數(shù)字地球站UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

2019-11-03 09:58:08

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供稿：網(wǎng)友

高彤鼎于兵（山東電視臺(tái)地球站）

　　山東電視臺(tái)地球站進(jìn)行數(shù)字化改造，增加了大量設(shè)備。考慮到數(shù)字衛(wèi)星設(shè)備的特點(diǎn)和其對(duì)供電系統(tǒng)的要求，同時(shí)也為了保證安全播出，決定購置UPS電源設(shè)備，對(duì)此我們進(jìn)行了如下的設(shè)計(jì)和選型工作。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和選型原則

　　1、功率容量。功率容量決定了UPS的規(guī)模。根據(jù)站內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備和今后設(shè)備的增容，并考慮到站內(nèi)設(shè)備大多使用了開關(guān)式的電源，還有電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，功率因數(shù)不太好等因素，決定選用視在功率為40千瓦的UPS兩臺(tái)，構(gòu)成一主一備工作方式。用這樣的配置，完全可以滿足大功率速調(diào)管高功放的工作要求，電池的后備工作時(shí)間可維持半個(gè)小時(shí)。如果使用功率較小的固態(tài)功放，供電時(shí)間則可大大延長。

　　2、輸出電壓規(guī)格。為保證天線伺服電機(jī)、速調(diào)管高功放等使用三相電源設(shè)備之用，選擇了三相380V的電壓輸出方式。三相輸出UPS使用靈活，三個(gè)輸出各自獨(dú)立，互不影響，可單獨(dú)使用。大功率UPS具備三相輸出較之單相輸出的另一優(yōu)勢(shì)是，一旦UPS出現(xiàn)故障由旁路供電，三相負(fù)載可以平穩(wěn)均衡地接入市電系統(tǒng)，避免了大功率負(fù)載接入市電某一單相引起三相電流不平衡對(duì)配電系統(tǒng)造成的沖擊。

　　3、輸出電壓波形。UPS的輸出電壓波形不一定都是正弦形的，也可以是方波或梯形波的，或者是計(jì)算機(jī)級(jí)的正弦波。一般說來，總的諧波失真應(yīng)小于3%。

　　4、在線方式。后備（離線）式平常工作在BYPASS狀態(tài)，在線式的意思是逆變器始終處于工作狀態(tài)，將外電經(jīng)過處理后供給負(fù)載，只有在逆變器故障時(shí)才由BYPASS供電。純?cè)诰€是指純粹結(jié)構(gòu)上的在線，以區(qū)別性能上的在線。如果采用后備式的結(jié)構(gòu)，但具有穩(wěn)壓穩(wěn)頻措施，倒換時(shí)間極為短促，則從供電質(zhì)量上可以認(rèn)為是在線式的。目前大功率UPS一般都是純?cè)诰€式的。

　　5、備份模式。優(yōu)先考慮冗余并聯(lián)均流工作模式。這種工作模式的優(yōu)點(diǎn)是一臺(tái)UPS停機(jī)對(duì)負(fù)載沒有任何影響，其他正在運(yùn)行的UPS會(huì)平均分擔(dān)負(fù)載功率，負(fù)載繼續(xù)得到正常供電。在系統(tǒng)發(fā)生過載的情況下，只要過載量沒有超過所有正在運(yùn)行的UPS總功率，系統(tǒng)僅僅是失去它的冗余備份，不影響工作狀態(tài)。這種工作模式今后還可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容。

　　6、雙變換技術(shù)。雙變換是說，AC-DC轉(zhuǎn)換器先將市電交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，向蓄電池和逆變器（DC-AC）轉(zhuǎn)換器供電，逆變器再將直流電轉(zhuǎn)換成交流電壓。

　　7、高輸入功率因數(shù)。新一代的UPS采用先進(jìn)的PFC控制技術(shù)，使得在滿載輸出時(shí)，輸入功率因數(shù)仍可大于0.95，極大降低了對(duì)市電電網(wǎng)的諧波污染，是真正的綠色電源。

　　8、合適的輸出功率因數(shù)。大功率UPS的負(fù)載功率因數(shù)通常為0.8左右，當(dāng)然越高些越好，只是越高越不容易實(shí)現(xiàn)。功率因數(shù)大些，可以減少無功電流的來回流動(dòng)。

