UPS電源針對電機類負載的適應性設計

 在一些需要保證負載不斷電的應用場合里面，有時客戶會發(fā)現(xiàn)UPS頻繁出現(xiàn)DC BUS高保護，或者負功保護等。一些客戶會據(jù)此認為是UPS的質(zhì)量問題。實際上多數(shù)情況下這都是由于后面帶有電機類負載產(chǎn)生的現(xiàn)象。在工業(yè)場合中，電機是一種主要的負載形式。當工業(yè)應用中的關鍵環(huán)節(jié)必需有足夠高的電源保護等級時，UPS與電機類負載的配合問題就是一個要重點考慮的因素。

通常UPS的設計初衷是保護關鍵IT類設備，在電路結(jié)構上就主要基于IT類設備的特點進行設計。比如目前IT設備的主要是使用開關電源，歐盟法規(guī)規(guī)定75W以上的設備都要具備功率因數(shù)校正。UPS主要面對的就是帶有功率因數(shù)校正的負載，在通常情況下其特性是一個功率因數(shù)接近于1的恒功率負載。在大功率電氣設備方面，還有一些舊的設備在使用，這些設備通常是基于6脈波整流或者12脈波整流技術，特點是一個恒功率的非線性整流負載。

無論是帶有PFC的開關電源，還是脈波整流電源，其功率的實部都只能是正的，能量不會反灌回市電，在UPS的設計中更加重視的是在恒功率負載下的可靠性，以及在帶有非線性的整流性負載時的諧波控制能力，以及電壓穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)恢復速度，而不會特別要求具有能量回饋的能力。特別是在UPS帶有大量智能化的設計之后，往往會把能量從負載回饋到UPS的直流母線作為一種故障狀態(tài)來對待。在帶有電機類負載的時候，電機再生發(fā)電產(chǎn)生的能量很容易觸發(fā)UPS的保護條件。

另一方面，UPS在電路架構上常用的結(jié)構是整流+電池升壓+逆變器的結(jié)構，很大一部分UPS的整流和電池升壓部分都是使用Boost或者變形的電路，能量僅能從市電和電池流動到直流母線上，而不能反向流動。這樣軟件上允許能量回饋，當發(fā)生能量回饋時，由于能量都儲存在直流母線上，造成直流母線升高，終仍然會導致UPS跳脫保護。

電機負載的特性與IT設備常見的開關電源完全不同，表現(xiàn)為具有啟動/制動等諸多工作狀態(tài)，隨著電機后面所帶負載的不同會有非常大的差異，完全不像IT類開關電源那樣只有帶載/卸載。具體的解決方案也需要考慮電機后面所帶負載的情況分別進行處理。

電機在啟動時有很高的瞬態(tài)沖擊，如果沒有額外的輔助措施，就需要UPS電源能夠在瞬時供應非常大的功率。針對IT設備設計UPS一般僅僅是根據(jù)短時間內(nèi)2倍功率設計，而有的UPS則是僅有1.5倍。對于再大功率的負載，軟件限流算法或者硬件的限流線路就會發(fā)生作用，從而影響電機啟動。好在UPS一般都設計有Line Support功能，當負載功率大時能夠通過旁路供電來解決。在電池模式下，無法通過旁路分擔功率，就存在電機啟動過程異常的可能。為此對于瞬間供應電流的能力非常關鍵的場合，就需要選擇更大功率的UPS。

電機在制動時具有能量再生，此時回饋的能量并不僅是電機本身儲存的能量，還可能包含了電機后面連接的負載所具有的慣性以及勢能所儲存的能量。以電梯為例，當電梯上升時需要電機提供能量，而當電梯下降時如果電梯的重量超過下降過程中的阻力，就會成為一個發(fā)電設備，帶動電機發(fā)電，這樣再生出來的電力就有可能反灌回UPS。

