中大型UPS在電廠的應用案例
2016-02-29
l.電源配置分析
交流電源的選取是UPS系統規劃設計中的重要一環。優化*佳方案，應從UPS工作原理上進一步分析。UPS蓄電池的充電器與逆變前的整流器同是三相半控橋，其功能是相似的。整流器承擔著UPS的經常性負荷。充電器給蓄電池浮充電，且與蓄電池并列作為整流器的后備。旁路電源則是逆變器的后備，檢修旁路作為UPS的后備。據此，可以得出UPS系統電源配置的一般原則:
(1)整流器與充電器的電源應分別接至不同交流母線。
(2)旁路與整流器電源分開接不同交流母線。
(3)檢修旁路與UPS旁路電源也應錯開接不同交流母線。
當UPS裝置故障、逆變器檢修或市電系統發生事故，UPS裝置靜態開關應切換至旁路運行。
某發電廠用電3臺變壓器分別接于廠用電6kVA段、6kVB段母線，l#廠用變接于6kVA段、保安A段供電，2#、3#廠用變接于廠用電6kVB段、保安B段供電，3#廠用變還可以自投為l#變壓器所接的工作A段、保安A段供電，380V工作A段及保安A段優于工作B段及保安B段。
鑒于此，充電器接至工作B段;整流器接至保安A段。檢修旁路和UPS旁路接至220V保安B段，如圖1所示。將UPS和檢修旁路的多路電源不重復的更合理的接至本機組不同的變壓器和不同的低壓母線上，機組事故解列后可能出現不同電源系統的頻率不等，為了防止靜態開關因不同步不能切換，或UPS與檢修旁路的切換因不同步而失敗，這些電源應接入本機組同網絡低壓系統，而不宜接入公用系統或其他機組系統。
圖1某發電廠300MW機組UPS系統
2.UPS輸出與旁路電源的相位
逆變器輸出的單相交流電壓與旁路電源的單相交流電壓應該同步，才能并列轉換。不論旁路取自交流的哪一相，逆變器都可以調整輸出電壓，與旁路電壓同頻同相。
發電機組的自動控制系統的通道柜(DPU)及發電機組的計算機監控系統等電子設備由雙電源供電，如圖2所示。這是晶閘管反向并聯而成的二進一出的三端網絡，UPS優先供電。UPS母線失電壓或欠電壓至一定值時，控制回路觸發旁路側的雙向晶閘管，便其交替導通，并關斷UPS側的晶閘管，由旁路繼續供電。這時的切換是先并后切，UPS電壓正常后的自動回切也是先并后切。顯然，在電壓的相位和頻率上，若UPS輸出側與旁路側不一致，轉換瞬間將短路或因差壓大而產生很大的沖擊電流，導致站內供電中斷及元件損壞。
圖2雙電源供電
3.檢修旁路的兩路電源
檢修旁路的兩路電源來自不同的變壓器，作為檢修旁路的備用電源可采用交流接觸器聯鎖自投方式，即可保證供電系統的可靠性，還可以降低DPU和計算機站失電的概率。
4.UPS裝置的冗余配置
使用UPS的目的主要是為了不中斷系統供電和隔離來自電網的各種干擾，UPS裝置本身已有蓄電池和充電器冗余備用，旁路電源只是在逆變器輸出故障情況下暫時起作用。若計算機系統各站主機硬件，帶有自保護功能，旁路電源系統應該簡化。
逆變器是UPS系統的"瓶頸"，逆變器的控制部分故障率相對較高。可以考慮一套UPS裝置配兩套獨立的逆變器。雙逆變配置比旁路穩壓器或兩套UPS裝置的方案更合理、實用、簡單。
電廠的熱控重要負荷需要接入UPS母線，而*重要的負荷(DPU和計算監控系統)則由UPS和旁路雙側電源自動切換供電。
UPS裝置的配置力求科學合理。提高UPS的可靠性不能過多依賴增加備用設備，而要從維護和管理上下工夫。冗余太多令裝置復雜化，投資增加，利用效率卻很低，故障率也可能更高。
(1)整流器(充電器)輸出容量。UPS容量的優化設計的前提是詳細的負荷計算。負荷計算時需要搜集負荷的同時率、功率因數、經常性電流和*大可能的沖擊電流等資料。UPS設備的功率關系如圖3所示。
圖3UPS設備的功率關系
UPS的逆變器設有過載保護，輸出電流超過(1.2~1.25)In時，將自動切換至旁路供電。為了避免多臺負載同時啟動疊加沖擊電流，頻頻出現切換及回切，而使主回路元件不至于過熱而降低可靠性，UPS容量應留有足夠的余地是必要的，但容量富裕應適度。逆變器UPS輸入功率為
P2=UDC×IDC
式中P2——逆變器輸入功率，VA;
UDC——逆變器輸入的電壓，V;
IDC——逆變器輸入電流，A。
整流器輸入視在功率為
