UPS行業(yè)標準實施與我國UPS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

       YD/T1095-2000《通信用不間斷電源-UPS》行業(yè)標準自2001年批準執(zhí)行以來,至今已有7年。在1996年底原郵電部對通信電源實行進網(wǎng)管理時,UPS還沒有通信行業(yè)產(chǎn)品標準,對UPS進網(wǎng)質(zhì)量檢驗主要引用了國家標準GB/T14715-93《信息技術(shù)設(shè)備用不間斷電源通用技術(shù)條件》,此標準是UPS產(chǎn)品的通用技術(shù)條件(以下簡稱“通用技術(shù)條件”),由于當時我國UPS技術(shù)開發(fā)和制造業(yè)處于起步階段,無論是技術(shù)水平或單機容量與國外產(chǎn)品相比尚存在較大的差距。而且市場上銷售的小容量UPS幾乎都是為PC機供電,所以在“通用技術(shù)條件”中沒有對輸入功率因數(shù)、輸入諧波電流、輸出穩(wěn)壓精度以及輸出電流峰值系數(shù)等技術(shù)指標作出相應(yīng)的規(guī)定。

    YD/T1095-2000的制定,主要是根據(jù)通信行業(yè)的負載特點提出了不同程度的要求。對UPS的輸入技術(shù)參數(shù)的確定主要根據(jù)有源補償與無源補償?shù)奶匦?并沒有考慮到三相六脈波基本電路的輸入?yún)��?shù)。為了便于通信局、站電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控,對UPS提出了應(yīng)具有遙測、遙信功能,并對遙測、遙信內(nèi)容做了相應(yīng)的規(guī)定。與此同時,也注意到一些用于非重要場合如辦公室自動化、各單位內(nèi)局域網(wǎng)及服務(wù)器的供電對小容量(10kVA以下)UPS的一般要求,在標準中把與此相關(guān)的技術(shù)指標分為三類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類),Ⅰ類指標可滿足上述高端用戶在重要場合下運行的要求。而Ⅲ類指標可達到在非重要場合下運行的一般要求,Ⅱ類指標介于Ⅰ類與Ⅲ類之間,可供用戶根據(jù)負載特性及使用環(huán)境來綜合選擇。

    2004年3月,通信電源由進網(wǎng)管理正式轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品質(zhì)量認證的行業(yè)管理,此標準作為UPS產(chǎn)品檢驗的依據(jù)標準和產(chǎn)品質(zhì)量認證現(xiàn)場檢查的部分依據(jù)。在產(chǎn)品質(zhì)量認證的初期,申請認證的UPS均為雙變換(在線)式,這種形式的大功率UPS(100kVA以上)基本上都是國外品牌產(chǎn)品,其中部分UPS的輸入主電路采用了先進的IGBT(PWM)整流技術(shù),輸入功率因數(shù)可達0.99以上,輸入電流諧波含量小于5%。采用三相12脈波整流器配置無源11次諧波濾波器的 UPS滿載輸入功率因數(shù)也可達到0.95以上,輸入電流諧波含量低于10%。即便是三相6脈波整流器配置無源5次諧波濾波器的UPS,其上述兩項指標也優(yōu)于標準中Ⅱ類技術(shù)要求。以上幾種形式輸入電路的UPS整機轉(zhuǎn)換效率均可≥90%,逆變至旁路轉(zhuǎn)換時間一般都可做到無間斷轉(zhuǎn)換或1ms(毫秒)左右的轉(zhuǎn)換時間,符合標準中Ⅰ類與Ⅱ類的技術(shù)要求。

    對于國產(chǎn)小功率(尤其是20kVA以下)的UPS,變換技術(shù)和主電路結(jié)構(gòu)各具不同,目前一般可分為雙變換(在線)式、互動式和后備式三種。所采用的變換技術(shù)可分為高頻或工頻變換。電路結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的變換技術(shù)也各不相同,其中高頻雙變換(在線)式(以下簡稱高頻在線式)UPS無工頻變壓器,在整流器與逆變器之間設(shè)有一級高頻DC/DC變換電路,其主要功能是對交流輸入端進行功率因數(shù)補償(PFC),如采用連續(xù)電流控制方案可將輸入功率因數(shù)提高至0.98左右,輸入諧波電流含量可控制在10%以內(nèi),轉(zhuǎn)換效率一般大于88%,甚至更高,雖然過載能力較差一些,但也能滿足標準中的Ⅲ類技術(shù)要求。其它主要技術(shù)指標與標準有著較好的符合性。

