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图41两路市电与单一备用发电机切换 图42 两路市
时间:2020-07-10 02:57

  图41两路市电与单一备用发电机切换 图42 两路市电与多台备用发电机切换 可考虑分散风险依负载优先级增加自动切换开关数量以延时切换功能排定切换顺序 市电1或市电2停电时不启动发电机 由ATS1切换至供电之市电1或市电2 市电1及市电2全部停电时发电机启动 ATS2切换至发电机端。 两路市电间以开关互

  图41两路市电与单一备用发电机切换 图42 两路市电与多台备用发电机切换 可考虑分散风险依负载优先级增加自动切换开关数量以延时切换功能排定切换顺序 市电1或市电2停电时不启动发电机 由ATS1切换至供电之市电1或市电2 市电1及市电2全部停电时发电机启动 ATS2切换至发电机端。 两路市电间以开关互连达到两路市电互为备用目的 任一市电可供电时不启动发电机 ATS不切换 两路市电均停电时才启动发电机依负载优先级切换至发电机端 任一市电复电稳定后切换开关自动回切至市电侧 自动切换开关发送停止信号使备用发电机经冷车运转后停机 与前述各方案比较此方案正常侧及紧急侧均采冗余配置可提供最佳供电可靠度。 数据中心UPS系统UPS是一种利用电池化学能作为后备能量 在市电断电或发生异常等电网故障时 不间断地为用户设备提供 交流 电能的一种能量转换装置 正式名称为不间断供电系统 Uninterruptible Power System 。UPS的设计和选型对于数据中心供电系统的建设具有核心的意义。 UPS分类及定义根据中华人民共和国国家标准《不间断电源设备 第3部分 确定性能的方法和试验要求》GB 07260—2003的附录B定义 将UPS运行分为 双变换运行、互动运行、后备运行等三类运行方式 即UPS行业广为熟悉的双变换UPS、互动UPS、后备UPS等三种。我国的国标GB 7260等同国际电联标准IEC 62040 Uninterruptible Power System UPS 也等同欧洲标准EN 62040 2001。 双变换UPS国标GB 07260—2003定义为“在正常运行方式下 由整流器 逆变器组合连续地向负载供电。当交流输入供电超出了UPS预定允差 UPS单元转入储能供电运行方式 由蓄电池 逆变器组合在储能供电时间内 或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前 按两者之较短时间 连续向负载供电”。 同时国标强调 避免使用“在线”一词 防止定义混淆 而只使用术语“双变换”。下图为国标GB 07260—2003对在线UPS的定义与说明 互动UPS国标GB 07260—2003定义为 “在正常运行方式下 由合适的电源通过并联的交流输入和UPS逆变器向负载供电。” 国标GB 07260—2003特别强调 “逆变器或者电源接口的操作是为了调节输出电压和 或给蓄电池充电 UPS输出频率取决于交流输入频率。” 后备UPS国标GB 07260—2003定义为 在正常运行方式下 负载由交流输入电源的主电源经由UPS开关供电。可能需结合附加设备 例如铁磁谐振变压器或者自动抽头切换变压器 对供电进行调节。这种UPS通常称为“离线UPS”。 后备式UPS如国标、IEC、EN等标准所言 后备式UPS电源的功率变换主回路的构成比较简单。市电正常时 UPS一方面通过滤波电路向用电设备供电 另一方面通过充电回路给后备电池充电。当电池充满时 充电回路停止工作 在这种情况下 UPS的逆变电路不工作。当市电发 生故障 逆变电路开始工作 后备电池放电 在一定时间内维持UPS的输出。主要由充电器 逆变器 输出转换开关和自动电压调压等部分构成。 图43 后备式UPS原理框图 充电器 市电存在时 对蓄电池充电 如果是长延时UPS 就要求它有较强的充电能力 或者外加相应容量的附加充电器。 DC AC逆变器 市电存在时 逆变器不工作 市电掉电时 由它将直流电压 电池供给 变成符合负载要求的交流电压 电压波形有方波、准方波、正弦波三种形式。 输出转换开关 市电存在时 接通输入电源向负载供电 市电掉电时 断开电网 接通逆变器 继续向负载供电。 自动电压调压 实质上是一个变压器装置 可自动进行升压和降压的设置。因此可以拓宽UPS在市电状态下的工作范围 通常以可选件的形式存在。 