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    沈陽松下蓄電池在任何電源上的使用規律


    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把能量反饋回沈陽松下蓄電池。但是這里面有一些必須考慮到的因素,比如:

    電網是否允許能量回饋?

    能量回饋電網需要滿足那些規范?

    松下電池允許的充電功率有多大?

    首要的問題是電網方面是否允許再生能量回饋。不同地方的電網對此的要求可能會不一樣,對于一些功率特別大的負載,電網出于穩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電機,那么是不能回饋能量的。

    在允許能量回饋電網的前提下,必須考慮此時面對的安全問題,這是太陽能發電系統已經面臨過的。當能量向電網回饋,而電網由于此時斷電的話,就會出現所謂的孤島效應問題。而電網如果在回饋過程中出現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電的技術,比如孤島檢測,低電壓穿越等技術就業需要配備在UPS上。

    在松下電池模式下,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,充電時的最大電流要小得多。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。另外一方面,一般UPS的充電功率是根據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,必須另外想辦法。

     

    在市電模式下,最簡單的方式不外乎采用旁路解決。只要發現負載回饋的能量過大,就把UPS轉到旁路模式下,通過旁路來吸收電機再生能量。不過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,因此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。


    另外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非常成熟,可以很方便的移植到UPS上使用。由于傳統上UPS并不具有專門為制動使用的IGBT,所以需要把制動電阻和制動IGBT單獨設計為一個模塊,根據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。但是能量回饋模塊的原理也是把電機回饋的能量轉成交流返回給市電,為此在電池模式,或者在輸入是發電機的情況下,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,通過電路降壓后給松下電池充電。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給電池儲存。當電池充到某一個程度時就轉到電池模式,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。


     

    圖中是能量的標準流向。在市電模式下,沈陽松下蓄電池能量是從市電Mains,經過PFC,DC BUS,INV產生交流電壓輸出提供給負載,同時充電器從DC BUS取電,給電池充電。在電池模式下,電池能量經過DC/DC,DC BUS和INV提供給負載。

    當電機發生能量回饋時,能量流向就會發生改變。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移到電池端。


     

    當能量回饋結束時,需要先檢查電池是否已經充滿,如果已經充滿,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束,再轉回電池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,然后在后續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發電方式帶來的問題。

    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最大充電電流也是設計時要考慮的重要因素。

     

    結論:

    在UPS應用中,當負載是會產生再生能量的電機時,一般UPS系統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系統需要附加額外的功能模塊來達到可靠工作的目的。

    最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。

    為了進一步提升能源利用效率,可以通過適當調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。通過智能的沈陽松下蓄電池能量管理,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,并且更加節能。


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