锂电池定制16年-动力锂电池系统解决方案商

 

随着互联网技术的不断发展和计算机的日益普及，一般的高科技产品和设备对供电质量提出了越来越严格的要求。

例如，工业自动化过程控制系统、数据通信处理系统、航空管理系统和精密测量系统都需要交流电网提供电压稳定、频率稳定、无浪涌和无尖峰交流功率。

这是因为当电源突然中断或电源质量严重超过设备（系统）的标准要求时，轻则会造成数据丢失、系统运行异常和产品不合格，系统会发生故障或造成不可估量的损失。

然而，由于风、雨、闪电等自然灾害的影响，以及一些用户负荷、人为因素和其他事故的影响，普通公用电网提供的交流电不能完全满足负荷要求。

为了保证负载供电的连续性，提供满足负载要求的高质量电源，满足一些重要负载对电源的严格要求。

自20世纪60年代以来，出现了一种新型的交流不间断电源系统（UPS），与昂贵的设备相比，其配置相对便宜。使用UPS电源保护关键设备是非常值得的。

近年来，UPS电源发展迅速，已成为电力、军工、航空、航天和现代办公等领域必不可少的电源设备。

电池在UPS电源中起着非常重要的作用。铅酸电池技术成熟，目前占比较高。随着锂离子电池的普及，锂离子电池逐渐成为UPS系统的一员。

新能源在21世纪迅速发展，UPS锂电池将在未来颠覆UPS行业。

 

1.UPS电源的定义和功能

1.1 UPS的定义

所谓的不间断电源/系统（UPS）是指当交流电网的输入异常时，可以继续向负载供电而不影响供电质量的供电设备。

通常有两种类型的UPS，根据其向负载提供交流还是直流，即交流不间断电源系统和直流不间断电源，但人们通常将交流不间断供电系统称为UPS。

1.2 UPS的功能

理想的交流电源输出电压是纯正弦波，即没有谐波叠加在正弦波上，也没有瞬时扰动。

然而，由于许多内部原因和外部干扰，实际电网的波形不是标准正弦波，其电压也由于电路阻抗的限制而不稳定。

造成干扰的原因有很多，例如发电厂本身的交流功率输出不是纯正弦波、公用电网中大型电机的启动、开关电源的应用、各种开关的操作、雷电、风雨等，都可能对电网产生不利影响。

作为一种交流不间断电源设备，UPS向大型系统供电具有两个主要功能：

首先，当主电源中断时，它可以继续为负载提供交流电源；第二，当市电电源没有中断，但电源质量不能满足负载要求时，应具有电压和频率净化等交流电源的净化效果。

净化功能是指当电网向用户提供的交流电力不是理想的正弦波，而是频率、电压和波形异常时。

UPS电源可以将不满足负载要求的电能处理为完全满足负载要求。主电源在以下方面异常（如图所示）。

① 电压尖峰：峰值电压达到6000V，持续时间为0.01-10ms的电压尖峰。其原因通常是静电放电、雷击、电弧放电和大型电气设备的开关操作。

 

 

② 电压瞬变：脉冲电压，峰值电压可达20kV，持续时间1~100ps。主要原因和可能的损坏与电压尖峰相似，但数量不同。

③ 电线噪声：指电磁干扰（EMI）、射频干扰（RFI）和其他高频干扰。

当电机运行时，继电器动作和广播会造成电线噪声干扰。电网导线噪声会影响负载控制电路。

④ 陷波：指对正常电压波形的开关干扰（或其他干扰），持续时间小于半个周期，与正常极性相反，也包括半个周期内的完全电压损失。

⑤ 凹陷或变暗：指电源电压的有效值在额定值的80%到85%之间，持续时间超过一到几个周期。

大型设备的启动、大型电动机的启动以及大型电力变压器与电网的连接将导致电压骤降。

⑥ 电压浪涌：指电源电压的有效值超过额定值的110%，并持续超过一到几个周期。电压浪涌主要是由于几个大型电气设备关闭时电网突然卸载造成的。

⑦ 欠电压：指低于额定电压一定百分比的稳定低电压。其原因包括大型设备启动和使用、主电源线开关、大型电机启动和线路过载等。

⑧ 过电压：指超过额定电压一定百分比的稳定高压。这通常是由接线错误、电厂或发电站调整错误以及附近重型设备停机引起的。

对于单相电源，可能是三相负载不平衡或中线接地不良造成的。

⑨ 谐波失真：表示电源电压相对于线性正弦波电压的偏差。通常用总谐波失真（THD）表示。

一方面，发电设备的功率输出不是纯正弦波，另一方面，非线性负载对电网的影响。

⑩ 停电：电网停止供电至少两个周期至几个小时。这是由主线断路器跳闸、主电源中断和电网故障引起的。

⑪ 频率变化：电网频率偏差超过2Hz（<48Hz或>52Hz），这主要是由于应急发电机或频率不稳定的电源运行不稳定。

上述污染或干扰对计算机和其他敏感设备造成的危害并不相同。电源中断可能会导致硬件损坏。

 

