White Paper White Paper En optimal grön UPS

Transkript

1 White Paper En optimal grön UPS 7NV0004S rev.0

2 7NV0004S rev.0

3 En optimal grön UPS Nästa generation av grön UPS teknologi ger DP300E trefas-serien unika prestanda. Introduktion Traditionella dubbelkonverterande UPSsystem blir ett allt större problem för energiproducenter och för energiförbrukare som inte är skyddade av UPS. Detta på grund av de övertoner som traditionella UPS-system återmatar till elnätet. Bl.a. försämras spänningskvaliteten av övertonsströmmarna vilket i sin tur gör att känslig elektronisk utrustning kan störas eller skadas. Exempel på detta är faskompenseringskondensatorer som exploderar eller transformatorer som överhettas. Traditionella dubbelkonverterande UPS förbrukar mycket energi på grund av stora interna förluster, och eftersom ett UPS-system normalt går 4 timmar per dygn, 365 dagar per år, blir energiförlusten även ekonomiskt påtaglig. Dessutom utnyttjar vi på detta sätt våra globala energiresurser onödigt hårt. Traditionella UPS-system utnyttjar inte till fullo våra elnät och lokala installationer på grund av en låg ingångseffektfaktor, vilket leder till att kablar och säkringar måste överdimensioneras. Har man dessutom en dieselgenerator kopplad till UPS-systemet måste den också vara rejält överdimensionerad. Allt detta är förändrat i och med introduktionen av Silcons nya generation av grön UPS-teknologi. Vi kallar den för Delta-konverterande UPS. Tekniken används för första gången i Silcons DATA- POWER 300E 3-fas on-line UPS. Jämfört med traditionella dubbelkonverterande system ger DP300E följande bl.a. följande: Energiförlusterna reduceras från 0-5% ner till 3%. Övertonsströmmarna minskas från 30% ner till mindre än 3%. Utnyttjandegraden för elinstallationer ökas från dagens 80% upp till 99%. Grundprincip På bild, och 3 visas de tre olika principerna för on-line UPS; dubbel-konverterande, enkel-konverterande och Deltakonverterande UPS. Det dubbelkonverterande systemet är lättförståeligt. Likriktaren laddar batteriet och ger likspänning till växelriktaren som i sin tur förser belastningen med reglerad växelspänning. Vid ett strömavbrott förses växelriktaren med ström från batteriet tills nätspänningen kommer tillbaka. All omkoppling mellan nät- och batteridrift sker helt utan avbrott på utgången, m.a.o. belastningen får hela tiden stabil växelspänning av mycket god kvalitet. Dessa kvaliteter kännetecknar ett on-line system, och återfinns också i det enkelkonverterande systemet, såväl som i det nya Delta-konverterande systemet. Alla typerna är normalt försedda med en elektronisk förbikoppling (bypass) vilket dock inte kommer att behandlas i denna artikel. På bild visas det välbeprövade enkelkonverterande systemet. Den största skillnaden mot bild är avsaknaden av separat likriktare. Istället finns en omformare av 4-kvadrant-typ som möjliggör att ström kan konverteras åt båda hållen. Därför behövs ingen likriktare. I normaldrift är nätströmställaren stängd och ström tas från nätet. Merparten av energin går till lasten via reaktorn och eftersom energin inte omformas två gånger, som i ett dubbel-konverterande system, så medför denna teknik mycket små energiförluster. Det kanske inte ser självklart ut, men omformaren kontrollerar hela tiden utspänningen även om merparten av energin inte går igenom densamma. Dubbel-konverterande-UPS :a generationens UPS Enkel-konverterande :a generationens UPS Delta-konverterande 30% Övertonsgenerering Låg effektfaktor Energiförlust = 8-% Ingen övertonsgenerering Effekfaktor varierar med belastning og nätspänning Energiförlust= < 5% Ingen övertonsgenerering Effektfaktor ~ Energiförlust = < 4% Bild Bild Bild 3 7NV0004S rev.0 3

