產(chǎn)品詳情
施耐德 SRC2000UXICH長機APC UPS電源
機房UPS主機的性能很重要，也不能忽略了對機房UPS蓄電池的選擇，因為蓄電池和UPS是配套使用的。那么UPS蓄電池有哪些種類嗎？各自的優(yōu)缺點又有哪些？
蓄電池是UPS系統(tǒng)中的一個重要組成部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個UPS系統(tǒng)的可靠程度，然而蓄電池卻又是整個UPS系統(tǒng)中平均無故障時間（MTBF） 短的一種器件。如果用戶能夠正確使用和維護，就能夠延長其使用壽命，反之其使用壽命會大大縮短。
蓄電池的種類一般可分為閥控式密封鉛酸蓄電池、膠體電池等。UPS要求所選用的蓄電池必須具有在短時間內(nèi)輸出大電流的特性。目前，在線運行的蓄電池基本上是這兩種，不屬于鉛酸蓄電池。
因其體積較小、密封性能好、絕少維護而被廣泛應(yīng)用于各類UPS電源中。VRLA防止電池內(nèi)部電解液流動有兩種技術(shù)方法:一種是將 酸電解液與SiO2，膠體混合后充滿電池內(nèi)部，制成膠體電池(簡稱GEL)。這類產(chǎn)品產(chǎn)量較低，約占VRLA電池總量的15%!。(MISSING)另一種是利用超細玻璃棉將電解液不飽和地吸附住，制成吸液式電池或貧液式電池(簡稱AGM)。由于后者具有較好的大電流放電性能，在UPS系統(tǒng)中較多采用，國內(nèi)廠家也大多生產(chǎn)AGM蓄電池。
2、膠體電池
膠體電池屬于鉛酸蓄電池的一種發(fā)展分類， 簡單的做法，是在硫酸中添加膠凝劑，使硫酸電液變?yōu)槟z態(tài)。電液呈膠態(tài)的電池通常稱之為膠體電池。廣義而言，膠體電池與常規(guī)鉛酸電池的區(qū)別不僅僅在于電液改為膠凝狀。例如非凝固態(tài)的水性膠體，從電化學(xué)分類結(jié)構(gòu)和特性看同屬膠體電池。又如在板柵中結(jié)附高分子材料，俗稱陶瓷板柵，亦可視作膠體電池的應(yīng)用特色。近期已有實驗室在極板配方中添加一種靶向偶聯(lián)劑，大大提高了極板活性物質(zhì)的反應(yīng)利用率，據(jù)非公開資料表明可達到70wh/kg的重量比能量水平，這些都是現(xiàn)階段工業(yè)實踐及有待工業(yè)化的膠體電池的應(yīng)用范例。膠體電池與常規(guī)鉛酸電池的區(qū)別，從 初理解的電解質(zhì)膠凝，進一步發(fā)展至電解質(zhì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的電化學(xué)特性研究，以及在板柵和活性物質(zhì)中的應(yīng)用推廣。其 重要的特點為：用較小的工業(yè)代價，沿已有150年歷史的鉛酸電池工業(yè)路子制造出更優(yōu)質(zhì)的電池，其放電曲線平直，拐點高，比能量特別是比功率要比常規(guī)鉛酸電池大20%!以(MISSING)上，壽命一般也比常規(guī)鉛酸電池長一倍左右，高溫及低溫特性要好得多。
1、實際負(fù)載容量:這是決定UPS容量大小的最根本因素。UPS的輸出能力必須達到或超過負(fù)載需要才能保證正常供電。實際應(yīng)用中要考慮UPS是采用集中式供電還是分布式供電。采用集中式供電的負(fù)載總量應(yīng)是將機房所有由UPS供電負(fù)載的功率累計。采用分布式供電的則根據(jù)每臺UPS所帶負(fù)載不同確定。
2、負(fù)載的類型:不同類型的負(fù)載其有功功率和無功功率的比例不同,但UPS需向負(fù)載同時提供足夠的有功功率
和無功功率,則實際輸出能力受負(fù)載類型所限制。以功率因數(shù)為0.7的UPS為例,一般地計算方法是:阻性負(fù)載的VA值=W值÷0.7;感性負(fù)載的VA值=W值÷0.3。
3、UPS容量使用率:對于大功率UPS,一般建議容量使用率控制在0.6～0.8。
