UPS雙母線一體化配電解決方案

UPS雙母線一體化配電解決方案

0??? 引言

??? 結(jié)合上海某電力系統(tǒng)具體情況,我們做出了艾默生專(zhuān)業(yè)機(jī)房設(shè)備解決方案。該方案展示了最新專(zhuān)業(yè)機(jī)房系統(tǒng)全貌，為最安全最可靠的UPS并機(jī)雙母線冗余供電系統(tǒng)。

1??? 機(jī)房配電方案

??? 根據(jù)機(jī)房的實(shí)際情況，配置情況如圖1所示。

圖1??? 雙母線一體化配電方案

??? 配置4臺(tái)容量為300kVA的Hipulse系列12脈沖整流UPS,每2臺(tái)（1＋1）帶并機(jī)柜提供雙母線供電，每臺(tái)UPS配置192節(jié)GNB1000AH/2V電池，兩臺(tái)合計(jì)384塊。雙母線合計(jì)768塊。

??? 系統(tǒng)1由UPS1－1和UPS1－2兩臺(tái)帶并機(jī)柜并機(jī)。并在旁路柜前增加一臺(tái)隔離變壓器,當(dāng)UPS轉(zhuǎn)旁路時(shí),消除市電對(duì)負(fù)載諧波干擾及降低零地電壓。兩臺(tái)UPS平時(shí)可各帶50％負(fù)載，當(dāng)一臺(tái)UPS有故障時(shí)，另一臺(tái)可帶100％負(fù)載繼續(xù)供電。當(dāng)兩臺(tái)UPS同時(shí)有故障時(shí)，可經(jīng)UPS靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)柜MSS轉(zhuǎn)到旁路供電。

??? 系統(tǒng)2由UPS2－1和UPS2－2兩臺(tái)帶并機(jī)柜并機(jī)。并也在旁路柜前增加一臺(tái)隔離變壓器。系統(tǒng)2的結(jié)構(gòu)和工作原理同系統(tǒng)1。

??? 平時(shí)，系統(tǒng)1與系統(tǒng)2分別帶自己的負(fù)載。系統(tǒng)1經(jīng)UPS1輸出柜和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)600ASTS1帶重要PC負(fù)載,系統(tǒng)2經(jīng)UPS2輸出柜和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)600ASTS2帶通信設(shè)備、電梯照明等負(fù)載。當(dāng)其中一個(gè)系統(tǒng)供電母線上的任何設(shè)備或電纜需要維護(hù)或故障時(shí)，其負(fù)載可經(jīng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換至另一個(gè)系統(tǒng)供電。由此，做到了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的冗余，極大增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠安全性。

??? 在兩套系統(tǒng)的相互切換過(guò)程中，為保證二者可以同頻率、同相位，艾默生提供一種LBS負(fù)載總線同步跟蹤控制器。在它的控制管理下，如果UPS供電系統(tǒng)2出現(xiàn)供電故障，具有自動(dòng)跟蹤控制功能的負(fù)載總線同步跟蹤控制器和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)會(huì)讓系統(tǒng)1暫時(shí)承擔(dān)起全部負(fù)載的供電任務(wù)。在此期間，用戶就可對(duì)系統(tǒng)2進(jìn)行脫機(jī)檢修。

??? 兩套系統(tǒng)分別配外置維修旁路，外置維修旁路由1個(gè)空氣開(kāi)關(guān)組成。當(dāng)系統(tǒng)需要維護(hù)時(shí)，可由該旁路供電。在外置維修旁路柜及UPS系統(tǒng)并機(jī)柜的內(nèi)置維修旁路開(kāi)關(guān)上，各安裝有一個(gè)CASTELLKEY互鎖裝置，以保證二者之間的安全正確切換，使逆變器輸出和維修旁路永遠(yuǎn)不會(huì)短路。

2??? 艾默生Hipulse系列UPS特點(diǎn)

??? 艾默生7000 Hipulse系列UPS產(chǎn)品是艾默生公司在大中型計(jì)算機(jī)電源設(shè)備中的主流產(chǎn)品，其獨(dú)特的技術(shù)可簡(jiǎn)述如下。