    與高頻機相比,工頻變換尤其單相輸入的UPS(簡稱工頻機)在以上幾項主要技術(shù)要求中表現(xiàn)欠佳。由于工頻機沒有輸入功率因數(shù)補償功能,所以其輸入功率因數(shù)PF只能達到0.7左右,根據(jù)功率因數(shù)PF與諧波電流含量(THD)的關(guān)系式:

    THD(I)=√(1/PF)2-1 可計算出輸入諧波電流含量THD(I)將達到100%,實際測量的結(jié)果也是如此,也就是說在其輸入端產(chǎn)生的諧波電流的有效值與基波電流有效值相同。如此大的諧波電流無疑要對電網(wǎng)及與電網(wǎng)并聯(lián)的其它用電設(shè)備造成不同程度的傳導干擾,另一方面還要占有交流輸入電源的一部分容量,在諧波電流流過的導線及熔斷器上將產(chǎn)生無用的有功功率,并全部轉(zhuǎn)換為熱量使導線及熔斷器的溫升增大。另一方面輸出容量在10～20kVA工頻機的轉(zhuǎn)換效率一般只能做到85%左右,甚至更低,所以上述幾項技術(shù)指標很難達到標準中的要求。工頻機的過載能力較強,一般可達到標準中Ⅰ類技術(shù)要求,逆變至旁路轉(zhuǎn)換時間與高頻機相比無明顯差異。

    由于這種UPS裝有工頻變壓器,所以無論是整機重量或制造成本與高頻機相比都比較高。以一臺效率為85%的10kVA工頻機帶70%的負載為例,與效率為 90%的同容量高頻機在同樣的條件下運行一年所消耗的電量相比,工頻機比高頻機多消耗近4000度電。由于上述原因,再加之2005年至2007年原材料價格上漲,這也是導致工頻機在國內(nèi)市場占有率逐漸下降的原因之一。

    一些多年生產(chǎn)工頻機的企業(yè)面對市場需求與行業(yè)的監(jiān)督管理,一方面著手引進或開發(fā)高頻變換技術(shù),而另一方面對現(xiàn)有工頻機的輸入功率因數(shù)和輸入諧波電流采取機外補償?shù)拇胧�。但采用補償措施后的工頻機很難適應(yīng)市場的要求。

    面對上述小功率工頻UPS存在的問題,一方面要對市場(用戶)采取積極正確的引導措施,電網(wǎng)運營及通信行業(yè)主管部門對廣大用戶和UPS生產(chǎn)企業(yè)積極地進行節(jié)能環(huán)保的宣傳。另一方面技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗機構(gòu)要加大對此類產(chǎn)品的監(jiān)督力度,只有這樣才能加快這些高能耗且對電網(wǎng)嚴重污染的UPS從國內(nèi)市場上退出。

    互動式UPS可為一般負載(主要是辦公自動化的計算機等)提供較為穩(wěn)定可靠的供電。此種UPS的輸出容量一般在5kVA以下,其電路結(jié)構(gòu)比較簡單,主變換電路只有一個可雙向變換的變換器,當市電電壓在負載允許變化的范圍內(nèi)時,市電通過UPS內(nèi)部帶有多路抽頭的穩(wěn)壓器直接對負載供電,同時其內(nèi)部的變換器以 AC/DC整流方式對蓄電池充電;當市電電壓的變化范圍超過負載要求時,其內(nèi)部的穩(wěn)壓器通過多路抽頭的切換將UPS的輸出電壓穩(wěn)定在負載允許范圍內(nèi)。如果市電停電或電壓、頻率超過UPS的允許范圍,此時UPS的工作方式將轉(zhuǎn)入逆變狀態(tài),其內(nèi)部的變換器以DC/AC逆變方式將蓄電池的直流電壓變換為交流 220V正弦波或準方波電壓繼續(xù)為負載供電。另有一些互動式UPS無論工作在哪種狀態(tài),其變換器的控制電路始終檢測并跟蹤著市電交流電壓的頻率和相位,以滿足兩種工作方式在同頻率同相位狀態(tài)下相互轉(zhuǎn)換的要求。