4、環(huán)境條件:UPS的工作溫度一般應(yīng)控制在0～40℃范圍內(nèi)。海拔超過1000m后每升高1000m,UPS應(yīng)降額5%使
用。
5、UPS的類型及實際負(fù)載能力:不同類型的UPS其帶載能力有所不同。工頻機的輸出能力較好,而高頻機的實際
帶載能力只有工頻機的0.9倍。
6、設(shè)備的潛在擴容需求:配置UPS容量應(yīng)考慮設(shè)備今后擴容需要,留有一定余量。
三相大功率UPS電源主要運行在數(shù)據(jù)中心與關(guān)鍵電源兩種場景,目前在IDC、Colo、金融、電信、醫(yī)療、半導(dǎo)體、石油石化、機場、軌道交通、電力等各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過近三十年的市場推廣與實際使用,用戶對工頻機、高頻機、固定功率一體機、模塊化UPS等概念已經(jīng)有了深刻的理解。
近十年來,在大型及超大型數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體等行業(yè)需求的推動下,三相大功率UPS電源出現(xiàn)了很多新的理念與創(chuàng)新。本文對其中重要的五大新技術(shù)做簡單介紹。
三種運行模式
逆變器優(yōu)先運行模式(雙變換)
如圖1所示,工頻機高頻機從電氣變換技術(shù)角度來看,都是采用的雙變換在線式技術(shù),即能量經(jīng)過整流器逆變器兩次能量變換后,由逆變器提供電壓精度為1%、諧波含量小于5%的正弦波交流電給負(fù)載供電。這種運行模式也可以稱為:逆變器優(yōu)先運行模式(雙變換)。
逆變器優(yōu)先模式的優(yōu)勢是輸出電壓精度高達1%。劣勢是由于能量的兩次 轉(zhuǎn)換,在正常15%～60%負(fù)荷下,UPS整機效率較低僅88%～95%。同時電流每秒鐘都流經(jīng)整流器逆變器的功率器件,元器件疲勞老化嚴(yán)重,壽命降低,導(dǎo)致UPS可用性降低。而可用性才是用戶對UPS的最重要需求。
逆變器優(yōu)先模式(雙變換)本身就是一種低可用性的運行模式。這是這么多年以來才痛苦認(rèn)識到的一個事實。
有沒有新的思路?小功率的后備式UPS和在線互動式UPS正常情況下是旁路市電輸出供電,不是也保護了IT負(fù)荷嗎?
仔細研究我們會發(fā)現(xiàn)兩點:
IT負(fù)荷其實對交流電的要求不高,允許電壓-20%/+10%,頻率40～70Hz,允許中斷時間10～20ms。逆變器優(yōu)先模式為驕傲的1%輸出精度其實沒有意義。
今天市電電網(wǎng)的可用性得到了很大提高,城市10kV電網(wǎng)可用性達到99.94%(見表1)。這兩個因素促使我們認(rèn)識到三相中大功率UPS其實也可以和小功率UPS一樣選擇旁路優(yōu)先運行模式。事實上早在2010年,各廠家三相UPS就允許用戶選擇工作在旁路優(yōu)先模式,即ECO模式(經(jīng)濟模式)。
旁路優(yōu)先運行模式(ECO模式)
如圖2所示,在正常情況下,UPS優(yōu)先運行在靜態(tài)旁路,由市電直接給負(fù)載供電。當(dāng)旁路電壓超出設(shè)定窗口范圍時,會切換到逆變器輸出模式。該模式的優(yōu)勢是效率高達99%。劣勢是由于市電直供,會產(chǎn)生雙向*,輸入功率因數(shù)輸入諧波電流指標(biāo)較差。更重要的是,當(dāng)旁路故障需要切換回逆變器模式時,會出現(xiàn)4～20ms的切換時間,某些情況下會造成負(fù)載運行中斷, 降低了UPS的可用性。
在這種情況下,能否找到一種運行模式,既有高可用性,還能提高運行效率,同時性能指標(biāo)參數(shù)也能滿足負(fù)載要求,就成為各廠家研發(fā)的重要目標(biāo)。
旁路優(yōu)先運行模式(E變換模式)
