大機(jī)組UPS電源系統(tǒng)常見問題分析 - 全文

　　現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)組采用了復(fù)雜的計(jì)算機(jī)監(jiān)控和安全保護(hù)系統(tǒng)，其交流220V電源要求穩(wěn)定可靠，分秒不停。應(yīng)運(yùn)而生的不間斷電源(簡稱UPS)，滿足了這種“苛刻”負(fù)載嚴(yán)格的需求，消除了電網(wǎng)電壓瞬變波動(dòng)對(duì)重要負(fù)載的影響。

　　UPS電源對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，UPS停電意味著停機(jī)停爐。如何提高UPS的可靠性，是現(xiàn)場技術(shù)人員經(jīng)常思考的一個(gè)問題。

　　本文僅就黃埔發(fā)電廠5號(hào)、6號(hào)300MW機(jī)組UPS系統(tǒng)外圍相關(guān)設(shè)備的規(guī)劃、配置、選型及安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)方面多年來遇到的一些問題，進(jìn)行分析研究，與同行交流切磋。

　　1　系統(tǒng)簡況

　　UPS系統(tǒng)是一個(gè)多路電源輸入的低壓多端網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備逆變器和靜態(tài)開關(guān)等，是一套電子元件自動(dòng)控制的電力裝置。黃埔發(fā)電廠300MW機(jī)組UPS系統(tǒng)如圖1。

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　　圖1　黃埔發(fā)電廠300 MW機(jī)組UPS系統(tǒng)

　　原設(shè)計(jì)主要設(shè)備技術(shù)規(guī)范為：

　　a)整流器

　　輸入參數(shù)——AC 380V，三相，50Hz，126A；

　　輸出參數(shù)——DC 280V。

　　b)逆變器

　　輸入?yún)?shù)——DC 210～280V，245A；

　　輸出參數(shù)——AC 220V，50Hz，227A，50kVA；

　　c)充電器

　　輸入?yún)?shù)——AC 380V，三相，50 Hz；

　　輸出參數(shù)——DC 160～310 V，250 A，65 kW。

　　2　系統(tǒng)電源的規(guī)劃配置

　　2.1　電源配置分析

　　交流電源的取向，是UPS系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。

　　探索最佳方案，不妨從原理上進(jìn)一步考究。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(dān)著UPS的經(jīng)常性負(fù)荷。充電器給電池浮充電，且與電池并列作為整流器的后備。旁路電源則是逆變器的后備。APS接帶了部分熱控次要負(fù)荷，并作為UPS的后備。據(jù)此，可以得出UPS系統(tǒng)電源配置的一般原則：

　　a)整流器與充電器的電源應(yīng)分別接至不同母線；

　　b)旁路與整流器電源分開接不同母線；

　　c)APS與旁路電源也應(yīng)錯(cuò)開接不同母線。圖1中的5路交流電源僅取自3段母線，其中的3路電源均來自保安b段。當(dāng)UPS裝置故障、逆變器檢修或廠用電系統(tǒng)發(fā)生事故，在UPS裝置靜態(tài)開關(guān)已切換至旁路運(yùn)行情況下，一旦保安b段失壓，UPS母線和APS2母線均失電，WDPF和BMS控制系統(tǒng)就癱瘓了。

　　分析黃埔發(fā)電廠300 MW機(jī)組廠用電接線，2號(hào)及0號(hào)低壓廠用變壓器同接6 kV B段，6 kV A段失壓時(shí)，0號(hào)變壓器還可以自投為1號(hào)變壓器所接的工作a段、保安a段供電，380 V工作a段及保安a段優(yōu)勝于工作b段及保安b段。

　　鑒此，在減少改動(dòng)的前提下，圖1的電源配置還可以進(jìn)一步調(diào)整：

　　a)充電器改接至工作b段；

　　b)APS2改接至保安a段。

　　電廠機(jī)組設(shè)有工作、備用高壓廠用變壓器及多臺(tái)低壓廠用變壓器，還有柴油機(jī)或保安備用變壓器，將UPS和APS的多路電源不重復(fù)地更合理地接至本機(jī)組不同的變壓器和不同的低壓母線，是可以辦到的。機(jī)組事故解列后可能出現(xiàn)不同電源系統(tǒng)的頻率不等，為了防止靜態(tài)開關(guān)因不同步不能切換，或UPS與APS的切換因不同步而失敗，這些電源應(yīng)接入本機(jī)組同網(wǎng)絡(luò)低壓系統(tǒng)，而不宜接入公用系統(tǒng)或其它機(jī)組系統(tǒng)。