2.1??? 高可靠性

??? 衡量一臺(tái)UPS可靠性高低的重要指標(biāo)之一是其應(yīng)具有極強(qiáng)的抗輸出過(guò)載能力。這意味著，即使因用戶投入大負(fù)荷或非線性負(fù)載而形成瞬態(tài)浪涌過(guò)載輸出局面時(shí)，不但應(yīng)保證UPS逆變器的完好無(wú)損，而且還不能出現(xiàn)因逆變器輸出過(guò)載能力差而轉(zhuǎn)交流旁路供電的局面。這是因?yàn)?，?dāng)UPS在執(zhí)行逆變器供電→交流旁路供電切換操作的期間，有可能因不穩(wěn)壓的市電電源與具有穩(wěn)壓輸出特性的逆變器之間的瞬態(tài)電壓差過(guò)大而損壞UPS。艾默生UPS的典型過(guò)載能力，三相工作時(shí)110％額定負(fù)載為1h，125％額定負(fù)載為10min，150％額定負(fù)載為1min；單相工作時(shí)，200％額定負(fù)載為30s。

??? 當(dāng)過(guò)載量和在該過(guò)載量下的持續(xù)時(shí)間沒(méi)有超過(guò)上述范圍時(shí)，將一直由逆變器向負(fù)載供電。

2.2??? 具有極強(qiáng)的抗“階躍性”負(fù)載及抗短路能力

??? 在UPS運(yùn)行中最嚴(yán)重的情況是輸出被短路。由于配置有設(shè)計(jì)獨(dú)特的輸出限流電路，即使用戶因不慎而造成輸出短路時(shí)，逆變器也不會(huì)被損壞。艾默生UPS的典型抗短路能力，在三相工作時(shí)，短路電流被限制在160％標(biāo)稱(chēng)輸出電流5s；單相工作時(shí)，短路電流被限制在290％標(biāo)稱(chēng)輸出電流5s。

2.3??? 優(yōu)越的帶三相不平衡負(fù)載的能力

??? 對(duì)于三進(jìn)/三出型UPS來(lái)說(shuō)，即使用在波峰因數(shù)(crest ratio)為3:1的計(jì)算機(jī)之類(lèi)的非線性負(fù)載時(shí)，也能在不降低額定輸出功率的條件下，向用戶提供失真度<3％～5％的高質(zhì)量的正弦波電源。此外，由于配置有自適應(yīng)平衡調(diào)整電路，當(dāng)接100％不平衡負(fù)載（一相空載，兩相滿載）時(shí)，也可確保三相相電壓差<2％，相位差在120°±1°的范圍內(nèi)。

2.4??? 高輸入功率因數(shù)

??? 由于大量整流濾波型負(fù)載（例如：計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、家用電器或一般的UPS）被引入市電而使電網(wǎng)被“污染”，造成大量的高次諧波電流流過(guò)整個(gè)供電系統(tǒng)，導(dǎo)致中線電流過(guò)流及電動(dòng)機(jī)負(fù)載異常發(fā)熱。為解決上述問(wèn)題，而向用戶提供如下技術(shù)方案來(lái)消除諧波“污染”，確保用戶電網(wǎng)的供電質(zhì)量達(dá)到“綠色電源”標(biāo)準(zhǔn)，即在大型UPS中，采用輸入濾波及12脈沖整流濾波方案，將輸入功率因數(shù)從一般UPS的0.8提高到>0.92。

2.5??? 優(yōu)異的并機(jī)輸出特性

??? 在設(shè)計(jì)獨(dú)特的直接并機(jī)調(diào)控系統(tǒng)中，設(shè)有頻率母線和電流母線分別精密調(diào)控各臺(tái)UPS對(duì)市電的同步跟蹤相位關(guān)系和均流輸出特性。因而，它不僅確保整個(gè)UPS供電系統(tǒng)中的每臺(tái)UPS都能均勻分?jǐn)傌?fù)載電流，而且還能使可能出現(xiàn)在并機(jī)系統(tǒng)中的“環(huán)流”幾乎為零。此外，它還配置了靈敏的“環(huán)流監(jiān)測(cè)”電路，時(shí)刻監(jiān)視整個(gè)UPS供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而確保這種并機(jī)系統(tǒng)具有極高的可靠性（其MTBF可達(dá)1×106h數(shù)量級(jí)）。上述指標(biāo)是同類(lèi)機(jī)型中的最高水平。

2.6??? 完善的電池管理系統(tǒng)

??? 由于采用了“先恒流后恒壓”的充電技術(shù)及開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的“電池監(jiān)控軟件”，從而形成了高性能的電池管理系統(tǒng)。該調(diào)控系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

??? ——采用二階分級(jí)調(diào)控的電池充電限流技術(shù)，確保不會(huì)發(fā)生過(guò)充電現(xiàn)象；

??? ——采用微處理器監(jiān)測(cè)技術(shù)，根據(jù)用戶的實(shí)際負(fù)載量自動(dòng)調(diào)整電池的臨界放電電壓的閾值，確保不會(huì)發(fā)生“深度放電”的現(xiàn)象；

