数字地球站UPS系统的设计与选型

互联网 | 编辑: 杨剑锋 2006-08-16 13:00:00转载
山东电视台地球站进行数字化改造，增加了大量设备。考虑到数字卫星设备的特点和其对供电系统的要求，同时也为了保证安全播出，决定购置UPS电源设备，对此我们进行了如下的设计和选型工作。

一、系统设计要求和选型原则

　　1、功率容量。功率容量决定了UPS的规模。根据站内现有的设备和今后设备的增容，并考虑到站内设备大多使用了开关式的电源，还有电动机等设备，功率因数不太好等因素，决定选用视在功率为40千瓦的UPS两台，构成一主一备工作方式。用这样的配置，完全可以满足大功率速调管高功放的工作要求，电池的后备工作时间可维持半个小时。如果使用功率较小的固态功放，供电时间则可大大延长。

　　2、输出电压规格。为保证天线伺服电机、速调管高功放等使用三相电源设备之用，选择了三相380V的电压输出方式。三相输出UPS使用灵活，三个输出各自独立，互不影响，可单独使用。大功率UPS具备三相输出较之单相输出的另一优势是，一旦UPS出现故障由旁路供电，三相负载可以平稳均衡地接入市电系统，避免了大功率负载接入市电某一单相引起三相电流不平衡对配电系统造成的冲击。

　　3、输出电压波形。UPS的输出电压波形不一定都是正弦形的，也可以是方波或梯形波的，或者是计算机级的正弦波。一般说来，总的谐波失真应小于3%。

　　4、在线方式。后备（离线）式平常工作在BYPASS状态，在线式的意思是逆变器始终处于工作状态，将外电经过处理后供给负载，只有在逆变器故障时才由BYPASS供电。纯在线是指纯粹结构上的在线，以区别性能上的在线。如果采用后备式的结构，但具有稳压稳频措施，倒换时间极为短促，则从供电质量上可以认为是在线式的。目前大功率UPS一般都是纯在线式的。

　　5、备份模式。优先考虑冗余并联均流工作模式。这种工作模式的优点是一台UPS停机对负载没有任何影响，其他正在运行的UPS会平均分担负载功率，负载继续得到正常供电。在系统发生过载的情况下，只要过载量没有超过所有正在运行的UPS总功率，系统仅仅是失去它的冗余备份，不影响工作状态。这种工作模式今后还可以方便地实现系统扩容。

　　6、双变换技术。双变换是说，AC-DC转换器先将市电交流电压转换成直流电压，向蓄电池和逆变器（DC-AC）转换器供电，逆变器再将直流电转换成交流电压。

　　7、高输入功率因数。新一代的UPS采用先进的PFC控制技术，使得在满载输出时，输入功率因数仍可大于0.95，极大降低了对市电电网的谐波污染，是真正的绿色电源。

　　8、合适的输出功率因数。大功率UPS的负载功率因数通常为0.8左右，当然越高些越好，只是越高越不容易实现。功率因数大些，可以减少无功电流的来回流动。

　　9、效率优化。有些容量较大的UPS除了采取纯在线运行模式外，还具有经济运行（旁路优先）模式。在设置为经济运行模式时，UPS的工作效率可高达98%以上。使用经济运行模式的前提条件是市电状况比较稳定，UPS所带的负载通过旁路电源来供电，整流器只向电池提供充电电流，逆变器虽然工作但处在备用状态。一旦旁路电源的质量劣于设定的范围，旁路开关动作，由逆变器向负载供电，旁路电源正常后，仍由旁路电源向负载供电。经济运行模式可以节省能源，降低运行成本。

　　10、逆变器。采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transister)绝缘栅双极晶体管。IGBT是MOSFET与GTR的复合器件，见下图。它兼有MOSFET工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热稳定性好的特点和GTR载流量大、阻断电压高等优点。目前的大功率UPS通常都采用此器件作为逆变器中的功率器件。



　　11、过载能力。在无故障的情况下启动负载时，都会有瞬时的过载现象发生。因此，UPS应有相当的抗过载的能力，也就是在短时过载的情况下能维持一段时间，且不作故障状态处理。

