电!例如:台式计算机(服务器)的内部用电为±12VDC和±5VDC,笔记本电脑内部用电为16VDC,液晶显示屏内直流电源为12VDC,交换机内直流电源为48VDC,路由器内直流电源为5--24VDC(一般外配9VDC的适配器),等等。

  •   由此,可以设想:能否将电池组的直流电经过一定的变换(不是逆变),形成不同等级的直流电压,例如:16VDC、±12VDC、9VDC、±5VDC等,以直流方式直接供给负载使用?!可将这种直流电源叫做《不间断直流电源》,UninterruptibleDirectCurrentPowerSystem(UDCPS),它有对电池组充电的能力并在没有市电时由电池组向负载供电。方案原理见图一。
      
      电池组通过直流变换器直接向计算机负载供直流电(±12V,±5V),这样可省去逆变器,由直流变换器取代;计算机内原电源板的直流输出通过整流二极管(作为正或门/负或门的一条支路)供电,或门的另一路由直流变换器供电。


      
      从图一可见,原UPS的负载,如:计算机、路由器、交换机等,其内部只需增加二极管,即Z3、Z4、Z5、Z6,以便与外部的二极管构成正或门/负或门,并将或门的输出端接机内的相应直流电源的负载端并引到机外,通过机壳上设的插座外引;或门的另一路二极管,即Z1、Z2、Z7、Z8,可设在《不间断直流电源》内,这样可减少重要负载(如:计算机、路由器、交换机等)内的改动量。《不间断直流电源》内或门的输出端再接到重要负载的机壳上设的插座,由此共同构成或门。
      
      二极管Z1和Z3、Z2和Z4构成正或门,分别接受来自两个+12VDC和两个+5VDC的电源;二极管Z5和Z7、Z6和Z8构成负或门,分别接受来自两个-12VDC和两个-5VDC的电源。
      
      如果使《直流变换器》的输出略小于原机内直流电源的输出,这样,有市电时由于二极管的反偏作用,二极管Z1、Z2、Z7、Z8截止,Z3、Z4、Z5、Z6导通,从而负载仍由市电供电;当市电没有时,同理,二极管Z1、Z2、Z7、Z8导通,Z3、Z4、Z5、Z6截止,电池组无间断地继续向负载供电。
      
      下面分析这种不间断供电方式所产生的经济效益。
      
      以某知名品牌的100KVA的UPS为例,其一般整机效率(AC/AC,满载)为94%,输出功率因数一般为0.8,即可输出80KW有功功率。这样,在正常运行中,机器本身就要消耗满载输入容量100KVA/0.94=106.38KVA的6%,即6.38KVA。
      
      UPS输入功率因数一般为0.8–0.99,如果按0.8计,则6.38KVA的有功功率为6.38×0.8=5.1KW,那麽,一小时合5.1度,一天122.4度。相当于约100个普通家庭一天的用电量。
      
      商业电费:用电高峰(10:00–15:00;18:00–21:00)时1.1515元/度;用电平(7:00–10:00;15:00–18:00;21:00–23:00)时0.7625元/度;用电低谷(23:00–7:00)时0.3965元/度,平均电费为0.7702元/度,则0.7702元×5.1=3.928元,即3.928元/时,3.928元×24=94.27元,就是说,一台100KVA的UPS一天要白白消耗94.27元的费用,一年为34409.46元!一年白白消耗44676度!
      
      这里还未计无功损耗的费用。另外有功消耗还要转变成热量,从而增加了空调的负担;空调对此增加的制冷量又再次消耗电力,所以实际的电力消耗比以上计算的要多。
      
      直流变换器的效率一般大于85%,如果按85%计,一台输出80KW的直流变换器,其输入的功率为94.12KW,机器本身消耗满载输入容量的15%,即14.12KW。
      
      一小时合14.12度,电费0.7702元×14.12=10.8752元,即10.8752元/时,二小时21.7504元。该消耗只是在市电停止后,直流变换器向负载供电时才发生。平时只需考虑直流变换器的空载损耗。
      
      某知名品牌的直流电源空载损耗1.2%,这样,80KW的空载损耗为80000×0.012=960W,每小时合0.96度;0.7702元×0.96=0.7394元,即0.7394元/时,23.04度/天,8409.6度/年,电费:0.7702元×8409.6=6477.07元,与使用UPS比较,6477.07元/34409.46元=0.19!即这种方式每年消耗的费用是一般UPS方式的百分之十九。节省了不少电力,这对于当今能源日趋紧张的情况来说,是非常值得考虑的。
      