??? ——利用可編程電池監(jiān)控軟件對(duì)蓄電池執(zhí)行定時(shí)的“自診斷”測(cè)試，自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示電池充電百分容量及電池的剩余供電時(shí)間；

??? ——提供具有自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能的電池充電系統(tǒng)；

??? ——配有過(guò)充保護(hù)和自動(dòng)均充定時(shí)控制器。

3??? LBS負(fù)載母線同步追蹤器

3.1??? LBS的工作原理

??? LBS負(fù)載母線同步控制器包括一張裝于每臺(tái)UPS的LBS接口卡，和一只帶選擇開(kāi)關(guān)的LBS掛墻控制盒。只須從UPS到LBS間采樣幾個(gè)參考信號(hào)，而在各UPS之間無(wú)須其他邏輯控制，以確保系統(tǒng)得到獨(dú)立和隔離。

??? LBS同時(shí)監(jiān)視兩條母線上的UPS輸出頻率及相位。一旦發(fā)現(xiàn)它們超出同步跟蹤范圍（例如1°，可調(diào)）時(shí)，LBS激活，內(nèi)部控制對(duì)預(yù)先通過(guò)LBS選擇為MASTER（主機(jī)）的UPS繼續(xù)跟蹤市電，而另一條母線上的UPS將通過(guò)LBS的控制，對(duì)MASTER進(jìn)行跟蹤，當(dāng)兩條母線上的UPS系統(tǒng)同步跟蹤5s后，LBS再回到同時(shí)跟蹤兩套UPS頻率及相位的工作狀態(tài)。

3.2??? LBS的四大優(yōu)點(diǎn)

??? 1）LBS組成的雙母線同步跟蹤供電系統(tǒng)的可維護(hù)性和容錯(cuò)性能得到了進(jìn)一步的改善??? 對(duì)于雙母線供電系統(tǒng)，當(dāng)需要對(duì)某一條輸出母線及母線上的開(kāi)關(guān)等進(jìn)行維護(hù)或需要系統(tǒng)增容時(shí)，用戶可隨時(shí)將由第一條母線上的配電柜轉(zhuǎn)由第二條母線上UPS供電。這意味著，不停電就可進(jìn)行負(fù)載母線的維護(hù)，而單機(jī)運(yùn)行、并機(jī)運(yùn)行、串聯(lián)熱備份運(yùn)行方式，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)不停電維護(hù)的?？梢?jiàn)，LBS對(duì)于解決“點(diǎn)故障”更為可靠。

??? 2）LBS是解決真正的“雙母線供電系統(tǒng)”最經(jīng)濟(jì)最簡(jiǎn)單的辦法??? 兩臺(tái)UPS及一個(gè)LBS就可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單又高可靠的冗余供電系統(tǒng)，而完全無(wú)需許多用戶認(rèn)為必須的系統(tǒng)控制柜、外置維修旁路柜等設(shè)備。對(duì)于大型的應(yīng)用，用戶在LBS每條母線端可選用并機(jī)冗余UPS系統(tǒng)。

??? 3）LBS及靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)所組成的系統(tǒng)比串聯(lián)熱備份供電系統(tǒng)更為可靠??? 這是因?yàn)樗娜哂?，由供電到?fù)載前端的母線，我們稱(chēng)作“點(diǎn)冗余”。利用LBS及靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，即使對(duì)于單輸入的負(fù)載，也可方便地實(shí)現(xiàn)雙母線供電的功能。同時(shí)，對(duì)維護(hù)人員而言，減小了因須停電維護(hù)而對(duì)重要負(fù)載造成的危機(jī)及損失。還要指出的是，電氣獨(dú)立的配電方式確保第一條母線上的某個(gè)負(fù)載的故障完全不會(huì)影響其他負(fù)載。對(duì)至關(guān)重要的負(fù)載設(shè)備仍然可由第二套UPS及配電系統(tǒng)連續(xù)供電。

??? 4）LBS系統(tǒng)允許Hipulse系列UPS與另一任何牌子的新的或正在運(yùn)行的同容量UPS系統(tǒng)共同組成雙母線供電系統(tǒng)??? 設(shè)計(jì)者可以在一套已有的多機(jī)并機(jī)UPS系統(tǒng)上，再加一臺(tái)新的UPS單機(jī)實(shí)現(xiàn)上述可靠性高的雙母線冗余供電系統(tǒng)。這不但節(jié)省了投資，而且使至關(guān)重要的負(fù)載得到了最可靠、利用率最高、最安全的UPS系統(tǒng)供電。

