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卫星地面站工频及高频UPS不间断电源适用性技术分析

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来源:易倍体育官网首页 作者:emc体育官方网站 2022-08-14 13:55:16

  卫星地面站是重要的航天测控地面设施,其测控及天线驱动等重要用电设备,对供电质量和可靠性的要求较高,目前都采用UPS不间断电源供电系统作为电源保障。UPS的作用除了保证供电电源的不间断切换,还可以消除或减小电源侧电压波动、谐波干扰、频率突变等电能质量问题,给测控及天线驱动等设备提供高品质稳定的电源。作为卫星地面站测控和天线驱动等重要设备供电保障的UPS不间断电源就成了供配电系统设备的重中之重,适用性和可靠性尤为重要。

  目前国内生产和使用的UPS不间断电源内部结构主要包括整流模块、直流电池组、逆变模块组成。按其整流模块设计电路工作频率来区分通常分为工频机结构UPS和和高频机结构UPS两种。工频机结构UPS是以传统的模拟电路原理设计,由可控硅SCR(晶闸管)整流器、IGBT(绝缘栅双极晶体管)逆变器、和工频升压隔离变压器组成,因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz,顾名思义叫工频UPS。内部结构由IGBT高频整流器、IGBT的高频直流升压环节、IGBT逆变工作方式,整流的频率一般在20kHz以上的UPS称为高频结构UPS。

  工频机结构UPS和和高频机结构UPS虽然都是将交流电源整流为直流电源再逆变为交流提供给负载,但其采用技术和内部结构不太一样,对负载和上级电源系统的适应性也存在着区别,这两种结构的UPS在卫星地面测控站供电系统中如何使用应进进行适应性分析。

  工频结构UPS电源的三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压,通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。SCR属于半控器件,控制系统控制开通点,一旦SCR导通之后,即使门极驱动撤消,也无法关断,只有等到其电流为零之后才能自然关断,所以其开通和关断均是基于一个工频周期,由于SCR整流器属于降压整流,所以直流母线电压经IGBT逆变输出的交流电压比输入电压低,要使输出相电压能够得到恒定的220V电压,在逆变输出端需要增加升压隔离变压器。

  UPS主回路结构将交流输入通过整流桥全波整流为直流后,采用IGBT元件组成的DC/DC电路直流升压到一个较高的恒定直流电压,与可控硅整流的效果相反,通过这种IGBT整流可以得到一个高于全波整流输出电压的恒定直流电,并将其作为直流母线,为电池充电电路同时为逆变输出部分提供电能。由于直流母线V之间,电压足够高,无须在加一个升压环节,经过IGBT高频逆变调整后,可直接得到恒定的逆变输出电压,不需增加输出升压变压器。由于高频结构UPS的整流、逆变技术都采用IGBT技术,也叫全IGTB技术UPS(图2)。

  从内部结构来看,主回路结构区别之一是整流技术不同,工频机采用的SCR(晶闸管)调制脉宽整流技术;而高频UPS采用的IGBT整流技术。还有一个明显的区别,工频UPS在逆变输出端必须配置升压变压器;高频UPS逆变输出端可根据负载需要选配隔离变压器。

  工频机整流的可控硅是半控型器件,对导通角的大小控制,最大缺点就产生谐波,功率因数相对较低,污染电网。目前工频整流技术分为可控硅6脉冲整流和12脉冲整流,6脉冲整流输入功率因数不超过0.8,谐波电流有30%之大,以5次谐波和7次谐波为主;12脉冲整流输入功率因数不超过0.9,谐波电流有30%之大,以11次谐波和13次谐波为主。为提高输入功率因数,满足电网对功率因数0.95以上的技术要求,在工频UPS前面应增加谐波滤波装置。

  如果工频UPS电源是两台或两台以上并联运行的话,电网的谐波含量就会更高,功率因数更低,通常工频UPS机前端会配一个无源滤波器,滤波效果随着输出负载的减小而变差, 当负载为零时, 无源滤波器会呈现由电容量决定的纯容性特性。市电掉电油机启动后, 将面临纯容性负载切换,当配置工频机UPS时, 需要的油机容量显然大很多, 只为UPS供电为2~4倍, 为整个数据中心供电为大于或等于1.5~2倍系统总用电量, 特别需要强调的是, 油机容量与UPS是否冗余有直接关系, 在UPS冗余配置时, 只为UPS供电为3~5倍, 为整个数据中心供电为大于或等于2倍系统总用电量。