　　9、效率優(yōu)化。有些容量較大的UPS除了采取純?cè)诰€運(yùn)行模式外，還具有經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（旁路優(yōu)先）模式。在設(shè)置為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式時(shí)，UPS的工作效率可高達(dá)98%以上。使用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的前提條件是市電狀況比較穩(wěn)定，UPS所帶的負(fù)載通過旁路電源來供電，整流器只向電池提供充電電流，逆變器雖然工作但處在備用狀態(tài)。一旦旁路電源的質(zhì)量劣于設(shè)定的范圍，旁路開關(guān)動(dòng)作，由逆變器向負(fù)載供電，旁路電源正常后，仍由旁路電源向負(fù)載供電。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式可以節(jié)省能源，降低運(yùn)行成本。

　　10、逆變器。采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transister)絕緣柵雙極晶體管。IGBT是MOSFET與GTR的復(fù)合器件，見下圖。它兼有MOSFET工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡單、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)和GTR載流量大、阻斷電壓高等優(yōu)點(diǎn)。目前的大功率UPS通常都采用此器件作為逆變器中的功率器件。

　　11、過載能力。在無故障的情況下啟動(dòng)負(fù)載時(shí)，都會(huì)有瞬時(shí)的過載現(xiàn)象發(fā)生。因此，UPS應(yīng)有相當(dāng)?shù)目惯^載的能力，也就是在短時(shí)過載的情況下能維持一段時(shí)間，且不作故障狀態(tài)處理。

　　12、輸出電壓質(zhì)量。無論主交流電源或負(fù)載怎樣波動(dòng)（停電、負(fù)載階躍變化等），輸出電壓的幅值和頻率都是穩(wěn)定的，并且沒有任何間斷和超標(biāo)的情況。分為兩種，一是靜態(tài)電壓穩(wěn)定度，一般是指0~100%負(fù)載變化時(shí)輸出電壓波動(dòng)的范圍，也有的定義為輸出電流從額定值的10%變化到100%，在輸入電壓穩(wěn)定時(shí)，輸出電壓波動(dòng)的幅度；二是動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定度，定義為負(fù)載電流發(fā)生100%變化時(shí)，輸出電壓的變化率。

　　13、噪聲。一般是指以UPS為中心，以1米為半徑，高度為1.3米處測(cè)得的噪聲分貝數(shù)。要想將UPS放在機(jī)房里，且不至于太吵，則噪聲值應(yīng)小于55dBA。

　　14、抗外電波動(dòng)或沖擊的性能。

　　①抗電壓浪涌。是指在一個(gè)周期或多個(gè)周期內(nèi)，電壓超過了額定值的110%。這往往由于電路中某個(gè)部位電流突然中止，感性元件中激起反電勢(shì)所致。

　　②電壓尖峰。是指在二分之一周期至五個(gè)周期之間疊加的超過6000V的脈沖電壓，主要原因是雷電、電弧、開關(guān)操作、靜電放電等。

　　③電壓瞬變。是指在二分之一周期至五個(gè)周期之間疊加的超過20KV的脈沖電壓，主要原因同電壓尖峰，只是量上有區(qū)別。

　　④噪聲電壓。是指疊加在市電上的低幅度、頻率范圍很寬的電壓分量，引起的原因很多。

　　⑤過壓。是超過額定值一定百分比的高電壓。通常是接線錯(cuò)誤或線路負(fù)荷過輕所致。

　　⑥電壓跌落。是指在一個(gè)或多個(gè)周期內(nèi)電壓低于80~85%額定電壓。主要原因是重型設(shè)備的啟動(dòng)所致。

　　⑦欠壓。是低于額定值一定百分比的低電壓。通常是線路負(fù)荷過重所致。

UPS應(yīng)具有足夠的、有效的措施來對(duì)抗上述的外電波動(dòng)或沖擊。

　　15、對(duì)輸入電壓的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是針對(duì)輸入電壓的波動(dòng)，如使用農(nóng)用電時(shí)，UPS應(yīng)有較寬的適應(yīng)范圍；二是針對(duì)輸入交流電頻率的波動(dòng)，如使用燃油動(dòng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，UPS也應(yīng)有較寬的適應(yīng)范圍。

　　16、平均無故障工作時(shí)間（MTBF）

　　如果UPS機(jī)組能無故障地使用十年，則在雙機(jī)并聯(lián)的條件下，單機(jī)的平均無故障工作時(shí)間不得少于20萬小時(shí)。

二、設(shè)備考察情況

　　按照我站UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型要求，通過市場考察，認(rèn)為比較理想的有A（法國）、B（意大利）、C（德國）、D（美國）、E（意大利）五個(gè)品牌的產(chǎn)品。根據(jù)幾個(gè)商家提供的技術(shù)資料，可以歸納出當(dāng)前大功率UPS設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)：

