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產品之時,客戶的第一關注點必然是可靠性。對UPS來說,更高的效率意味著更低的發熱量,根據阿列紐斯理論(Arrheniustheory),認為溫度每上升10℃,電子產品(例如電容、半導體器件)的壽命減半,發熱量的降低將對器件內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℃時不能連續工作)等方面作犧牲,以保障內部溫度在可接受的范圍之內。

(2)響應國家節能減排政策

2013年初,工信部聯合五部委共同出臺《關于數據中心建設布局的指導意見》[工信部聯通(2013)13號],要求新建數據中心PUE值達到1.5以下,原有改造的數據中心PUE值下降到2以下;而UPS系統的損耗是數據中心能耗的主要組成部分,大約占到數據中心能耗的6%～10%,數據中心要做到較低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)客戶節約電費的需求

以一個中型數據中心為例,假設IT負載為500kW,A系列UPS效率為93%,B系列UPS效率為96%,空調能效比(EER)為3:1。根據以上條件,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約10%～20%的電能費用,可見高效UPS給企業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門檻,全球各地出臺了針對各類產品的節能認證標準,如中國的CQC“節能產品認證”、美國的“EnergyStar”,以上兩者是當地政府部門強制性認證,沒有通過相關認證的產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認證的產品,客戶可以在購買產品的第一年申請100%的稅收減免。此類節能認證極大的提升了高效產品的競爭力,也說明了各國對產品高效性能的重視。

(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。結合圖2的曲線,不難得出以下結論:讓UPS始終工作在效率最高負載區間,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間,甚至存在負載率極低,導致UPS效率極低的情況。

①超前規劃

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

②冗余配置

為保障可靠性,供配電系統需要冗余配置,常采用N+1配置,部分核心負載甚至采用2N或2(N+1)配置,保證供配電系統任何一條線路出現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自身產生的損耗,最終轉化為熱量或輻射等;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損耗構成的基本規律。

(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,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,占據了42%,其次是IGBT和SCR的驅動以及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,可以選擇更優的拓撲結構。

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。由于自身結構和工作特性不同,器件損耗構成各有不同。

①IGBT

IGBT的損耗由導通損耗和開關損耗構成。

導通損耗等于導通電流ICE和正向導通壓降UCE的乘積

Pconductloss-IGBT=UCE-on×ICE

開關損耗分為開通和關斷損耗,可以用單次通斷的能量損耗(Eon或Eoff)乘以開關頻率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、開關損耗小的型號。由于通常導通壓降低和開關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。

隨著半導體技術的發展,IGBT也逐漸呈現高效化的趨勢,新一代的IGBT通常比上一代損耗降低,所以優先挑選采用最新技術的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的反并聯二極管也會產生損耗,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損耗構成,導通損耗等于正向導通電流IF和正向導通壓降UF的乘積:

Pconductloss-diode-REC=UF×IF

開關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頻率的高頻電流。由于集膚效應的存在,開關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速的立方成正比,所以在不同負載段適當調整風扇轉速,可以降低各負載段的風扇損耗。

(2)優化拓撲結構,降低損耗

除了以上討論的降低器件損耗外,通過優化UPS的拓撲結構也可以降低損耗。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,現在常用的二極管箝位型三電平拓撲與傳統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器件的導通損耗、開關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VT1～VT4的驅動信號ugVT1～ugVT4與輸出電壓uo、電流io關系示意圖。開關動作情況可根據uo、io的方向分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個區域。ugVT1～ugVT4與uo、io的關系由圖10可以看出,在Ⅰ區域中,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在一個開關周期中的變化,則Ⅰ區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區域器件消耗的總開關損耗能量;EconⅠ+為Ⅰ區域輸出高電平時,器件消耗的總導通損耗能量;EconⅠ0為Ⅰ區域輸出零電平時,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區域導通器件示意圖忽略io在一個開關周期中的變化,則Ⅱ區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區域器件消耗的總開關損耗能量;EconⅡ+為II區域輸出高電平時,器件消耗的總導通損耗能量;EconⅡ0為Ⅱ區域輸出零電平時,器件消耗的總導通損耗能量。分析可知,Ⅲ區域與Ⅰ區域,Ⅳ區域與Ⅱ區域分別為對偶關系,所以Ⅲ區域的器件損耗與Ⅰ區域相同,Ⅳ區域的器件損耗與Ⅱ區域相同,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uo和io的方向,將開關動作情況分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個區域,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。

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%。可以看出,選擇更優的拓撲可以顯著提高效率。

(3)采用模塊化UPS降低系統損耗

選用模塊化的優點如下:

①按需擴容

模塊化UPS的一大優勢在于可在線擴容,這種設計使得客戶不必過于超前規劃UPS系統的容量,而可以在適合的范圍內接近負載容量,從而達到最好的效率點。

②模塊冗余

UPS系統的可靠性是客戶非常看重的指標。一般來說,N+1冗余系統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象。智能休眠的示意圖如圖12所示。UPS將根據目前所處負載情況,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,使得系統效率得以提升。且原有系統負載率越低,節能效果越顯著。以負載率為20%的3+1模塊冗余系統為例,通過智能休眠功能,系統將休眠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EER=3:1,休眠前后的節能對比見表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 結束語

當今業界UPS最高效率普遍可以達到96%甚至更高,但是提升UPS效率仍然是整個業界一直持續追求的,選用優質器件、更優的拓撲是提升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工作在最佳效率區間。

文章來源：ups維修http://m.0662ch.com/solve_ups.asp