  高频机在一个正弦周期中有成千上万个整流电流脉冲,所以任何容量的高频机UPS的输入功率因数都可做到0.99甚至以上,总谐波电流小于5%,有的可以到3%,由于高频机输入功率因数高, 不需要配置无源滤波器, 当系统需要配置柴油发电机时, 发电机容量与负载的容量比, 只为UPS供电为1.3倍, 为整个数据中心供电为大于或等于系统总用电量, 特别是, 这个配比与UPS是否冗余无关。

  输出变压器是工频UPS不可缺少的构成部分,其中一个最重要的作用就是升压,工频UPS从整流输入到逆变输出的过程中, 每个环节都是降压环节,此种结构的UPS逆变器中, 输出变压器起着电压匹配和提升的作用, 将逆变器输出的电压升到合理的范围,最终提供了恒定的220/380V输出。根据厂家技术数据,输出变压器实际升压比应该是1:1.8左右。

  工频UPS输出变压器还有一个重要的作用就是产生负载供电侧需要的中性线,工频机UPS采用的是全桥变换器,这种变换器输出的不是一根火线和一根零线,而是两根火线。但一般的UPS负载要求有零线,如果没有输出隔离变压器,将一根火线硬性接成零线,当在输出端增加了变压器后,就可以在变压器的次级(负载输入端)连接市电的零线,于是就构成了一个可靠的供电系统。

  在UPS供电系统中, UPS设备的一个至关重要的功能是当输出过载或者UPS逆变器故障时, 自动转静态旁路供电。另外, 在系统中还设置了维护旁路, 当UPS需要维护时可手动转维护旁路向负载供电。执行这两个操作时, 都是由旁路输入三相四线电压直接向负载供电, 所以系统的零线要与负载端的零线必须短接在一起,这就决定了带输出变压器的UPS的变压器次级新产生的零线也必须连接到输入电源系统的零线上, 所以说UPS机内的变压器没有系统隔离的功能。

  高频UPS输出端加变压器作为可选配置,为一些有特殊要求的用户配置。其功能也主要是适应现场特殊电力状况,例如现场输入电为三相角形输入时,采用输入角/星变压器可使UPS在角型输入的现场得以应用;再如现场要求UPS必须为单相输出,且功率数较高时(一般容量大于20KVA时,UPS很少有单相输出的标准形式,都采用三相输出形式),可采用输出的三相/单相变压器,提供供电形式转换,满足用电要求。还有一些用电场合要求输入电与输出电的全隔离,可在UPS输出一测配置隔离变压器,可有效抑制共模躁声。

  在同样指标下,比如要求输入功率因数为0.95以上时,工频机UPS就必须外加谐波滤波器,就是说前面要增加一个设备,再加上输出变压器,就比高频机UPS多了两个环节,使得工频机UPS的效率比高频机UPS低5%。在同样是100kW的容量时工频机UPS每年要比高频机UPS多消耗5万度电。工频机UPS对于适应输入电压±15%的变化已很不易,而高频机UPS甚至适应输入电压±30%以上的变化,这又大大延长了电池的寿命。工频UPS的机械噪声和电噪声比高频机都大,易形成对设备和对人的伤害。

  卫星地面站需用UPS来负责用电的是测控设备机柜或控制后台等重要的IT设备,不但对供电连续性要求高,且对供电质量特别是谐波电流要求也很高,一般都配有柴油发电机组,UPS一般采用2N模式或N+1模式多台并联冗余运行方式。通过对工频UPS和高频UPS技术性能差别分析,非常明显的看到无论是内部结构还技术性能,以及在与油机容量匹配、多台UPS运行方式上高频UPS更适应卫星地面站供电系统运用。

  例如某国外卫星外站在建站过程中选用的是12脉冲工频UPS,其总谐波电流THDi%为25%,高于当地标准THDi10%的标准(法国标准),从测试报告上看,主要是11次和13次谐波,明显是工频UPS产生的,需要额外增加有源滤波装置才能满足THDi10%的标准。虽然目前工频UPS在国内外还有一定市场,但随着高频UPS技术日益完善和不断发展,国内外银行、金融系统、军工等方面基本都采用高频UPS,如伊顿9395系列高频UPS已成为美国军方指定产品, 也在我国航天发射场使用多年并收到良好效果。




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