　　1、采用IGBT作為逆變功率器件。該器件的應(yīng)用大大提高了逆變的可靠性和逆變的效率，諧波分量進(jìn)一步降低。

　　2、高檔的UPS產(chǎn)品都無一例外地采用了純?cè)诰€、雙變換的工作模式，可以全面地解決電源斷電、電壓跌落、電壓浪涌、減幅振蕩、電源干擾、電源尖峰、頻率波動(dòng)、交換瞬變以及諧波失真帶來的問題，保證了輸出電壓和頻率的穩(wěn)定，也減小了逆變啟動(dòng)時(shí)的相位差。

　　3、采用數(shù)字控制技術(shù)。提高了可靠性和瞬態(tài)反應(yīng)速度，克服了模擬控制的缺點(diǎn)。且數(shù)字控制集成度高、控制模塊小、模塊間的連線也少，因而可靠性高。比如逆變器的輸出電壓不會(huì)明顯受到負(fù)載特性的瞬間過大變化的影響，主要?dú)w功于采用了PWM（脈沖調(diào)制）斬波技術(shù)和基于微處理器的調(diào)整控制系統(tǒng)，它們會(huì)及時(shí)補(bǔ)償輸出電壓的任何變化。尤其對(duì)負(fù)載由0％躍增至100％或由100％躍減至0％的特殊情況，逆變器的輸出電壓能夠維持在額定電壓的±2％以內(nèi)。

　　4、靈活的并聯(lián)增容方式。根據(jù)需要，既可采用單機(jī)直接并聯(lián)的增容（備份）方式，也可通過并聯(lián)柜進(jìn)行多機(jī)并聯(lián)。僅就單機(jī)直接并聯(lián)而言，也還有 “熱同步”直接并機(jī)（單機(jī)之間無通信聯(lián)系）和其它機(jī)型的“冷同步”直接并機(jī)（單機(jī)之間通信調(diào)節(jié)），各廠家都聲稱自己的并機(jī)環(huán)流可以做到2%以下。

　　5、高級(jí)的電池充放電管理。可以根據(jù)環(huán)境溫度的變化和實(shí)際負(fù)載的大小調(diào)節(jié)充電電流，進(jìn)一步降低了充電電流的波紋，并對(duì)整組電池的狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池故障。不同機(jī)型的UPS都聲稱自己有獨(dú)特的智能化電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)皆可對(duì)電池進(jìn)行可控制地間歇性充電，并定期地進(jìn)行放電，從而有效地延長電池的使用壽命。

　　6、過載及短路保護(hù)功能。當(dāng)過載及短路狀態(tài)消失后，UPS能自動(dòng)恢復(fù)正常輸出，不致于損壞逆變器。　　7、具有高可靠的旁路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。當(dāng)UPS出現(xiàn)內(nèi)部故障時(shí)，UPS控制系統(tǒng)可以可靠地在無切換時(shí)間的情況下轉(zhuǎn)換到旁路電源。

　　8、自身帶有微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。使UPS具有智能化的特點(diǎn)，增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)和自診斷功能，實(shí)現(xiàn)無人值守。監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)故障信息和電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和分析，并能提供原始數(shù)據(jù)。現(xiàn)在的產(chǎn)品都趨向于使用大屏幕的液晶顯示屏，提供多行字符甚至圖形、曲線的顯示。

　　9、具有聯(lián)網(wǎng)和通信功能。可以通過Intranet或Internet來監(jiān)控UPS，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中遙測(cè)遙控，并可實(shí)現(xiàn)在線升級(jí)。

　　10、占地面積小，可緊靠墻或接近墻放置，在前側(cè)即可進(jìn)行連線和檢修。如某產(chǎn)品單機(jī)的占地面積僅有520×788mm2，體積小巧。

　　11、采用閥控式免維護(hù)密封鉛酸蓄電池，如果后備時(shí)間較短（幾分鐘量級(jí)），可以不另設(shè)電池柜，后備時(shí)間再長的話，則需另設(shè)機(jī)柜安放電池。UPS對(duì)電池的管理是十分重要的，應(yīng)對(duì)電池的溫度和充放電狀態(tài)進(jìn)行有效的跟蹤監(jiān)測(cè)，防止電池在使用中爆裂和失效，避免后備功能的突然喪失。