在帶有電機的應用中還有一個因素需要加以考慮，就是變頻調(diào)速裝置。不同的變頻調(diào)速裝置對于UPS系統(tǒng)的影響也是不一樣的。

在輸入端是一個六脈波整流以及附加的直流或者交流側(cè)濾波器，而在直流母線上連接有制動電阻。當電機發(fā)生能量回饋時，變頻器的直流母線會被充高。在直流母線達到預設的電壓點時，通過開通制動電阻控制來消耗掉回饋的能量。這種做法是目前工業(yè)界普遍的方式，其優(yōu)點是簡單可靠，對于UPS來說變頻器就是一個標準的非線性整流負載，與IT類負載非常接近。當然其缺點則是電機回饋的能量被轉(zhuǎn)換成熱量消耗掉，沒有重新利用。

為了節(jié)約能源，部分高端變頻器采用了背靠背的結(jié)構，而普通變頻器也可以通過添加能量回饋模塊來把電機回饋的能量返回輸入端。見下圖所示。


對于這類變頻器來說，電機再生的電能仍然會回饋到UPS里面，使得UPS面臨與直接連接電機類似的問題。

還有一類特殊的變頻器使用了矩陣變換器的結(jié)構，見下圖所示。由于其中沒有儲能元件，所有的能量都直接在輸入輸出端傳遞，對于UPS來說與直接連接電機也沒有區(qū)別。

當然，如果UPS直流母線具有足夠大的容量，電機回饋的能量導致的直流母線充高在能夠接受的范圍內(nèi)，那么由于給電機提供的平均能量仍然是正的，UPS就仍然可以放心應用。通常情況下UPS都沒有那么大的直流母線電容，必須考慮的方式來解決電機負載能量回饋問題。出于簡單起見，這里僅討論UPS單機下的解決方案，在并聯(lián)系統(tǒng)里面的負功率保護問題牽涉到很多其他的并聯(lián)系統(tǒng)模塊設計的問題，并不僅僅是電機再生能量的處理。

部分UPS在電路架構上是使用完全雙向的結(jié)構，見下面圖中所示。其中PFC，逆變甚至電池DC/DC都可以保證能量雙向流動。

從原理上來說，只要軟件上解除在PFC級和逆變器的復功率限制，這種UPS完全可以工作在雙向模式下：當電機發(fā)生能量回饋時，在市電模式下，通過PFC把能量反饋回市電;在電池模式下，通過雙向DC/DC把能量反饋回電池。這里面有一些必須考慮到的因素，比如：

電網(wǎng)是否允許能量回饋?

能量回饋電網(wǎng)需要滿足那些規(guī)范?

電池允許的充電功率有多大?

首要的問題是電網(wǎng)方面是否允許再生能量回饋。不同地方的電網(wǎng)對此的要求可能會不一樣，對于一些功率特別大的負載，電網(wǎng)出于穩(wěn)定性考慮可能不希望能量回饋。如果輸入端使用的是通常的柴油發(fā)電機，那么是不能回饋能量的。

在允許能量回饋電網(wǎng)的前提下，必須考慮此時面對的安全問題，這是太陽能發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)面臨過的。當能量向電網(wǎng)回饋，而電網(wǎng)由于此時斷電的話，就會出現(xiàn)所謂的孤島效應問題。而電網(wǎng)如果在回饋過程中出現(xiàn)短時間低電壓等異常情況，UPS的能量回饋也應當正常工作一段時間。為此適用于可再生能源發(fā)電的技術，比如孤島檢測，低電壓穿越等技術就業(yè)需要配備在UPS上。

在電池模式下，常用的鉛酸蓄電池在充電和放電時所允許的電流是不同的，充電時的大電流要小得多。這就意味著如果負載回饋能量很大時，充電電流就也會很大，為此在電池模式下兼容電機負載就需要使用足夠多的蓄電池組來分攤充電電流。一方面，一般UPS的充電功率是根據(jù)常見電池組的容量來配備的，如果要加大充電的功率，這部分電路也需要特別設計。

對于其他電路架構的UPS，比如下面一種常見的結(jié)構，其電池升壓和PFC都是單向工作的，這就意味著電機再生能量是無法反灌到市電或者電池的，必須想辦法。

在市電模式下，簡單的方式不外乎采用旁路解決。只要發(fā)現(xiàn)負載回饋的能量過大，就把UPS轉(zhuǎn)到旁路模式下，通過旁路來吸收電機再生能量。這一方法只有在旁路真正是市電，并且正常情況下可以使用，其應用是有一些局限性的。如果要求UPS不管在市電還是電池模式下還是使用發(fā)電機做輸入都能搭配電機負載工作，就必須還要有其他的方法。