      由上可见,从进一步节能的角度看,直流电源的空载损耗是这种《不间断直流电源》的一个非常重要的指标。平时直流电源空载损耗(1.2%)可由电池充电器承担,这样不会影响电池寿命。
      
      还以上面的100KVAUPS为例,如果它的逆变器(效率一般为93%--95%)效率是0.95,那麽,满载后备时间一小时,电池计算容量约为(12V,340AH/块)32块/组,为计算方便起见,假设有12V,340AH/块的电池。这些电池如加到《不间断直流电源》输入端,如果其输入电压为48V,那麽电池的组合应为8×4块/组,8组电池并联后的总容量为2720AH,其充电电流可为0.125C10,即0.125×2720=340A,再加上不间断直流电源空载损耗960W/48V=20A,共360A,充电器最大输出可按60V计,则充电器最大输出功率为360×60=21,600W=21.6KW。不充电时,充电器只承担《不间断直流电源》的空载损耗(1.2%,960W),如果充电器(整流器效率一般97%--98%)效率为0.98,则其从电网输入的功率为980W;合一小时0.98度,仍是普通UPS方式5.1度的19%。
      
      这种不间断供电方式对于电池自动放电测试可这样做:测试时,使不间断直流电源输出电压高于负载机内直流电源输出0.7V以上,使得机内或门二极管反偏截止;机外或门二极管正偏导通,电池组向负载供电;在电池组供电进程中,电池电压在逐渐下降,当降到10.5V/块时,通过控制电路再将《不间断直流电源》的输出降下来,直至低于负载机内直流电源输出0.7V以下,使得机内或门二极管正偏导通;机外或门二极管反偏截止。同时充电器也开始对电池组充电,完成自动放电测试。应该注意:在测试时,负载机内直流电源的输出一直正常存在,所以即使电池组放电失败,也没有负载断电的危险。
      
      为了提高整流元件的可靠性(冗余性),可采用并联二极管方式,如图二:


      
      理论上二极管并联数没有限制。
      
      输出端设置大容量电容可储能并有很好的滤波效果,如图三。但是容量大了,其充电电流必然很大,很容易使装置过流。为了限制过大的充电电流,设置电阻R,而该电阻的压降又会影响放电电压,为此设置了短路二极管Z2;Z1是防返流二极管,Z3是或门二极管。这样既不会产生强大的充电电流,也不影响放电时的输出电压。


      
      如果说,UPS是“养兵千日,用兵一时”的话,那麽这种《不间断直流电源》则是“静
      
      候在旁,随时应战”;后备的方式,在线的效果。
      
      采用这种《不间断直流电源》方式,需要重要负载做些改动,例如:计算机(负载设备)需改动的:
      
      将机内直流电源输出与其负载间加一个二极管并将负载端引到机箱后部,设置相应插座;以与外部二极管构成正或门/负或门,如图一所示。
      
      这种《不间断直流电源》的基本构成为:
      
      充电器(整流器)、电池组、直流变换器,还有交流输入电压的检测窗口及电池的保护、自检、定期放电控制电路。
      
      要实现《不间断直流电源》的方式需要社会化合作,电源制造商与重要负载(如:计算机、路由器、交换机、网络设备等)制造商的合作。
      
      采用《不间断直流电源》方式有以下几方面的好处:
      
      1. 节能--有市电时,负载由市电供电;《不间断直流电源》的空载损耗远远小于UPS的损耗。
      
      2. 并机简便,不需要考虑同步问题及静态转换开关等设备,可无限多重并机。
      
      3. 无间断切换,没有市电时,可无任何间断地由电池组向负载供电。
      
      4. 无负载断电危险,电池组定期自动放电时只提高《不间断直流电源》输出电压即可。
      
      5. 整流器主要作为充电器使用,功率大大降低(输出80KW的不间断直流电源,其充电器容量只需21.6KW!),因而制作成本下降、可靠性提高;
      
      6. 不用考虑旁路问题,去掉重复变换,线路结构简化,减少了故障点,其体积、重量大大降低。
      
      7. 直流输出不存在谐波和功率因数问题。
      
      8. 减少热耗,即减少了空调的消耗。
      
      9. 上级电网负担小且由于发电机直接对负载,大大减少其容量。
      
      10. 输出端可设大电容,方便储能且提高直流输出波形的平滑性。
      
      11. 不受电源相数约束,小功率充电器可为单相。
      
      12. 电池组电压低,安全;也方便连接太阳能极板。
      
      其中主要好处是:节能且容易并机;理论上并机数量不受限制。
      
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