    互動式UPS具有電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、正常工作時過載能力強、高效節(jié)能等優(yōu)點。同時也存在一些不足之處,由于其輸入端只有高頻無源濾波電路而沒有功率因數(shù)補償功能,所以非線性負載產(chǎn)生的諧波電流幾乎完全由交流電網(wǎng)提供,因而對交流電網(wǎng)會產(chǎn)生諧波傳導干擾,反之,來自交流電網(wǎng)的各種干擾也會直接影響負載的正常工作。在市電供電時,其輸出電壓的穩(wěn)定性決定于市電的波動性與其內(nèi)部穩(wěn)壓電路的抽頭數(shù)量以及兩抽頭間電壓變化量。當抽頭數(shù)量較少且兩抽頭間繞組匝數(shù)較多時,穩(wěn)壓電路在調(diào)節(jié)輸出電壓時會出現(xiàn)輸出電壓過高或過低的現(xiàn)象。只要將抽頭數(shù)量適當增加,輸出電壓便可穩(wěn)定在一個變化較小的范圍內(nèi),雖然其穩(wěn)壓性能較上述雙變換式UPS差一些,但也可以滿足一般負載的要求。由于電路結(jié)構(gòu)的特點,這種UPS沒有旁路轉(zhuǎn)換功能,在DC/AC逆變器進入供電狀態(tài)之前,必須使輸入主電路與市電電網(wǎng)分離,避免逆變器向市電電網(wǎng)反向供電。所以互動式UPS的市電與電池的轉(zhuǎn)換時間不會比上述雙變換UPS的轉(zhuǎn)換時間快。但一般可小于 10ms,較快的可做到7ms左右,這對一般的計算機不會影響其正常運行。互動式UPS雖然沒有雙變換UPS的隔離功能與輸入功率因數(shù)補償,但是由于容量小對交流電網(wǎng)的諧波干擾也較小,正常工作時只有穩(wěn)壓器的鐵損和銅損,所以轉(zhuǎn)換效率很高(可達98%)。這種UPS較適用于交流電網(wǎng)供電質(zhì)量較好的條件下工作,其主要作用是防止交流電網(wǎng)瞬間短時間掉電或因前級交流配電故障突然停電而丟失未存儲的數(shù)據(jù)。

    目前由于對通信電源行業(yè)管理的需要,互動式與后備式UPS也納入對電源產(chǎn)品實行的質(zhì)量認證所涵蓋的產(chǎn)品,但目前還沒有一個能與之相適應(yīng)的行業(yè)標準作為互動式與后備式UPS產(chǎn)品質(zhì)量檢驗及現(xiàn)場檢查的依據(jù)。雖然“通用技術(shù)條件”中一些技術(shù)要求項目能與互動式UPS相符合,但是由于當時國內(nèi)UPS的技術(shù)狀況,這些技術(shù)要求的高低和與之相對應(yīng)的試驗方法也不能適應(yīng)目前對互動式UPS技術(shù)指標的質(zhì)量檢驗。對后備式UPS而言也同樣存在此問題,也就是說“通用技術(shù)條件 ”中的試驗方法不具備互動式UPS檢驗的可操作性。
近幾年來由于用戶對雙變換在線式UPS運行可靠性要求的不斷提高,國內(nèi)外UPS生產(chǎn)廠家分別推出了單機柜冗余式UPS。這種形式的UPS系統(tǒng)是由若干個小功率(3～5kVA)的模塊UPS在系統(tǒng)機架上并聯(lián)組成,每個模塊都具有雙變換在線式UPS的電路結(jié)構(gòu)與基本功能,系統(tǒng)的監(jiān)控單元可對所有模塊UPS實施統(tǒng)一管理。

    此種形式UPS系統(tǒng)的可靠性及可用性與上述單機柜無冗余UPS相比有了較大的提高。由于這種UPS的系統(tǒng)是由若干個小功率的模塊UPS組成,所以系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率有可能低于同等容量UPS單機的效率,而且其輸入功率因數(shù)與諧波電流的補償是在每個模塊UPS上實現(xiàn)的,可能會使整機硬件成本加大。由于單機柜冗余式UPS的監(jiān)控單元要控制幾個或十幾個模塊UPS,使其輸出電壓均等,跟蹤電網(wǎng)頻率與相位,并使故障模塊迅速退出系統(tǒng)及旁路轉(zhuǎn)換的一致性等,會使控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與技術(shù)較為復雜。在電磁兼容性方面也要做一些特殊考慮。