　　2.2　旁路及APS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(yīng)該同步，才能并列轉(zhuǎn)換。不論旁路取自交流的那一相，逆變器都可以調(diào)整輸出電壓，與旁路電壓同頻同相。

　　機(jī)組WDPF控制系統(tǒng)的DPU柜及計(jì)算、存儲(chǔ)、記錄站等電子設(shè)備由雙電源供電，如圖2所示。這是可控硅反向并聯(lián)而成的二進(jìn)一出的三端網(wǎng)絡(luò)，UPS優(yōu)先供電。UPS母線失壓或欠壓至一定值時(shí)，控制回路觸發(fā)APS側(cè)的雙向可控硅，使其交替導(dǎo)通，并關(guān)斷UPS側(cè)的可控硅，由APS繼續(xù)供電。這時(shí)的切換是先并后切，UPS電壓正常后的自動(dòng)回切也是先并后切。顯然，在電壓的相位和頻率上，若UPS旁路側(cè)與APS側(cè)不一致，轉(zhuǎn)換瞬間將短路或因差壓大而產(chǎn)生很大的沖擊電流，導(dǎo)致站內(nèi)掉電及元件損壞。

?　　圖2　雙電源供電

　　1991年，黃埔發(fā)電廠6號(hào)機(jī)組于UPS安裝后期進(jìn)行切換試驗(yàn)時(shí)，跳了許多開關(guān)，才第一次發(fā)現(xiàn)了相位不符、切換短路問題。其他電廠也有類似接錯(cuò)相位的情況。

　　必須指出，安裝時(shí)接錯(cuò)了相位，不遇到UPS電壓異常情況下的切換或回切，是不會(huì)覺察的。甚至許多開關(guān)跳閘了，若恢復(fù)時(shí)從UPS側(cè)先送電(一般均如此)，APS側(cè)后送電，此時(shí)不會(huì)短路，仍掩蓋了這個(gè)極大的隱患。

　　我們希望設(shè)計(jì)和施工部門，注意這一問題，圖紙上標(biāo)明相位，正確接線，防止類似現(xiàn)象重演。

　　2.3　APS的兩路電源

　　APS1，APS2電源來自不同的變壓器，不允許長期并列。如圖1，一般應(yīng)合上Q1，Q2，斷開Q3。如果將Q1，Q2由手動(dòng)操作改換為電動(dòng)操作，或者加串交流接觸器，聯(lián)鎖自投，還可以降低DPU和計(jì)算機(jī)站失電的概率。

　　2.4　UPS裝置的冗余配置

　　有的電廠工程，制造廠商在旁路電源上加配了一套交流穩(wěn)壓器。有的技改工程，在APS側(cè)另加1套UPS，1臺(tái)機(jī)組用2套UPS裝置。

　　看來UPS電源的配置方案，值得商榷。筆者認(rèn)為：

　　a)使用UPS的目的，并非發(fā)電廠的電壓質(zhì)量不能滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求，而主要是為了不停電。1套UPS裝置，本身已有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(shí)起作用。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有時(shí)發(fā)生“掉站”和芯片元件損壞事件，非旁路電壓波動(dòng)所致。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各站主機(jī)硬件，帶有自保護(hù)功能。旁路電源系統(tǒng)應(yīng)該簡化，而且可以簡化。

　　b)逆變器是UPS系統(tǒng)的“瓶頸”。從多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，逆變器的控制部分故障率相對(duì)較高。有條件的工程，可以考慮1套UPS裝置配2套獨(dú)立的逆變器。雙逆變配置，比旁路穩(wěn)壓器或2套UPS裝置的方案，更合理、實(shí)用、簡單。

　　c)熱控重要負(fù)荷才需要接入U(xiǎn)PS母線，而最重要的負(fù)荷(DPU和計(jì)算機(jī)站)則由UPS和APS雙側(cè)電源自動(dòng)切換供電。APS側(cè)再加1套UPS裝置的方案是不可取的。如果硬要雙UPS，其輸出均應(yīng)接UPS母線。

　　d)UPS裝置的配置，力求科學(xué)合理。提高UPS的可靠性，不能過多依賴增加備用設(shè)備，而要從維護(hù)和管理上下功夫。冗余太多令裝置復(fù)雜化，投資增加，利用效率卻很低，故障率也可能更高了。