三、綜合分析結(jié)論

　　1、五種產(chǎn)品的性能大體相當(dāng)，在對(duì)輸入電源的要求和抗雷電等方面，B產(chǎn)品的適應(yīng)性要寬一些，使用環(huán)境也不太苛刻。從產(chǎn)品介紹上可以看出，B產(chǎn)品一直應(yīng)用于高可靠性領(lǐng)域，如軍事、宇航等部門。B產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有較大的冗余度，機(jī)內(nèi)帶有抗雷擊、抗浪涌器件，平均無故障工作時(shí)間也大大長于其它四種產(chǎn)品。

　　2、從備份方式上看，A產(chǎn)品有數(shù)種方式如單機(jī)工作（在線式或“智能節(jié)能”方式）、雙機(jī)串聯(lián)、雙機(jī)或多機(jī)并聯(lián)（有冗余和沒冗余）可供選擇；C和D產(chǎn)品則首先推薦高級(jí)（均流）并聯(lián)式；B產(chǎn)品則可提供雙機(jī)并聯(lián)和多機(jī)并聯(lián)。多機(jī)并聯(lián)的好處是可以進(jìn)一步增容。

　　3、從通訊功能上看，D產(chǎn)品較為突出，它同時(shí)提供了RS232和RS485接口，一組繼電器干接點(diǎn)輸出接口和一組“用戶自定義”報(bào)警輸出接口，共四種通信接口，再配以電源監(jiān)管軟件，可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

　　4、從產(chǎn)品的名氣來看，A產(chǎn)品比較有優(yōu)勢(shì)。A產(chǎn)品進(jìn)入中國較早，用戶量大，已樹立起良好的口碑。A產(chǎn)品在使用方面也具有人性化的特點(diǎn)，比較照顧中國人的習(xí)慣，如控制面板上能顯示中文等。別的商家也承認(rèn)A產(chǎn)品質(zhì)量過硬。C產(chǎn)品國內(nèi)保有量最少，維修點(diǎn)也少，日前難以保證及時(shí)的維修。B和D產(chǎn)品，在省內(nèi)的電信、銀行、交通等部門使用較多，也已形成一定規(guī)模的用戶群。

　　5、從外觀設(shè)計(jì)來看，A、B、C、D號(hào)產(chǎn)品的樣式都比較考究，體現(xiàn)了大企業(yè)的產(chǎn)品風(fēng)范。A和D產(chǎn)品都有大屏幕的液晶顯示板，易看易操作。相比之下，E產(chǎn)品就沒有這樣漂亮的外形，我們?cè)趯?shí)際用戶考察時(shí)發(fā)現(xiàn)，E產(chǎn)品的外殼因用料太軟，前門竟存在著變形，且鍍層十分粗糙。

　　6、從廣電系統(tǒng)內(nèi)使用情況看，A和E產(chǎn)品使用相對(duì)較多。E產(chǎn)品被數(shù)家國內(nèi)地球站采用，主要原因是其價(jià)位較低。據(jù)用戶使用的經(jīng)驗(yàn)，E產(chǎn)品的質(zhì)量還不錯(cuò)，但其缺點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)噪聲較大，整機(jī)效率低下。據(jù)我們現(xiàn)場考察，E產(chǎn)品的集成度不夠高，機(jī)內(nèi)有大量的控制插板，連線復(fù)雜。

　　7、從電池的選擇上，供貨商家都提供了幾種方案。商家普遍認(rèn)為湯淺電池較好，屬于物美價(jià)廉的產(chǎn)品。另外，電池的壽命是影響價(jià)格的重要因素，目前電池廠家所提供電池的壽命可大致分為3-5年型和7-10年型，兩者價(jià)格相差很大。我們認(rèn)為，選用3-5年壽命的電池即可，供貨商家也都是按這種電池報(bào)的價(jià)。目前電池價(jià)格有下降的趨勢(shì)，如果價(jià)位適中，也可考慮購買7-10年壽命的電池組。

　　8、供貨方面，A產(chǎn)品是由其中國公司直接提供的，供貨渠道快捷可靠。

綜合以上因素，我們認(rèn)為，鑒于我們的使用環(huán)境較好，市電較為穩(wěn)定，有備用發(fā)電機(jī)組，再考慮到資金不太緊張，可以首先考慮A產(chǎn)品即法國梅蘭日蘭的產(chǎn)品。在評(píng)標(biāo)過程中，專家委員會(huì)接受了我們的意見，確定采用梅蘭日蘭的產(chǎn)品。

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