后备式UPS的性能特点 当市电正常且输出带载时效率高可达98 以上 当市电正常且输出带载时输入功率因数和输入电流谐波取决于负载电流 当市电存在时输出电压稳定精度差 但能满足负载要求 市电掉电时输出有转换时间 一般可做到4 10ms左右 足以满足普通负载要求 但对于服务器等用电设备存在一定的风险 市电掉电时后备时间一般不长 一般为分钟级别 无论市电工况还是电池工况整机抗干扰能力较差 电路简单成本低 可靠性高 由于输出有转换开关受切换电流能力和动作时间的限制 UPS输出功率做大有一定困难 当前面市的后备式UPS多在2KVA以下。 互动式UPS双向变换器式UPS 市电正常 交流电通过工频变压器直接输送给负载 当市电超出上述范围 在150 276V之间时 UPS通过逻辑控制 驱动继电器动作 使工频变压器抽头升压或降压 然后向负载供电。若市电低于150V或高于276V UPS将启动逆变器工作 由电池逆变向负载供电。在市电在150 276V之间时 身兼充电器 逆变器的变换器同时还给电池充电 处于热备份状态 一旦市电异常 马上就转换为逆变状态 为负载供电。 图44 双向变换器UPS原理图 双向变换器式UPS与后备式UPS的区别是“双向变换器” 当市电存在时 “双向变换器”的工作状态是AC DC 给电池充电并浮充 市电掉电后 其工作状态为DC AC 由电池供电 保持UPS继续向负载供电。变换器时刻处于热备份状态 市电 逆变切换时间比后备式要短 同时兼顾了对电池充电的功能 提高了后备式UPS的功率容量 减小了市电掉电时的转换时间 提高了对输出电压的滤波作用。 双向变换器式UPS性能特点是 当市电正常时效率高 可达98 以上 当市电存在时输入功率因数和输入电流谐波成份取决于负载电流 市电掉电时因为输入开关存在开断时间 至使UPS输出仍有转换时间 但比后备式要小 市电存在时输出电压稳定精度差 市电存在时因为逆变器直接接在输出端 并且处在热备份状况 对输出电压尖峰干扰有滤波作用 充电器逆变器共用使电路更简单 成本低 可靠性高 逆变器同时有充电功能省掉了后备式UPS的附加充电器 其充电能力要比附加充电器强的多 当要求长延时供电时 无须再增加机外充电设备 此外 业界还有一种设计十分独特的UPS 把交流稳压技术中的电压补偿原理用到了UPS的主电路中 一般称之为Dalta变换式UPS。 Dalta变换式UPS Delta UPS实际相当于一台串联调控型的交流稳压电源 它的主要功能是对市电进行稳压处理 将原来不稳定普通市电电源变成电压稳压精度为380V 的交流稳压电源。其控制原理与利用“伺服电机”来调节碳刷的位置来进行“电压补偿”的“全自动补偿方式”交流稳压电源的控制原理相同。其重大改进是采用高频脉宽调制技术和利用双向能量传递特性的“四象限”变换器Detla变换器和主输出变换器 来取代易于产生机械磨损的伺服电机和碳刷调节系统。 图45 Dalta变换式UPS原理图 Delta 逆变器 图中逆变器 充电器 它是一组DC AC和AC DC双向逆变器 它的输出变压器 高频 的副边串联在UPS主电路中 其功能有三个 对UPS输入端进行输入功率因数补偿并抑制输入电流谐波 与主逆变器一起完成对输入电压的补偿 当输入电压高于输出电压额定值时 Delta 逆变器吸收功率 反极性补偿输入输出电压的差值 当输入电压低于输出电压额定值时 Delta 逆变器输出功率 正极性补偿输入输出电压的差值 与主逆变器一起完成对电池的充电和浮充功能。主逆变器 该逆变器同样是DC AC和AC DC双向逆变器 它的功能有四个 同Delta逆变器一起 完成对输入输出电压差值的补偿 同Delta逆变器一起完成对电池的充电和电压浮充功能 随时监测输出电压保证输出电压的稳定 对输出电压波形失真和输出电流谐波成份进行补偿 使其不对电网产生影响 当市电掉电时全部输出功率由主逆变器给出 并且保证输出电压不间断 转换时间为零。 Dalta变换式UPS的性能特点如下 因为主逆变器随时监视控制输出电压并通过Delta 逆变器参与主回路电压的调整 所以不管市电有无 都可以向负载提供高质量的电源 主要电气指标在稳态时比较好 市电掉电时输出电压不受响应 没有转换时间。并且 当负载电流发生畸变时 也由主逆变器调整补偿掉 当市电存在时Delta 逆变器和主逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿 逆变器承担的最大功率 当输入电压处于上限和下限时 仅为输出功率的20 相当于输入电压变化范围 所以功率强度很小 功率余量大这就大大增强了UPS的输出能力 Delta逆变器同时完成了对输入端的功率因数校正功能 使输入功率因数等于1 输入谐波电流降到3 以下。