电压骤降可能会导致硬件提前老化和文件数据丢失。过电压、欠电压和电压浪涌可能会损坏驱动器、存储器、逻辑电路，并可能导致不可预知的软件故障。电线噪声和瞬态电压会损坏逻辑电路和文件数据。

 

2.UPS电源类型

UPS自成立以来发展迅速。早期的UPS电源是一种动态不间断电源。当电源正常时，电源驱动电机，电机驱动发电机产生交流电。

这种交流电为负载供电，并使巨大的飞轮高速旋转。当电网发生变化时，飞轮的巨大惯性不会对电压的瞬时变化做出响应，因此输出电压的稳定性得到保证。

在电网断电的情况下，飞轮的惯性驱动发电机继续向负载供电，同时启动连接到飞轮的备用发电机组。

备用发电机组转动飞轮，从而驱动交流发电机向负载供电。

然而，在上述方案中，当具有动能存储的飞轮切断电源时，延长电源时间必然受到限制。为了进一步延长供电时间，稍后将采用图中所示的结构。

整流器之后，电池一直充电，另一路由直流电机供电。直流电机驱动交流发电机输出电压和频率稳定性。

当市电中断时，交流发电机依靠储存在电池组中的能量继续运行，从而达到不间断负载供电的目的。

这种动态UPS为设备供电时，噪音大，且具有效率低、开关时间长、重量大等缺点，尚未得到广泛应用。

随着半导体技术的快速发展，使用各种电器的静态UPS迅速取代了早期的动态UPS，系统中的电池存储存储能量并提供静态UPS电源，通过静态逆变器保持负载电源的连续性。

与动态UPS相比，静态UPS以更低的噪声和更高的效率为负载供电，并且体积更小、重量轻、操作方便、备份时间长。本文中描述的UPS电源是静态UPS。

 

 

根据输出容量，UPS类型可分为小容量（10kV·A以下）UPS、中容量（10-100kV·A）UPS和大容量（100kV·A以上）UPS。

根据输入输出电压相数，可分为单输入单输出UPS、三输入三输出UPS和三输入单输出UPS；根据输出波形的不同，UPS的类型有：方波UPS、梯形波UPS和正弦波UPS；

但人们习惯于根据UPS电路结构形式进行分类，可分为无源备用UPS、线路交互式UPS和在线式UPS。

 

2.1无源备用UPS

当交流输入正常时，通过电压调节器向负载提供无源备用UPS电源。当交流输入异常时，UPS的电池通过逆变器向负载供电。

无源备用UPS是最初的静态UPS。它提供市电，由充电器、电池、逆变器和变压器抽头电压调节器组成。下图显示了备用UPS的工作原理。

 

 

（1） 正常操作模式

当输入交流电压和频率在允许范围内时，使用低通滤波器适当地衰减来自电网的高频干扰，然后将电路分成两个通道以控制后续阶段的正常操作。

① 通过充电器为电池充电，以支持UPS在电源中断时为负载供电的正常运行。

② 通过位于交流旁路通道中的“变压器抽头调节电压调节器电源”，大幅波动的市电电压得以稳定。

然后，在UPS逻辑控制电路的作用下，稳定电源通过转换开关向负载供电。

此时，逆变器仅处于空载运行状态，不输出能量，严格来说，逆变器不工作。

（2） 储能运行模式

当输入交流电压或频率异常时，在UPS逻辑控制电路的作用下，UPS为负载供电的过程如下。

① 充电器停止工作。

② 当切断交流旁路电源通道时，转换开关将负载连接到逆变器的输出端，从而实现从市电电源到逆变器电源的转换。

③ 逆变器吸收储存在电池中的直流电，并将其转换为稳定的交流电流（如50Hz/220V），以维持对负载的供电。根据负载，逆变器输出电压可以是正弦波或方波。

 

根据无源备用UPS的工作原理，其性能特点如下：

① 电路简单、成本低、可靠性高

② 当电网正常时，逆变器仅处于空载运行状态，整机效率可达98%。

③ 由于它大部分时间都是向电网供电，UPS输出能力强，对负载电流峰值系数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格要求。

④ 输出电压稳定性精度差，但能满足负载要求。

⑤ 输出具有转换开关，当主电源中断时，输出功率具有短时间的不连续性，并且受到开关电流能力和动作时间的限制，难以增加输出容量。

因此，备用正弦波输出UPS容量通常小于3kV·A，而备用方波输出UFS容量通常小于1kV·A。

2.2在线UPS

当交流输入正常时，UPS的电池通过整流器和逆变器为负载供电。当交流输入异常时，UPS的电池通过逆变器为负载供电。

在线UPS也称为双变换在线UPS或串联调节UPS。目前，大多数大容量UPS都采用这种结构。

UPS电源通常由整流器、充电器、电池、逆变器等组成。它是一种主要由逆变器提供UPS电源的电源。图显示了工作原理。

 

 