4 Eftersom utspänningen alltid är sinusformad medför detta att strömmen som systemet drar från nätet via reaktorn också blir sinusformad, vilket i sin tur gör att systemet inte generar några övertoner. Detta till skillnad från de välkända tyristorstyrda likriktarna i ett dubbelkonverterande system, som generar en ansenlig övertonsström och smutsar ner elnätet. Vid ett strömavbrott är det enkel-konverterande systemets prestanda identiskt med ett dubbelkonverterande system. Energin tas från batteriet och omformaren som går kontinuerligt och kontrollerar utspänningen, kommer nu att förse lasten med ström från batteriet. För att inte mata ut spänning bakvägen till nätet så öppnas nätströmställaren. När strömmen kommer tillbaka stängs strömställaren igen och lasten strömförsörjs från nätet via reaktorn. Omformaren kontrollerar fortfarande utspänningen. Nu jobbar omformaren också som likriktare och laddar batteriet på ett kontrollerat sätt genom att låta ström gå tillbaka in till batteriet. Det kan nu tyckas att det enkelkonverterande systemet är det optimala systemet med dess låga energiförluster, sinusformade inström och enkla uppbyggnad. Det finns dock en nackdel jämfört med ett dubbelkonverterande system och det är en relativt låg ingångs-effektfaktor som varierar med inspänning och belastning. På grund av detta är systemet ej optimalt. Trots denna nackdel är det enkelkonverterande systemet vida överlägset det dubbelkonverterande systemet. Delta-principen Oavbruten forskning och sökande efter förbättringar och ny teknologi har lett till nästa generations UPS-teknologi, Deltakonvertering. Med den nya tekniken elimineras nackdelen med det enkelkonverterande systemet och vi är mycket nära det optimala UPS-systemet. Som kan ses på bild 3 har systemet två omformare kopplade till ett gemensamt batteri. Omformare är dimensionerad till ca 0% av uteffekten från UPS-systemet, och är kopplad till en transformator som ligger i serie med nätet, som strömförsörjer lasten. Omformare är dimensionerad för hela lasten och har i princip samma funktion som i det enkelkonverterande systemet. Båda omformarna har 4-kvadrantkapacitet. Omformare håller utspänningen stabil och exakt reglerad både i nätdrift och batteridrift, samt även under övergången från nät- till batteridrift eller vice versa. Omformare, Delta-omformaren, kompenserar för minsta skillnad mellan in och utspänning. Delta-omformaren kontrollerar också att ingångs effekt faktorn =. Systemet drar sinusformad inström som ligger i fas med spänningen. Dubbel-konverterande-UPS :a generationens UPS Enkel-konverterande :a generationens UPS Delta-konverterande Därtill kontrollerar Deltaomformaren även laddning av batteriet. strömställaren har samma funktion som i ett enkelkonverterande system. Vi påminner oss om skillnaderna mellan de tre olika typerna av on-line UPS. På bild 4 kan ses att på grund av den mycket distorderade ingångsströmen distorderas även spänningen. Detta är typiskt för ett dubbelkonverterande system. Notera speciellt topparna i spänningskurvan. Dessa kommer från tyristorerna i likriktaren och är oundvikliga. Dessa toppar kan orsaka problem i annan utrustning som är ansluten till samma nät. Detta medför att mycket höga toppströmmar kan förekomma vilka riskerar att förstöra kondensatorer i faskompenseringsutrustning. På bild 5 syns inström och inspänning till det enkelkonverterande systemet. Tack vare att inströmmen är sinusformad får man inte heller någon distorsion på spänningen, men man ser också att det kan vara en viss fasförskjutning mellan ström och spänning, vilket gör att systemet ej är optimalt. Låt oss därför gå vidare till Deltakonverterande UPS. På bild 6 visas den optimala UPS-en. Här ses att varken ström eller spänning är distorderade och de ligger prydligt i fas med varandra dvs. effekt faktorn ~. Så långt ser det bra ut, men har vi inte fått samma låga verkningsgrad som i ett dubbelkonverterande system nu när vi har två omformare? : Ingångsspänning : Ingångsström : Ingångsspänning : Ingångsström : Ingångsspänning : Ingångsström Bild 4 Bild 5 Bild.6 4 7NV0004S rev.0