一種不受市電和電池模式限制的簡單方式就是像變頻器一樣加入制動電阻來消耗多余的能量。這一設計在變頻器上已經(jīng)非常成熟，可以很方便的移植到UPS上使用。由于傳統(tǒng)上UPS并不具有專門為制動使用的IGBT，需要把制動電阻和制動IGBT單獨設計為一個模塊，根據(jù)需要來作為可選的附件來使用。

能量回饋模塊也是變頻器上成熟的技術，當然也可以用到這里。能量回饋模塊的原理也是把電機回饋的能量轉(zhuǎn)成交流返回給市電，為此在電池模式，或者在輸入是發(fā)電機的情況下，能量回饋模塊也是不能使用的。

在UPS的充電器設計中，一種常用的做法是從直流母線取電，通過電路降壓后給電池充電。在這種方式下，就給電機能量回饋的處理提供了一個變通的方式：無論在市電模式還是在電池模式下，都通過充電器把多余的能量轉(zhuǎn)給電池儲存。當電池充到某一個程度時就轉(zhuǎn)到電池模式，把能量釋放到一個相對低的水平。這樣通過略微降低一點電池后備時間，可以換來電機負載問題的解決。這個過程見下圖所示。

在市電模式下，能量是從市電Mains，經(jīng)過PFC，DC BUS，INV產(chǎn)生交流電壓輸出提供給負載，充電器從DC BUS取電，給電池充電。在電池模式下，電池能量經(jīng)過DC/DC，DC BUS和INV提供給負載。

當電機發(fā)生能量回饋時，能量流向就會發(fā)生改變。在市電模式下，如果BUS電壓由于回饋能量而充高時，就需要停止市電供電，而由充電器把能量轉(zhuǎn)移到電池端。

當能量回饋結(jié)束時，需要先檢查電池是否已經(jīng)充滿，如果已經(jīng)充滿，則需要以電池模式把電力釋放掉一部分，以為下一次電機能量回饋留出空間。

之后再重新轉(zhuǎn)回市電模式工作。在市電模式下，充電器也要保證不把電池充滿，而是預留下儲存回饋能量的空間。

在電池模式下則比較簡單，只要BUS由于逆變器復功率而沖高，就關閉電池DC/DC，打開充電器，直到電機能量回饋結(jié)束，再轉(zhuǎn)回電池DC/DC工作。這種解決方案的好處是電機回饋的能量只會返回到電池，在后續(xù)合適的時機再釋放出來，而不會返回到市電，從而防止了類似太陽能并網(wǎng)發(fā)電方式帶來的問題。

很明顯，這個過程與混合動力汽車的原理是非常一致的。同樣的，智能的電池能量的管理在這里也是很關鍵的。如果充電的閾值設得太高，電池有可能被充壞;如果放電的閾值設得太低，可能會影響斷電時的后備時間。同樣的，充電器的容量以及電池允許的大充電電流也是設計時要考慮的重要因素。



在UPS應用中，當負載是會產(chǎn)生再生能量的電機時，一般UPS系統(tǒng)比較容易由于電機制動能量回饋到UPS的直流母線的問題而產(chǎn)生逆變器負功保護或者直流母線高壓保護。為了兼容這種類型負載，UPS系統(tǒng)需要附加額外的功能模塊來達到可靠工作的目的。

為可靠和簡單的方法是為UPS配備可選的制動模塊，其中包含電阻和開關管。當電機制動時，從電機回饋的能量可以利用制動模塊加以消耗。

為了提升能源利用效率，可以通過適當調(diào)整蓄電池容量和充電器功率，選擇電池儲能方法來回收制動再生的能量。通過智能的電池能量管理，維持電池組總有承受下一次能量回饋的空間，可以讓UPS在電機負載條件下可靠工作，并且更加節(jié)能。