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),認為溫度每上升10℃,電子產(chǎn)品(例如電容、半導體器件)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,從而提高器件本身的壽命。

當然,高效只是影響UPS內(nèi)部溫度的主要因素之一,還要綜合考慮機器本身的散熱設計。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)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)中心建設布局的指導意見》[工信部聯(lián)通(2013)13號],要求新建數(shù)據(jù)中心PUE值達到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,必須選擇運行效率更高的UPS。圖1給出了不同類型UPS對PUE貢獻的差異。

(3)客戶節(jié)約電費的需求

以一個中型數(shù)據(jù)中心為例,假設IT負載為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可節(jié)約10%～20%的電能費用,可見高效UPS給企業(yè)帶來的收益是很可觀的。

(4)認證門檻的要求

為應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)能認證標準,如中國的CQC“節(jié)能產(chǎn)品認證”、美國的“EnergyStar”,以上兩者是當?shù)卣块T強制性認證,沒有通過相關(guān)認證的產(chǎn)品不能進入政府采購名單。如英國的ECA認證,要求200kVA以上UPS滿載效率做到96%,針對具備ECA認證的產(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)負載率對效率的影響

負載率對UPS的效率影響很大。如圖2所示,一般情況下,UPS的效率會隨著負載率的提高而提高,并且會在負載率達到70%時達到效率最高點。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載區(qū)間,是提升UPS效率的可行手段。然而實際場景中,存在以下因素,使得UPS負載率無法工作在最佳負載區(qū)間,甚至存在負載率極低,導致UPS效率極低的情況。

①超前規(guī)劃

因為供配電系統(tǒng)不易改造,機房在規(guī)劃時會考慮到未來3～5年的業(yè)務擴容,常常需要提前規(guī)劃好擴容容量的供配電系統(tǒng);圖3給出了超前規(guī)劃降低UPS負載率。

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)問題時都不會導致負載掉電;采用圖4給出了冗余配置降低系統(tǒng)負載率。

③機房設計時不可能按照100%負載率進行設計,一般情況下,負載率不會超過80%。

因為以上所講的三個原因,一般情況下,UPS實際負載率低于40%,冗余越高的,負載率越低(見圖4),一些機房UPS負載率會低到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)的拓撲結(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的損耗由導通損耗和開關(guān)損耗構(gòu)成。

導通損耗等于導通電流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損耗需要選擇導通壓降低、開關(guān)損耗小的型號。由于通常導通壓降低和開關(guān)損耗小無法同時選擇,所以需要判斷實際電路中導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以配合電路實際工作特性,以求達到損耗最小。

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通損耗和開關(guān)損耗構(gòu)成,導通損耗等于正向?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,需要挑選導通壓降小和反向恢復快的二極管。

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,所以設計時如果開關(guān)頻率較高,需要用多股細線并繞來降低集膚效應的影響。

④風扇

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

(2)優(yōu)化拓撲結(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的拓撲結(jié)構(gòu)也可以降低損耗。在UPS領域,大量應用多電平拓撲。相對于以前使用的兩電平拓撲,現(xiàn)在常用的二極管箝位型三電平拓撲與傳統(tǒng)兩電平拓撲逆變器相比,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撲。電路主要損耗為開關(guān)器件的導通損耗、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,為便于計算,基于A相單相橋臂進行損耗分析。

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方向為負,即流入變換器。當輸出高電平時,VD1,VD2導通;當輸出零電平時,VD5,VT3導通。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,器件消耗的總導通損耗能量;EconⅠ0為Ⅰ區(qū)域輸出零電平時,器件消耗的總導通損耗能量;f為輸出電壓頻率。在Ⅱ區(qū)域中,io方向為正,即流出變換器。當輸出高電平時,VT1、VT2導通,輸出零電平時,VD6、VT2導通。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體器件損耗功率為

PⅡ=f(EswⅡ+EconⅡ++EconⅡ0)

式中,EswⅡ為Ⅱ區(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,器件消耗的總導通損耗能量;EconⅡ0為Ⅱ區(qū)域輸出零電平時,器件消耗的總導通損耗能量。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

兩電平逆變器拓撲如圖11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)

各分量計算與三電平對應,但需修改相應的損耗參數(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用條件下的損耗和效率。

按照以下給定值計算: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);兩種拓撲逆變器驅(qū)動電阻Rg=5Ω,工作溫度Tj=125℃。理論計算,當fs=10kHz時,三電平逆變器效率比兩電平逆變器提高1.7%;當fs=20kHz,三電平逆變器效率可提高2.79%?？梢钥闯?選擇更優(yōu)的拓撲可以顯著提高效率。

(3)采用模塊化UPS降低系統(tǒng)損耗

選用模塊化的優(yōu)點如下:

①按需擴容

模塊化UPS的一大優(yōu)勢在于可在線擴容,這種設計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)接近負載容量,從而達到最好的效率點。

②模塊冗余

UPS系統(tǒng)的可靠性是客戶非?？粗氐闹笜?。一般來說,N+1冗余系統(tǒng)可以滿足大部分應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,但是會導致初期投資較高,并且也會讓負載率低于50%,采用模塊化機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器的負載率,使得系統(tǒng)效率得以提升。且原有系統(tǒng)負載率越低,節(jié)能效果越顯著。以負載率為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臺機器負載率達到40%,且這種情況下UPS系統(tǒng)仍保留冗余,即保障1臺機器故障時,剩余1臺機器仍可正常帶載運行。仍以500kW負載為例,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

當今業(yè)界UPS最高效率普遍可以達到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)的拓撲是提升UPS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:///solve_ups.asp