　　12、输出电压质量。无论主交流电源或负载怎样波动（停电、负载阶跃变化等），输出电压的幅值和频率都是稳定的，并且没有任何间断和超标的情况。分为两种，一是静态电压稳定度，一般是指0~100%负载变化时输出电压波动的范围，也有的定义为输出电流从额定值的10%变化到100%，在输入电压稳定时，输出电压波动的幅度；二是动态电压稳定度，定义为负载电流发生100%变化时，输出电压的变化率。

　　13、噪声。一般是指以UPS为中心，以1米为半径，高度为1.3米处测得的噪声分贝数。要想将UPS放在机房里，且不至于太吵，则噪声值应小于55dBA。

　　14、抗外电波动或冲击的性能。

　　①抗电压浪涌。是指在一个周期或多个周期内，电压超过了额定值的110%。这往往由于电路中某个部位电流突然中止，感性元件中激起反电势所致。

　　②电压尖峰。是指在二分之一周期至五个周期之间叠加的超过6000V的脉冲电压，主要原因是雷电、电弧、开关操作、静电放电等。

　　③电压瞬变。是指在二分之一周期至五个周期之间叠加的超过20KV的脉冲电压，主要原因同电压尖峰，只是量上有区别。

　　④噪声电压。是指叠加在市电上的低幅度、频率范围很宽的电压分量，引起的原因很多。

　　⑤过压。是超过额定值一定百分比的高电压。通常是接线错误或线路负荷过轻所致。

　　⑥电压跌落。是指在一个或多个周期内电压低于80~85%额定电压。主要原因是重型设备的启动所致。

　　⑦欠压。是低于额定值一定百分比的低电压。通常是线路负荷过重所致。

UPS应具有足够的、有效的措施来对抗上述的外电波动或冲击。

　　15、对输入电压的变化有较强的适应能力。表现在两个方面，一是针对输入电压的波动，如使用农用电时，UPS应有较宽的适应范围；二是针对输入交流电频率的波动，如使用燃油动力发电机时，UPS也应有较宽的适应范围。

　　16、平均无故障工作时间（MTBF）

　　如果UPS机组能无故障地使用十年，则在双机并联的条件下，单机的平均无故障工作时间不得少于20万小时。

二、设备考察情况

　　按照我站UPS系统的设计和选型要求，通过市场考察，认为比较理想的有A（法国）、B（意大利）、C（德国）、D（美国）、E（意大利）五个品牌的产品。根据几个商家提供的技术资料，可以归纳出当前大功率UPS设备的技术特点：

　　1、采用IGBT作为逆变功率器件。该器件的应用大大提高了逆变的可靠性和逆变的效率，谐波分量进一步降低。

　　2、高档的UPS产品都无一例外地采用了纯在线、双变换的工作模式，可以全面地解决电源断电、电压跌落、电压浪涌、减幅振荡、电源干扰、电源尖峰、频率波动、交换瞬变以及谐波失真带来的问题，保证了输出电压和频率的稳定，也减小了逆变启动时的相位差。

　　3、采用数字控制技术。提高了可靠性和瞬态反应速度，克服了模拟控制的缺点。且数字控制集成度高、控制模块小、模块间的连线也少，因而可靠性高。比如逆变器的输出电压不会明显受到负载特性的瞬间过大变化的影响，主要归功于采用了PWM（脉冲调制）斩波技术和基于微处理器的调整控制系统，它们会及时补偿输出电压的任何变化。尤其对负载由0％跃增至100％或由100％跃减至0％的特殊情况，逆变器的输出电压能够维持在额定电压的±2％以内。

　　4、灵活的并联增容方式。根据需要，既可采用单机直接并联的增容（备份）方式，也可通过并联柜进行多机并联。仅就单机直接并联而言，也还有 “热同步”直接并机（单机之间无通信联系）和其它机型的“冷同步”直接并机（单机之间通信调节），各厂家都声称自己的并机环流可以做到2%以下。

　　5、高级的电池充放电管理。可以根据环境温度的变化和实际负载的大小调节充电电流，进一步降低了充电电流的波纹，并对整组电池的状态进行自动检测，能及时发现电池故障。不同机型的UPS都声称自己有独特的智能化电池管理系统，该系统皆可对电池进行可控制地间歇性充电，并定期地进行放电，从而有效地延长电池的使用寿命。