    由于多方面原因,目前我國大多數(shù)UPS制造廠家在中、大容量(80kVA以上)UPS的自主設(shè)計、制造能力與美國和歐洲相比還處于較落后的水平。這主要和我國基礎(chǔ)工業(yè)(機械與電子工業(yè))的平均水平有關(guān),現(xiàn)在國內(nèi)雖然有少數(shù)UPS制造企業(yè)也能制造出50～80kVA或容量更大的三相UPS,但就其部件及整機的制造工藝水平還沒有達到標準化大批量生產(chǎn)的水平。輸入主電路的技術(shù)水平一般停留在三相6脈波形式,或在每相交流輸入電路中串聯(lián)帶有鐵心的電感,以此來減小輸入諧波電流含量,這樣雖然在輸出額定負載時輸入諧波電流含量可達到20%左右,輸入功率因數(shù)一般不會超過0.9,轉(zhuǎn)換效率很難達到90%。如果要進一步提高上述技術(shù)指標可考慮配置12脈波整流器,但是80kVA以下的UPS配置12脈波整流器會使整機價格增加較大,性能價格比較差而失去價格競爭力。而國內(nèi)市場對國產(chǎn)大容量UPS價格水平的認可度較低,所以國產(chǎn)大容量UPS一時很難找到合適的市場切入點。

    多數(shù)UPS生產(chǎn)廠家對大容量UPS復雜的控制及保護電路技術(shù)的掌握程度和設(shè)計水平,目前還未達到能自主靈活設(shè)計的程度,在這方面可能也存在一些控制電路專用芯片的所有權(quán)問題。另有一些UPS制造商是以從國外進口零部件在國內(nèi)組裝貼國內(nèi)品牌參與市場競爭,還有一些UPS制造商只購進主要零部件,在國內(nèi)完成整機結(jié)構(gòu)設(shè)計并經(jīng)組裝調(diào)試后成為自有品牌的產(chǎn)品。近十幾年來由于我國通信及信息網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,為大容量UPS提供了一個巨大的市場,大容量UPS的設(shè)計與制造水平可以作為衡量電力電子工業(yè)的現(xiàn)有技術(shù)狀況的一個標準。我國對大容量UPS關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)應(yīng)充分發(fā)揮國內(nèi)研發(fā)能力較強的UPS生產(chǎn)企業(yè)、具有功率電子學研究與試驗?zāi)芰Φ母咝Ｔ囼炇壹皩�業(yè)技術(shù)人員的作用,電源學會與行業(yè)協(xié)會發(fā)揮技術(shù)指導與社會協(xié)調(diào)等作用。同時也要不斷提高我國基礎(chǔ)工業(yè)的平均水平。
而對于已執(zhí)行了6年的YD/1095-2000《通信用不間斷電源-UPS》的行業(yè)標準面對目前國內(nèi)用戶所使用的UPS的種類,該標準的產(chǎn)品覆蓋范圍已不能完全滿足通信行業(yè)質(zhì)量監(jiān)督管理的要求與用戶對產(chǎn)品性能質(zhì)量優(yōu)劣判定的依據(jù)。所以在對YD/1095-2000的修訂工作中,不但要考慮到此標準對通信行業(yè)內(nèi)大多數(shù)UPS產(chǎn)品種類的覆蓋性,而且對標準中技術(shù)要求指標的分類也應(yīng)做適當?shù)恼{(diào)整。關(guān)于輸入功率因數(shù)與諧波電流成分指標的分類,建議應(yīng)參考高頻機的輸入?yún)��?shù)與12脈波整流器以及IGBT(PWM)整流或其它輸入方式的技術(shù)指標。為避免現(xiàn)行標準中“輸出功率因數(shù)”與UPS制造商和用戶的習慣說法混淆,而且 UPS在驅(qū)動整流非線性負載時,其輸出功率因數(shù)與輸出電流峰值系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的,都同時表現(xiàn)了UPS對整流非線性負載的驅(qū)動能力,所以只保留輸出電流峰值系數(shù)一項即可。對于其它的技術(shù)要求與試驗方法的調(diào)整和修改將會廣泛地征求業(yè)內(nèi)外技術(shù)專家、生產(chǎn)廠家及行業(yè)用戶的寶貴意見。

    總而言之,產(chǎn)品的行業(yè)標準要跟蹤產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動態(tài)及市場的需求,產(chǎn)品標準應(yīng)是使產(chǎn)品功能兼容、質(zhì)量保證及促進技術(shù)進步的必要保障。