4??? STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

4.1??? 艾默生靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（STS）概述

??? 艾默生的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（STS）是一種固態(tài)的、三極、雙位的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，如圖2所示。STS設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)同步三相交流電源之間進(jìn)行不間斷（<5ms）轉(zhuǎn)換。兩路交流電源的幅度、頻率和相位差應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。STS的主要作用是在一路輸入電源發(fā)生故障或需要檢修、測(cè)試時(shí)，實(shí)現(xiàn)從一路電源到另一路電源之間真正的不間斷的轉(zhuǎn)換,禁止接入兩路會(huì)產(chǎn)生回流的輸入電源。STS可以通過(guò)控制面板設(shè)定其中任意一路輸入電源為主電源，另一路輸入電源為備用電源。只有在主電源故障或手動(dòng)復(fù)位的情況下，STS才會(huì)自動(dòng)在5ms內(nèi)從主電源切換到備用電源。STS的兩路靜態(tài)開(kāi)關(guān)是嚴(yán)格互鎖的，STS內(nèi)還裝有手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)，在STS需要檢修時(shí)，可以手動(dòng)地將輸入電源切換到旁路開(kāi)關(guān)。進(jìn)行手動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)可保證輸出不間斷。

圖2??? STS內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4.2??? STS的工作模式

??? STS的所有的轉(zhuǎn)換都是快速的先斷后合，主電源及備用電源之間不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，所有的轉(zhuǎn)換都在<5ms的時(shí)間內(nèi)完成。

4.2.1??? 正常工作模式

??? 在正常工作狀態(tài)下，主電源處于正常的電壓范圍內(nèi)，負(fù)載一直連接于主電源。在主電源發(fā)生故障時(shí)，負(fù)載自動(dòng)切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動(dòng)切換到主電源。

4.2.2??? 過(guò)流抑制模式

??? 在STS感應(yīng)的負(fù)載電流超過(guò)預(yù)先設(shè)定的過(guò)流值時(shí)，表示有沖擊電流或者過(guò)載，這時(shí)即使主電源電壓超出正常的電壓范圍，STS也不發(fā)生轉(zhuǎn)換。在負(fù)載電流恢復(fù)到正常值時(shí)，過(guò)流抑制模式自動(dòng)復(fù)位，STS恢復(fù)到正常的工作模式。

4.2.3??? 手動(dòng)轉(zhuǎn)換

??? 在備用電源電壓處于正常的電壓范圍內(nèi)，且備用電源與主電源間的相位差處于允許的范圍內(nèi)。STS可以手動(dòng)地在兩路電源之間進(jìn)行切換。

4.2.4??? 緊急轉(zhuǎn)換

??? 為了保證負(fù)載電源供給不中斷，在負(fù)載連接的電源中斷時(shí)，STS將自動(dòng)在5ms內(nèi)轉(zhuǎn)換到另一路電源。緊急轉(zhuǎn)換優(yōu)先任何轉(zhuǎn)換或者抑制。

4.2.5??? 晶閘管故障

??? 為了確保正常運(yùn)行，STS不停地監(jiān)視晶閘管（SCR）的狀態(tài)。當(dāng)供給負(fù)載電源的SCR發(fā)生短路時(shí)，STS將自動(dòng)報(bào)警提示，并迅速打開(kāi)另一路電源的隔離開(kāi)關(guān)。當(dāng)有SCR開(kāi)路時(shí)，STS將自動(dòng)報(bào)警，切換先前打開(kāi)的隔離開(kāi)關(guān)。所有的開(kāi)路和短路報(bào)警都將被鎖定，要求系統(tǒng)進(jìn)行維修并復(fù)位到原先的正常工作狀態(tài)。

4.2.6??? 維修旁路

??? STS裝有互鎖的維修旁路開(kāi)關(guān)，STS可以通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)不間斷地切換到任一路輸入電源，以便于維修。在維修時(shí)，STS的輸入、輸出和旁路的電源接線端子都應(yīng)被隔離，以便在系統(tǒng)處于旁路時(shí)，安全維護(hù)STS內(nèi)的任何組件。

5??? 結(jié)語(yǔ)

??? UPS雙母線一體化配電方案是艾默生結(jié)合了該電力系統(tǒng)的具體情況，在對(duì)場(chǎng)地和設(shè)施作了全面的考慮后提出的。應(yīng)用這套方案系統(tǒng)將得到穩(wěn)定、高效、安全的24h不間斷電力支持，堪稱(chēng)最新專(zhuān)業(yè)機(jī)房系統(tǒng)的典范。