5 Nej, inte alls. Det här systemet är mycket smartare än vad det först ser ut att vara. Vi går igenom några olika driftlägen och noterar vilken riktning energin har och hur stor den är. Bild 7 visar ett nominellt driftläge, m.a.o. ingen skillnad mellan nätspänning och utspänning. Batteriet är fulladdat och effektuttaget är. Delta-omformaren () stöttar bara nätströmmen, som i det här fallet är lika med utströmmen (linjär, resistiv last förutsätts). Eftersom Deltaspänningen över transformatorn är noll så medför detta att ingen energi går igenom Deltaomformaren och således är summan noll. Även huvudomformaren går på tomgång eftersom den inte behöver kompensera spänningen när inspänningen är exakt densamma som utspänningen. Detta är idealläget när all energi går direkt till lasten och ingenting omformas. Därför uppstår inga förluster. I praktiken finns naturligtvis minimala förluster i systemets för närvarande passiva komponenter (kretskort m.m.). I de fall där belastningen inte är resistiv utan reaktiv eller har en övertonshalt måste huvudomformaren hantera detta. Ingångsdrosseln tillsammans med Deltaomformaren arbetar som ett filter och spärrar för övertoner och skenbar effekt mot nätet. En mycket stor reaktiv eller övertonshaltig belastning kommer att försämra verkningsgraden något men denna är fortfarande exceptionellt hög. På bild 8 börjar det bli mycket intressant. Här har vi en underspänning på nätet, i det här fallet -5%. Eftersom utspänningen måste vara stabil och reglerad inom ±% så måste Deltaomformaren via sin transformator lägga till 5% på nätspänningen. Men var kommer då energin ifrån? Jo, den tas från nätet, via utgången av huvudomformaren och går sedan bakvägen genom omformaren och DC-kopplingen för att slutligen gå genom Delta-omformaren till transformatorn som höjer spänningen. Detta är en dubbel-konverterande teknik, men den stora skillnaden jämfört med traditionella dubbel-konverterande UPS är att enbart Delta (skillnaden) mellan ingång och utgång omformas och inte som i en traditionell UPS där all energi omformas två gånger. Spänning Ström Energi 0% 0% Bild 7 Spänning 85% 5% Ström 5% 5% Energi 5% 5% 5% Bild 8 7NV0004S rev.0 5

6 Spänning 5% 5% Ström 5% 85% Energi 85% 5% 5% Bild 9 Spänning Ström 0% Energi 0% 0% 0% 0% 5% 0% Bild 0 Om vi antar att ett traditionellt system har förluster på 0% och att våra omformare har likvärdiga förluster så ger det att våra totala förluster i det senaste exemplet (nätspänning -5%) blir: 0,5 x 0% =,5% eftersom endast 5% av den totala energin omformas. Vid -0% på nätet blir då förlusterna 0,0 x 0% = % och så vidare. Bild 9 visar ett läge med för hög nätspänning. Nu måste Deltaomformaren absorbera 5% av nätspänningen för att få balans i systemet. I det här fallet går 5% av energin genom Deltaomformaren via DC kopplingen, för att slutligen gå igenom huvudomformaren. Återigen en dubbelkonvertering med motsvarande små förluster som i exemplet på bild 8. På bild 0 har vi återigen en normal situation förutom att batteriet laddas. Här tar vi ut 0% energi från nätet och eftersom lasten inte behöver mer än så matas återstående 0% bakvägen till batteriet i form av laddström. Arbetsfördelningen mellan omformarna är intressant. Huvudomformaren synkroniserar mot nätet och kontrollerar utspänningen i alla driftlägen (I batteridrift är frekvensen frisvängande och styrs som i traditionella system av en intern frekvensreferens). Deltaomformaren kontrollerar ingångens effektfaktor, batteriladdningen genom att suga upp mer eller mindre energi från nätet, och slutligen styrs minsta skillnad mellan ingång och utgång vad gäller spänning och kurvform. Under batteriladdning går energin genom huvudomformaren in till batteriet, men laddningen kontrolleras av Deltaomformaren. 6 7NV0004S rev.0