施耐德公司在2012年獲得了 旁路優(yōu)先模式(E變換)的專利。如圖3所示,正常情況下,逆變器與旁路市電并聯(lián)工作,相當(dāng)于有源濾波器,逆變器提供諧波電流和無功功率,旁路市電回路提供基波電流和有功功率。輸出電壓由旁路決定。這種模式的優(yōu)勢是整流器和逆變器的功率器件流過的電流較小,元器件疲勞老化輕微,壽命延長,UPS可用性提高。由于逆變器一直在并聯(lián)運行,當(dāng)旁路市電超出窗口范圍時,系統(tǒng)會0ms切換回逆變器工作,不存在切換失敗切換時間長的問題。該種模式效率高達98.8%,僅次于ECO模式。另外,由于可控制旁路回路只提供基波電流和有功功率,因此輸入功率因數(shù)0.99,輸入諧波電流<5%。
目前主流一線品牌廠家在三相大功率UPS系列上均與E變換技術(shù)類似的運行模式,供用戶選擇使用。
多電平逆變器技術(shù)
工頻機和早期的高頻機均采用兩電平逆變器技術(shù)。如圖4所示。
工頻機采用變壓器交流升壓技術(shù)。工頻機一般配置32只12V電池,浮充狀態(tài)下直流母線電壓432V,較低,只能逆變出160V交流電,只好在逆變器后端采用升壓工頻變壓器,輸出220/380V交流電。逆變器功率器件的承壓為432V,較低,選用800V耐壓值的IGBT即可滿足要求。
高頻機采用DC/DC直流升壓技術(shù)。高頻機一般配置40～64只電池,為取消變壓器,保證逆變器可以直接逆變出220V/380V交流電,高頻機在整流器后增加了一個IGBT的DC/DC升壓環(huán)節(jié),使得兩電平逆變器前端的直流母線電壓達到800V,這樣逆變器功率器件的承壓為800V,需要選用1500V耐壓值的IGBT才能滿足要求。
通過研究場效應(yīng)管和IGBT等功率器件的失效率曲線,發(fā)現(xiàn)1500V耐壓值的功率器件其失效率數(shù)倍于800V耐壓值的功率器件。這樣,研發(fā)人員意到降低功率器件的承壓從而選擇低耐壓值的功率器件理論上可以提高逆變器的可用性。用戶體驗實踐也證明工頻機逆變器比兩電平高頻機的逆變器可用性高。為改善高頻機的可用性,業(yè)內(nèi)研發(fā)了三電平四電平逆變器。
如圖5所示為三電平逆變器功率器件的承壓為400V,低于工頻機。
四電平逆變器功率器件的承壓為266V(見圖6),遠低于工頻機的432V。
施耐德公司于2010年獲得了四電平逆變器技術(shù)的專利。該技術(shù)的運用,不但提高了逆變器的可用性,還提高了UPS效率,達到96.5%。
那么是否五電平、六電平逆變器的可用性會更高呢,答案不是這樣的,因為電平數(shù)越多,逆變器需要的功率器件的數(shù)量就越多,使得逆變器出故障的可能性增多。因此,需要在功率器件的耐壓值和數(shù)量上找到合理的平衡。實踐證明運行在全球范圍內(nèi)的數(shù)萬臺四電平逆變器可用性大大優(yōu)于傳統(tǒng)的工頻機。
新型物理架構(gòu)的大功率并機系統(tǒng)
大型及超大型數(shù)據(jù)中心及半導(dǎo)體行業(yè)的用戶,經(jīng)常會搭建功率為1500kW及以上的UPS系統(tǒng),這就需要采用多臺UPS并聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)。并機電氣架構(gòu)大家都知道有兩種,多臺UPS直接并機,和公用靜態(tài)旁路的多臺UPS并機。
而并機物理架構(gòu)目前也發(fā)展出有兩種。
如圖7(a)所示并機物理結(jié)構(gòu)1,為傳統(tǒng)的多臺單機通過外部配電柜和電纜進行并聯(lián),總共需要7個外部配電柜和多組電纜。每臺UPS都有外配的主輸入、旁路輸入、UPS輸出、電池回路等四把交直流斷路器和四組交直流電纜,使得UPS系統(tǒng)操作復(fù)雜造成可用性降低、配套的配電柜和電纜成本高、對現(xiàn)場施工環(huán)境要求高、對現(xiàn)場施工人員技術(shù)要求高、施工工期長。