在市电存在时 由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的 无法对频率和相位进行补偿因此严格说来该型UPS不是VFI 电压频率独立 型供电设备 无法完全隔离市电从而无法从根本上解决市电上的谐波污染 比如 频率异常、浪涌、噪声等 将直接输入到重要负载 该型UPS对稳态的市电异常补偿十分精确但对偶发的市电异常 比如“瞬态过压”或“频率突变” 可能会出现严重的工作异常 电路和控制系统复杂工况众多 可靠性一般。 通过分析完上述两种类型的UPS 可以发现如果严格按照GB 07260 2003IEC62040 1999对UPS类型的定义双向变换器式UPS应该划入后备式UPS一类 而Dalta变换式UPS才是互动式UPS。 双变换式UPS整流器逆变器静态开关电池旁路交流输入整流交流输入UPS交流输出 图46 双变换式UPS原理图 市电正常供电时 交流输入经AC DC变换100 转换成直流 一方面给蓄电池充电 另一方面给逆变器供电 逆变器自始至终都处于工作状态 将直流电压经DC AC逆变成交流电压给用电设备供电。 整流器 交流市电输入经过整流器转换为直流电 给电池的充电 并通过逆变器向负载供电 逆变器该逆变器为DC AC单向逆变 当市电存在时 它由整流器取得功率后再送到输出端 并保证向负载提供高质量的电源 当市电掉电时 由电池通过该逆变器向负载供电。 静态开关 正常时处在旁路侧断开 当逆变电路发生故障或者当负载受冲击或故障过载时 逆变器停止输出 静态开关逆变侧关闭 旁路侧接通 由电网直接向负载供电。 双变换式UPS的性能特点如下 双变换式UPS具有优越的电气特性由于采用了AC DC、DC AC双变换设计 可完全消除来自于市电电网的任何电压波动、波形畸变、频率波动及干扰产生的任何影响。 同其他类型UPS相比由于该型UPS可以实现对负载的稳频、稳压供电 供电质量明显优势 市电掉电时输出电压不受任何影响 没有转换时间 器件、电气设计成熟应用广泛 整流器在工作时会引起输入电源质量变差因此需要采取谐波治理方案 数据中心UPS供电方案UPS应用中 通常有五种供电方式 双母线N 供电方案。此外 近年来三总线和Catcher Bus的供电方案在某些大型数据中心供电系统的建设中也屡见不鲜。 单机供电方案单机工作供电方案为UPS供电方案中结构最简单的一种 就是单台UPS输出直接接入用电负荷。 一般使用于小型网络、单独服务器、办公区等场合 系统由UPS主机和电池系统组成 不需要专门的配电设计和工程施工 安装快捷 缺点是可靠性较低。 热备份串联供电方案串联备份技术是一种比较早期、简单而成熟的技术 它被广泛地应用于各个领域 UPS串联备份的定义是 备机UPS的逆变器输出直接接到主机的旁路输入端 在运行中一旦主机逆变器故障时能够快速切换到旁路 由备机的逆变器输出供电 保证负载不停电。 在各种UPS技术资料中 串联备份的英文为Series Configuration或Isolated Redundant。在中文里串联也有称热备份 简称串联。UPS串联的特点是 两台UPS均为完整的具有独立旁路的在线式UPS单机。两台UPS除了电源线的连接外不需要其他信号的连接。在正常情况下 主机100 的给负载供电 组成串联系统的UPS必须具有如下技术条件在线式UPS电源 这样逆变器才能保持和旁路的同步 UPS具有整流器和旁路双重输入端 UPS能够承受100 的负载跳变。 方案优点 结构简单、安装方便 价格便宜 不同公司 不同功率的UPS也可串联。 方案缺点 不中断负载用电的扩容必须带电操作 十分危险 主从机老化状态不一致 从机电池寿命降低 当负载有短路故障时 从机逆变器容易损坏。 市电 负载 AC DC DC ACAC DC DC AC主机 主机旁路从机输出 图47 串联备份方案 直接并机供电方案直接并机供电方案是将多台同型号、同功率的UPS 通过并机柜、并机模块或并机板 把输出端并接而成。目的是为了共同分担负载功率。其基本原理是 正常情况下 多台UPS均由逆变器输出 平分负载和电流 当一台UPS故障时 由剩下的UPS承担全部负载。并联冗余的本质 是UPS均分负载。