7 Verkningsgrad % Effektfaktor Delta-konvertering Dubbel-konvertering % % Bild Bild Prestanda hos det nya systemet I följande diagram visas olika prestandakurvor för att åskådliggöra fördelarna hos den nya topologin. Bild visar effektiviteten (verkningsgraden) som en funktion av lasten och en nätspänning på ±5%. Man ser att verkningsgraden är exceptionellt hög och att kurvan är relativt plan oberoende av nätspänning. Detta betyder mycket små förluster även vid icke ideala förhållanden. Bild visar ingångens effektfaktor under motsvarande förhållanden som i bild. Återigen noteras en extremt hög effektfaktor på mer än 0,99 i ett mycket brett driftområde. För att man skall se att detta är ett riktigt on-line system och att inga missuppfattningar skall råda visar vi på bild 3 hur utspänningen ser ut före, under och efter ett strömavbrott. Man ser att utspänningen är oförändrad, utan distorsion eller omkoppling. En sista fundering; vart tar inkommande störningar vägen, t.ex. transienter? I ett traditionellt system finns en filterbank på ingången. Om störningarna tar sig igenom filtret kommer de att gå igenom likriktaren och dämpas ytterligare av trögheten DC-kopplingen. I DP300E finns motsvarande filterbank på ingången men även en stor reaktor som dämpar. Redan här nås likvärdiga dämpegenskaper. Skulle en mycket kraftig störning ändå ta sig igenom kommer den att gå in i huvudomformaren (betydligt lägre impedans i omformaren än ut mot lasten). M.a.o. är detta en on-line UPS. Jämförelser och slutsatser På bild 4 finns en jämförelse mellan de tre UPS-typerna. Här kan vi se att Deltateknologin gör att systemet är mycket nära den optimala, gröna UPS-lösningen. Detta tack vare ett minimum av energiförluster, avsaknaden av övertonsåtermatning till elnätet samt det faktum att systemet är byggt nästan uteslutande av återvinningsbart material. Det är också intressant att se vad som behöver göras på en traditionell UPS bara för att nå upp till DP300E:s ingångsprestanda. Detta visas på bild 5. Skulle man lägga till dessa faktorer, vilket skulle kosta en förmögenhet, skulle man spänning Utgångsspänning Bild 3 7NV0004S rev.0 7

8 ändå aldrig komma upp till samma verkningsgrad som ett Delta-system. Däremot skall man vara misstänksam mot extremt hög verkningsgrad på dubbel-konverterande UPS som utlovas i diverse annonser. Sådan verkningsgrad kan enbart förekomma om systemet är förbikopplat via bypass. Här har man ingen reglering av utspänningen. I annat fall är det frågan om ett rent off-line system, vilket i praktiken ger samma resultat. En del system påstås vara intelligenta för att i normaldrift arbeta i off-line och när för mycket problem uppstår på nätet automatiskt koppla om till on-line drift. Troligtvis är det då redan för sent och risken finns att anslutna datorer stannar eller störs. Hursomhelst, när dessa system jobbar i on-line drift är de inte mer effektiva än normalt, så hela manövern kan tyckas vara ett sätt att vilseleda kunder med märkliga specifikationer. Jämförelse översikt UPS typ Dubbel- Enkel- Deltakonverterande konverterande konverterande On-line UPS Ja Ja Ja Tvåvägs filtrering Ja Ja Ja Övertonsgenerering Ja >30% Nej Nej Ingångseffektfaktor Nej Nej, men kan Ja kompenseras Energiförlust UPS mindre än 0 kva > 0-5% < 8% < 5% Energiförlust UPS mellan 0 kva til 00 kva > 8-% < 5% < 4% Energiförlust UPS över 00 kva > 6,5-0% < 4% < 4% Klarar SMPS last utan överdimensionering Ja Ja Ja Bild 4 DATAPOWER 300E, Delta-konvertering Slutord Detta är en första inblick i den nya UPS teknologin, och vi hoppas Ni finner tekniken intressant. Vi på Silcon Power Support har gedigen kunskap om alla de ovan beskrivna systemtyperna och kan hjälpa er i valet av UPS-anläggning, från 00VA offline till 5 MVA on-line. UPS Traditionell UPS, Dubbel-konvertering Fas kompensering Övertonsfilter -puls-likriktare UPS Nödvändig extra utrustning för att uppnå samma ingångsprestanda som DP300E Bild 5 8 7NV0004S rev.0

9 För ytterligare information: APC Corporate 3 Fairgrounds Road West Kingston RI 089 USA Tel: (40) Fax: (40) APC Europe / Silcon Power Electronics A/S Silcon Allé DK-6000 Kolding Tel: Fax: Silcon Power Support AB Box 095 S-6 0 Bromma Tel: Fax: NV0004S rev.0 9