（1） 正常操作模式

当输入交流电压和频率在允许范围内时，使用EMI/RFI滤波器适当衰减来自电网的传导电磁干扰和射频干扰，然后将电路分为三个通道以控制后续阶段的正常操作。

① 当逆变器通道故障时，直接连接交流旁路电源通道作为备用电源。

② 通过充电器对UPS中的电池组进行浮动充电，以便当电源中断时，UPS的电池以足够的能量为正常运行供电。

③ 经过整流器和大电容滤波器转换成相对稳定的直流电，然后逆变器将转换成电压和频率稳定的交流电，通过转换开关传递给负载。

（2） 储能运行模式

当输入交流电压或频率异常时，UPS在逻辑控制电路的作用下以以下模式为所有负载供电。

① 关闭充电器并停止对电池充电。

② UPS中的电池为逆变器供电，存储在电池中的直流电被转换为负载所需的交流电，用于保持负载电源的连续性。

（3） 旁路操作模式

在市电正常情况下，出现以下情况之一：

UPS输出端子出现输出过载或短路故障；由于环境温度过高和冷却风扇故障，逆变器或整流器中的电源开关管温度超过安全限值；

如果UPS电源中的逆变器出现故障，则UPS在逻辑控制电路的控制下通过直接切换到市电旁路来为负载供电。

 

 

（4） ECO操作模式

交流输入通常，UPS通过静态旁路模式为负载供电。当交流输入异常时，UPS切换逆变器的电源模式。

根据在线UPS电源的工作原理，其性能特点如下：

① 无论电源是否正常，负载的所有功率都由逆变器提供。因此，在电源故障时，UPS输出不会中断。

② 输出功率质量高。UPS逆变器采用高频正弦脉宽调制和输出波形反馈控制，以提供高电压稳定性、低波形失真、稳定频率和快速动态响应负载的高质量电源。

③ 所有负载功率由逆变器提供，UPS的容量裕度有限，输出容量不理想。

因此，对负载的输出电流峰值系数、过载能力、输出功率因数等提出了限制，输出有功功率小于标定的kV·A数，应对冲击负载的能力较差。

④ 整流器和逆变器承担所有负载功率，机器效率低。

2.3线路交互式UPS

线路互动式UPS是指当交流输入正常时，通过电压调节器向负载供电，转换器仅为电池充电；

当交流输入异常时，UPS的电池通过转换器为负载供电。交互式UPS电源也称为在线交互式UPS或并联补偿UPS。

与在线UPS相比，该UPS电源省去了整流器和充电器，并由一个可在整流器和逆变器状态下工作的双向转换器和一个电池组成。

当电源输入正常时，双向转换器反向工作（即整流工作状态），为电池组充电；

当电源异常时，双向转换器立即转换为逆变器工作状态，将电池电能转换为交流输出。下图显示了工作原理。

 

 

（1） 正常操作模式

当输入交流电压和频率在允许范围内（例如，市电电压在150V至276V之间）时，市电电源通过低通滤波器衰减来自市电电网的射频干扰和传导电磁干扰，并通过以下控制信道控制UPS的正常运行。

当市电电压在176 v和264V之间时，在UPS逻辑控制电路的作用下，打开开关S0和UPS电源的市电输出通道上的开关。因此，未调节的主电源直接发送到负载。

当市电电压在150~176V之间时，鉴于市电输入电压在低压侧，在UPS逻辑控制电路的作用下，开关S0同时处于断路器状态。

在输入端闭合的升压绕组开关S1，即在升压处理之后的市电电源的低振幅，将通过开关向负载施加更高的电压振幅。

当市电电压在264~276V之间时，为防止对负载造成损坏，输出电压过高在UPS逻辑控制电路的作用下，开关S0同时处于断路器状态。

输入开关S2处的闭合降压绕组，在电压降低处理后，使主电源的高压侧上的振幅通过开关再次负载，实现用户负载的安全操作的目标。

经过处理后，市电电源不仅供应负载电能，还充当双向逆变器的交流输入功率。

双向逆变器在整流状态下运行，从电网中吸收能量并将其存储在电池组中，以在电网异常时提供足够的直流电能。

（2） 储能运行模式

当输入交流电压或频率异常时（例如，市电输入电压低于150V或高于276V），内部逻辑控制电路对UPS电源的关键部件执行以下操作。

双向转换器从原始整流模式转换为逆变器模式。

换言之，此时，系统不再对电池充电，而是吸收电池存储的直流能量，通过正弦波逆变器将其转换为电压稳定和频率稳定的交流电输出到负载。

 

根据交互式UPS的工作原理，其性能特点如下：

① 效率高，高达98%；

② 电路结构简单，成本低，可靠性高。

③ 输入功率因数和输出电流谐波分量取决于负载电流，UPS本身不会产生额外的输入功率因数以及谐波电流失真。

④ 输出能力强，负载电流峰值系数、浪涌系数、过载等无严格限制。

⑤ 转换器直接连接到输出端，在热备份状态下，输出电压峰值干扰具有滤波效果。

⑥ 大部分时间为市电供电，仅对电网电压进行轻微稳定处理，输出电能质量较差。

⑦ 当电网中断时，由于交流旁路开关具有断开时间，UPS输出具有一定的电源中断时间，但转换时间比无源备用UPS短。