由于各環節存在損耗，整套UPS的效率是比較低的。如果UPS的容量選擇過大，實際負荷偏低，利用率低，效率則更低。
在充電器己選定輸出功率65kW情況下，參照上述公式，計算得整流變輸入容量為87.3kVA。鑒于整流、逆變各環節交直流側P，U，I等參數換算與整流、逆變的方式、線路及負荷等有關，準確計算比較復雜，作為容量選擇應采用工程計算法。
(2)UPS蓄電池的選擇。以日本湯淺公司生產的QFD-250型，250Ah，堿性蓄電池為例，180節蓄電池的浮充電壓為1.35V×l80二243V，均充電壓為1·47VXI80=264.6V。對于一般直流系統其直流電壓偏高，會縮短繼電器、信號燈等元件壽命，應減少蓄電池。
在蓄電池放電試驗中，電荷量Q=250Ah蓄電池，以2h率電流放電(Q/2h=12**)，有時放電不到0.5h電壓*跌至210V，主要原因是蓄電池個數偏少。逆變器輸入210V跳閘時，單個蓄電池電壓為210V/171=1.23V。蓄電池以0.5Q/h電流放電，允許終止電壓為l.05V，l.23V以下的有效容量未充分利用。查QFD蓄電池放電系數k=0.5h-1的放電電壓曲線，當蓄電池降至1.23V的時間約2Omin，與前述試驗結果相符。為此蓄電池加裝至186個。驗算其放電至210V時，單個蓄電池仍有210V/186=1.13V，查k=0.5h-1放電電壓曲線，放電可持續約1.5h。
設計計算逆變器輸入電流，即蓄電池放電電流計算值應為24**，考慮UPS蓄電時間0.5h，此時的電壓1.17V不是蓄電池的終止放電電壓。蓄電池放電系數為
k=IDC/Q=245/250=0.98h-1
查0.98h-1≈h-1放電電壓曲線，得終止放電電壓為1.03V。防止個別落后蓄電損壞，留有余地，終止放電電壓取Upn=1.03V×l.04=1.07V。蓄電池個數n*低輸入電壓UDCmin與蓄電池終止放電電壓Upn之比，即
n=210/1.07=196
驗算應滿足條件:
1)放電0.5h后的單個蓄電池電壓應不小于蓄電池的終止放電電壓。
2)放電0.5h后的整組蓄電池電壓應不小于逆變器*低輸入電壓。
3)放電至逆變器*低輸人電壓時單個蓄電池電壓應不小于蓄電池的終止放電電壓。
4)放電時間不小于3Omin。
經驗算，n=196滿足上述條件。
由于UPS的逆變器設置了低電壓保護，為了充分發揮蓄電池容量，希望UPS蓄電池的個數多一點，放電至逆變器低電壓跳閘時的單個蓄電池電壓低一點，以延長放電時間;而為了保護蓄電池，蓄電池個數應少一點，放電后期單個蓄電池的電壓才不至于過低，以防止過放電。設計中應適當地處理這一矛盾。
蓄電池放電時間與蓄電池個數密切相關。在輸出電流24**，選定25OAh蓄電池條件下，若選196只，可以放電46min，單個蓄電池電壓至1.07V時放出76%容量(190Ah);若選186只，至210V/186=1.13V時，放出49%容量(122.**h)，可以放電30min;若選180只，單個蓄電池電壓至1.17V時只能放出28%容量(70Ah)，持續時間僅有17.Zmin，達不到期望值30min。由此可見，充分的容量還要搭配足夠的個數，才能發揮蓄電池應有的效能。
(3)逆變器輸入電壓的選擇。逆變器輸入電壓的范圍與蓄電池、充電器的選型有關。逆變器輸入端與蓄電池及充電器的輸出端連接，中間一般設隔離二*管。逆變器正常輸入電壓應高于蓄電池正常浮充和均衡充電時的整組電壓，蓄電池才不會輕易放電。
為了防止蓄電池過放電，逆變器必須有低電壓保護。這一保護定值*是逆變器輸入電壓的下限，它直接決定著蓄電池個數及直流系統電壓，也影響著蓄電池容量。
逆變器輸入電壓的上限制約著蓄電池的初充電和均衡充電。如選QFD型蓄電池196只，長期浮充電壓為1.35V×l96=264.4V，超過了220V×(1+10%)的范圍，元件壽命大降;均充電壓為1.47V×196=288V，初充電壓為1.63V×196=319V，已高于逆變器輸入電壓的上限280V，初充和均充時必須退出蓄電池，而且也超出了GZKC2型充電器輸出電壓的上限310V。此外，整流器輸出電壓實際值只有278V，有時還出現波動。基于上述考慮，蓄電池僅加裝至186只是比較合適的。