為解決上述問題,必須采用新的集成化預(yù)制化的物理結(jié)構(gòu)的并機系統(tǒng)。
如圖7(b)所示位并機物理結(jié)構(gòu)2,為多臺功率柜和輸入輸出I/O柜通過外部主配電柜和主電纜進行并聯(lián),總共需要4個配電柜和少量電纜。每臺UPS功率柜內(nèi)部集成了自動控制的接觸器和熔斷器,內(nèi)部還集成和預(yù)制了主輸入、旁路輸入、主輸出和電池母線的銅排背板與公共的I/O柜連接,每臺UPS不再需要外配四把分?jǐn)嗦菲骱退慕M分電纜。
新型的并機物理結(jié)構(gòu)簡化了整個UPS系統(tǒng),簡化了開關(guān)機操作,銅排連接使得輸出阻抗一致性高,這些特點都有利于提高UPS系統(tǒng)的可用性。
新型的并機在電氣架構(gòu)上還包括了公用的1500kW靜態(tài)旁路,這種電氣架構(gòu)早就被證明可用性高于普通的多臺UPS直接并機的電氣架構(gòu)。減少了外部配套的配電柜和電纜。
新型的并機物理結(jié)構(gòu)其實也是模塊化的并機架構(gòu),可以根據(jù)用戶需求增減功率柜,目前市場上的功率柜一般為200～300kW。靈活性與適應(yīng)性更高。
施耐德公司早于2003年在單系統(tǒng)最大可達1600kW的MW系列UPS使用了類似的并機物理架構(gòu),并于2016年改良后運用到了單系統(tǒng)大可達1500kW的N+1的VX系列UPS產(chǎn)品上。
兼容鋰電池,讓鋰電池幫我們賺錢
計算可知,由于普通鉛酸蓄電池大約每3～4年更換一次,在三相大功率UPS系統(tǒng)10～12年全生命周期過程中,用戶花在電池系統(tǒng)上面的錢甚至超過UPS主機。事實上UPS每秒鐘都在使用都在出力都在發(fā)揮價值,而電池一年只有1.22次放電機會,而且放電時間可能只有幾分鐘(在配套發(fā)電機系統(tǒng)的情況下)?？梢妭鹘y(tǒng)模式下,我們對電池系統(tǒng)的利用太低了。
由于電動汽車和儲能行業(yè)的驅(qū)動,2018年鋰電池的成本已經(jīng)降低到1.1～1.4元/Wh,而鉛酸電池的成本為0.7元/Wh。在可見的1～2年內(nèi),鋰電池的價格將會與鉛酸電池齊平。
很多UPS系列都號稱可以兼容鋰電池,但實際上有較大差異。一種兼容是把鋰電池當(dāng)普通鉛酸電池用。這種兼容沒有任何意義,花了鋰電池的價格只享受到鉛酸電池的好處,得不償失。
而另外一種兼容是把鋰電池當(dāng)鋰電池用,真正利用鋰電池的特點,發(fā)揮其優(yōu)勢。鋰電池相比于鉛酸蓄電池在電氣性能方面的優(yōu)點是:可快充,可快放,循環(huán)壽命高達6000～10000次。
快放
電池的容量是基于放電時間的。傳統(tǒng)鉛酸電池100Ah一般是基于20h放電。在大功率UPS一般要求的15min延時時間下,100Ah鉛酸電池只能放出約30Ah的容量,而100Ah鋰電池可以放出90Ah容量。很明顯,大功率UPS常用的5～30min延時時間范圍,是鋰電池的天下,只需要配置鉛酸電池25%～40%的容量即可達到同樣的延時時間。這種情況下,鋰電池系統(tǒng)的價格甚至?xí)袃?yōu)勢,
快充
為更好的與鋰電池進行兼容配套,新型的UPS充電功率從傳統(tǒng)的10%～20%大幅度提升到35%、40%,甚至高可達80%。這增加了UPS充電器和整流器的成本,但可以使得鋰電池在一天內(nèi)可多次快速充放電,以達到利用峰谷電價差節(jié)省運行電費成本的目的。普通UPS充電功率不足,不能利用鋰電池可以快充的特點。
如果與膠體電池比,鋰電池價格更加明顯。
循環(huán)壽命6000～10000次
前面我們說過,正常情況下,即使每年人為增加2次電池充放電維護保養(yǎng),每年電池的總放電次數(shù)也不過4次,12年下來不超過50次,鉛酸蓄電池循環(huán)壽命500次完全滿足要求。那這個鋰電池6000次循環(huán)壽命還有必要嗎?還有用嗎?