实现组网型式多有N N台工作一台冗余 或者M M台工作N台冗余 市电负载 AC DC DC ACAC DC DC AC主机 从机输出并机逻辑控制 图48 并联供电方案 要实现并联冗余 必须解决以下技术问题 各UPS逆变器输出波形保持同相位、同频率 各UPS逆变器输出电压一致 各UPS必须均分负载 UPS故障时能快速脱机。 方案优点 多台UPS均分负载 可靠性大大提高 扩容相对以前方案方便很多 正常运行均分负载 系统寿命和可维护性大大提高。 方案缺点 控制负载 成本增加 在并机输出侧依然具有单点故障。 模块并联供电方案所谓模块并联供电方案实质上就是直接并机供电的解决方案的一种 只不过其具体的实现方式和传统的直接并机供电方案有所不同 模块化UPS包括机架、可并联功率模块、可并联电池模块、充电模块等 见下图 图49 模块并联UPS供电方案 模块并联供电方案的特点 由机架、UPS功率模块、电池模块、配电系统组成 功率模块配置为N 1冗余 减少了维护时间 共用输入、亚博体育买球app!输出、并联的电池系统、控制系统 双母线N 供电方案 早期应用于数据中心的UPS供电方案多为单机方案或UPS串 并联方案 均存在输出单点故障瓶颈问题。输出的配电系统 包括开关跳闸、保险烧毁、电路短路等供电回路故障往往很大程度上影响UPS系统供配电的可靠性 为保证机房UPS供电系统可靠性 2N或 的系统开始在中大型数据中心中得到了规模的应用在业界经常也被称之为双总线或者双母线N供电方案由两套独立工作的UPS、负载母线同步跟踪控制器 LBS Load Bus Synchronization 、一至多台静态切换开关系统 STS Static Transfer Switch 、输入、输出配电屏组成。 配电柜配电柜LBS电池UPS1UPS2单电源负载双电源负载STS电池母线母线配电柜配电柜LBS电池UPS1UPS2单电源负载双电源负载STS电池母线N供电方案 该方案特点如下 考虑到系统实现的成本数据中心的负载被分为两类 单电源 三电源负载 双电源负载。正常工作时 两套母线系统共同负荷所有的双电源负载 通过STS的设置 各自负荷一半的关键的单电源负载。因此 正常工作时两套母线 的负载 将其中的一套单机系统作为双总线系统的一根输出母线另外一套单机系统作为双总线的另一根输出母线 将两套母线系统输出通过同步跟踪控制器同步起来。 负载母线同步跟踪控制器 LBS 用于双总线UPS系统中 用来保证两套UPS输出系统的同步。如上述双总线系统图中 先设定任意一套UPS并机系统为主机 Master LBS同时监视两条母线上的UPS输出频率及相位。一旦发现它们超出同步跟踪范围 例如10 该参数可调 LBS激活内部控制对预先定义为Master的UPS继续跟踪市电 而另一条母线上的UPS将通过LBS的控制 对Master进行跟踪 从而实现两套系统同步。 即使是一套系统完全失效或者需要检修双电源负载因为有一根输出母线仍然有电所以会继续正常工作 而关键的单电源负载会通过STS零切换到另外一根输出母线也会正常工作。 静态切换开关系统 STS 用来为单路电源负载供电切换时使用 单电源负载接在STS 输出端上 STS两个输入端分别接在输入电源1和输入电源2 当其中一个系统供电母线上的任何设备或电缆发生故障或需要维护时 其负载可经转换时间1 4周波的静态转换开关切换至另一个系统供电。 图51 STS 原理图 区别于以前的供电方案系统的备份首先带来的是负载用电的可靠性的显著提升。除此之外 该方案具有优秀的开放性和良好的前瞻性 系统以后的扩容升级和维护也会显得十分方便。因为任何时候我们均可将其中的一套系统完全下电进行处理去处理维护或者扩容的问题。 双总线系统真正实现了系统的在线维护、在线扩容、在线升级 提供了更大的配电灵活性 满足了服务器的双电源输入要求。解决了供电回路中的“单点故障”问题 做到了点对点的冗余 极大增加了整个系统的可靠安全性 提高了输出电源供电系统的“容错”能力。 该方案建设成本相对较高在实际建设的过程中 需要注意可靠性和经济性的适当权衡。 三母线供电方案三总线系统是双总线供电系统的一种变异形式 系统最大安全带载率可由双总线 同时任具备双总线系统的可靠性等级。这样基本不损失可靠性的前提之下有效地降低建设成本。 CatcherBus供电方案 Catcher Bus 无需复杂的开关装置 STS负责供电切换最大负荷 N带载率从双总线 可实现系统节能减排。但相比于双总线 三总线系统 可靠性有所下降。