　　6、过载及短路保护功能。当过载及短路状态消失后，UPS能自动恢复正常输出，不致于损坏逆变器。　　7、具有高可靠的旁路转换系统。当UPS出现内部故障时，UPS控制系统可以可靠地在无切换时间的情况下转换到旁路电源。

　　8、自身带有微机监控系统。使UPS具有智能化的特点，增强了监测和自诊断功能，实现无人值守。监控系统可对故障信息和电网状态进行实时记录和分析，并能提供原始数据。现在的产品都趋向于使用大屏幕的液晶显示屏，提供多行字符甚至图形、曲线的显示。

　　9、具有联网和通信功能。可以通过Intranet或Internet来监控UPS，从而实现远程监控和集中遥测遥控，并可实现在线升级。

　　10、占地面积小，可紧靠墙或接近墙放置，在前侧即可进行连线和检修。如某产品单机的占地面积仅有520×788mm2，体积小巧。

　　11、采用阀控式免维护密封铅酸蓄电池，如果后备时间较短（几分钟量级），可以不另设电池柜，后备时间再长的话，则需另设机柜安放电池。UPS对电池的管理是十分重要的，应对电池的温度和充放电状态进行有效的跟踪监测，防止电池在使用中爆裂和失效，避免后备功能的突然丧失。

三、综合分析结论

　　1、五种产品的性能大体相当，在对输入电源的要求和抗雷电等方面，B产品的适应性要宽一些，使用环境也不太苛刻。从产品介绍上可以看出，B产品一直应用于高可靠性领域，如军事、宇航等部门。B产品的设计有较大的冗余度，机内带有抗雷击、抗浪涌器件，平均无故障工作时间也大大长于其它四种产品。

　　2、从备份方式上看，A产品有数种方式如单机工作（在线式或“智能节能”方式）、双机串联、双机或多机并联（有冗余和没冗余）可供选择；C和D产品则首先推荐高级（均流）并联式；B产品则可提供双机并联和多机并联。多机并联的好处是可以进一步增容。

　　3、从通讯功能上看，D产品较为突出，它同时提供了RS232和RS485接口，一组继电器干接点输出接口和一组“用户自定义”报警输出接口，共四种通信接口，再配以电源监管软件，可方便地实现远程集中监控。

　　4、从产品的名气来看，A产品比较有优势。A产品进入中国较早，用户量大，已树立起良好的口碑。A产品在使用方面也具有人性化的特点，比较照顾中国人的习惯，如控制面板上能显示中文等。别的商家也承认A产品质量过硬。C产品国内保有量最少，维修点也少，日前难以保证及时的维修。B和D产品，在省内的电信、银行、交通等部门使用较多，也已形成一定规模的用户群。

　　5、从外观设计来看，A、B、C、D号产品的样式都比较考究，体现了大企业的产品风范。A和D产品都有大屏幕的液晶显示板，易看易操作。相比之下，E产品就没有这样漂亮的外形，我们在实际用户考察时发现，E产品的外壳因用料太软，前门竟存在着变形，且镀层十分粗糙。

　　6、从广电系统内使用情况看，A和E产品使用相对较多。E产品被数家国内地球站采用，主要原因是其价位较低。据用户使用的经验，E产品的质量还不错，但其缺点是运行时噪声较大，整机效率低下。据我们现场考察，E产品的集成度不够高，机内有大量的控制插板，连线复杂。

　　7、从电池的选择上，供货商家都提供了几种方案。商家普遍认为汤浅电池较好，属于物美价廉的产品。另外，电池的寿命是影响价格的重要因素，目前电池厂家所提供电池的寿命可大致分为3-5年型和7-10年型，两者价格相差很大。我们认为，选用3-5年寿命的电池即可，供货商家也都是按这种电池报的价。目前电池价格有下降的趋势，如果价位适中，也可考虑购买7-10年寿命的电池组。

　　8、供货方面，A产品是由其中国公司直接提供的，供货渠道快捷可靠。

综合以上因素，我们认为，鉴于我们的使用环境较好，市电较为稳定，有备用发电机组，再考虑到资金不太紧张，可以首先考虑A产品即法国梅兰日兰的产品。在评标过程中，专家委员会接受了我们的意见，确定采用梅兰日兰的产品。

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