大型數(shù)據(jù)中心可以很好的利用鋰電池的6000～10000次循環(huán)壽命配合峰谷電價計費模式“掙錢”。這需要UPS主機有峰谷運行的功能,即在電價為0.4元的谷底時給鋰電池充電,在電價為1.5元的峰值時讓鋰電池放電,一來一回每度電電價差1.1元。
100Ah12V電池能放出來的電量大約為1度電,如果每天兩次充放電循環(huán),刨去效率,刨去必須保有基本30%容量不能全部放光,保守估計100Ah12V電池可以賺1.5元錢。
鋰電池日歷壽命為15年,在UPS系統(tǒng)12年的生命周期過程中,需要365×2×12=8760(次)充放電循環(huán),可以賺1.5×365×12=6570(元)。很明顯,鉛酸電池只有500次循環(huán)壽命,不能進行這種操作。
專為Colo行業(yè)研發(fā)的削峰功能
Colo行業(yè)的用戶,非常希望把變壓器用足甚至用超,同樣2000kVA的變壓器就可以帶更多的IT負(fù)載更多的機柜,賺更多的錢。但在傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)中IT負(fù)載的功率不能超過變壓器的功率,否則就過載了。
由于IT負(fù)載是一條變化的曲線,波峰時段可以比波谷負(fù)荷高10%～20%,為了讓2000kVA的變壓器帶更多的IT平均負(fù)荷,又不能在IT波峰時過載,施耐德開發(fā)出了UPS削峰功能。
假定我們在2000kVA變壓器和配電系統(tǒng)后帶一套2500kW的UPS系統(tǒng),設(shè)計帶平均值為2000kW的IT負(fù)荷。當(dāng)IT負(fù)荷處于波峰時段達到2400kW時,UPS會同時利用從電網(wǎng)吸入的2000kW功率+電池組的400kW功率,通過逆變器給2400kW的IT負(fù)荷供電。利用鋰電池儲存的能量短時間內(nèi)應(yīng)對IT峰值,同時又不讓變壓器和配電系統(tǒng)過載。
施耐德VX系列UPS允許最大35%功率來自于鋰電池,小65%功率來自于電網(wǎng)。
云服務(wù)提高了系統(tǒng)可用性
行業(yè)用戶對大功率UPS系統(tǒng)的快速恢復(fù)能力非常看重,因為這大的決定了系統(tǒng)的可用性。傳統(tǒng)的本地使用、本地控管理、本地維護的模式注定需要較長的時間才能修復(fù)系統(tǒng)。
一般的維修流程是,用戶發(fā)現(xiàn)UPS系統(tǒng)故障,用戶自己是不會做什么維修動作的,只能立即撥打廠家400電話,廠家技術(shù)人員通過詢問用戶觀察到的指示燈或顯示器上的報警信息來判斷故障位置,可能需要1-2小時。然后400開始指派備件運輸,指派工程師到用戶現(xiàn)場。如果判斷錯誤,可能需要二次備件運輸,甚至更高級別工程師出動。整個維修恢復(fù)過程需要8～48h。
而新型的云服務(wù),用戶的UPS或整個系統(tǒng)都可以直接連接到施耐德的云監(jiān)控平臺,施耐德有經(jīng)驗的熟悉產(chǎn)品的資深工程師24h值班監(jiān)控,可以預(yù)警潛在的故障風(fēng)險,提前處理。真的出現(xiàn)故障時可以第一時間發(fā)現(xiàn)故障,并快速準(zhǔn)確判斷出故障所在,立即內(nèi)部調(diào)動備件與工程師,整個維修恢復(fù)過程縮短到4-24h。
APC SRC2000UXICH詳細參數(shù)
? 基本參數(shù)
? 輸入輸出參數(shù)
? 電池和運行時間
? 環(huán)境
? 其它參數(shù)
基本參數(shù) ? 額定功率1400/2KVA
輸入輸出參數(shù) ? 輸入電壓范圍230VV
? 輸入頻率范圍50/60+/-5Hz
? 輸出電壓范圍220/230/240V
? 輸出頻率范圍50/60Hz+/-3Hz用戶可調(diào)+/-0.1Hz
? 輸出電壓波形正弦波
電池和運行時間 ? 電池類型沒有內(nèi)部電池,使用外部電池系統(tǒng)
? 電池容量1
環(huán)境 ? 噪音值(dBA)45.00 dBA
其它參數(shù) ? 指示燈LED 狀態(tài)顯示帶有負(fù)荷和電池條狀圖和“在線”,“電池開”,“更換電池”,“過載”和“旁路”指示器
? 外觀尺寸457×432×175mm
? 產(chǎn)品重量14.6kg 糾錯