　　3　系統(tǒng)容量估算選配

　　3.1　UPS的輸出容量

　　欲使UPS的容量確定得比較恰當(dāng)，須進(jìn)行詳細(xì)的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，并搜集同型運(yùn)行機(jī)組的實(shí)際資料。

　　負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，需要搜集負(fù)荷的同時(shí)率、功率因數(shù)、經(jīng)常性電流和最大可能的沖擊電流等資料。

　　UPS的逆變器設(shè)有過載保護(hù)，輸出電流超過(1.2～1.25)In時(shí)，將自動(dòng)切換至旁路供電。為了避免多臺(tái)負(fù)載同時(shí)啟動(dòng)迭加沖擊電流，頻頻出現(xiàn)切換及回切，而且主回路元件不至于過熱，UPS容量留有足夠的余地是必要的，但容量富裕應(yīng)有度。

　　黃埔發(fā)電廠300 MW機(jī)組UPS的輸出容量，初擬30 kVA,136 A。與美國西屋公司洽談后改為50 kVA,227 A。投產(chǎn)后的實(shí)際負(fù)荷，交流側(cè)一般為90～100 A(直流側(cè)約125 A)，偶而達(dá)110～120 A。如選30 kVA,136 A，負(fù)荷率為110 A／136 A=0.73，容量有點(diǎn)偏小。如選40 kVA,182 A，負(fù)荷率為100 A／182 A=0.55，低于規(guī)程推薦值0.6，裕度系數(shù)為182 A／100 A=1.82，高于推薦值1.6，才是比較恰當(dāng)?shù)摹?/p>

　　3.2　整流器(充電器)輸出容量

　　UPS設(shè)備的功率關(guān)系見圖3。

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　　圖3　UPS設(shè)備的功率關(guān)系

　　黃埔發(fā)電廠300 MW機(jī)組逆變器輸入功率為

　　P2=UDC×IDC=280 V×245 A=68.6 kW.

　　以SCI公司推薦的公式計(jì)算整流器輸入視在功率，

　　S1=Uex×Iex×Ce／(kPF×η1).

　　式中　S1——整流器輸入視在功率，VA；

　　Uex——整流器輸出電壓，V；

　　Iex——整流器輸出電流，A；

　　Ce——整流器過負(fù)荷因數(shù)(1.2～1.5)；

　　kPF——波峰因數(shù)(一般為0.8)；

　　η1——整流器效率(0.92～0.94)。

　　可得：

　　S1=210 V×245 A×1.2×／（0.8×0.93)=82.9 kVA.

　　整流器輸入功率因數(shù)

　　λ1=P2／(S1×η1)=68.6／(82.9×0.93)=0.889，

　　UPS效率

　　η=S3／S1=50／82.9=0.603.

　　假定UPS負(fù)荷的功率因數(shù)λ=0.7，則逆變器輸出有功功率

　　P3=S3×λ=50 kVA×0.7=35 kW，

　　逆變器效率

　　η2=P3／P2=35／68.6=0.51.

　　可見，整套UPS的效率是比較低的，這是由于各環(huán)節(jié)存在損耗。如果UPS的容量選擇過大，實(shí)際負(fù)荷偏低，利用率低，效率則更低。

　　在充電器已選定輸出功率65 kW情況下，參照上述公式，計(jì)算得整流變輸入容量為87.3 kVA。國產(chǎn)充電器的整流變?cè)O(shè)計(jì)選配輸入容量140 kVA，偏大了。

　　鑒于整流、逆變各環(huán)節(jié)交直流側(cè)P，U，I等參數(shù)換算與整流、逆變的方式、線路及負(fù)荷等有關(guān)，準(zhǔn)確計(jì)算比較復(fù)雜，我們期待設(shè)計(jì)規(guī)程提供一套UPS系統(tǒng)適用的基本公式，作為容量選擇估算的依據(jù)。

　　4　UPS專用電池個(gè)數(shù)的選擇

　　4.1　認(rèn)識(shí)上的反思

　　1988年，黃埔發(fā)電廠300 MW機(jī)組開始安裝，筆者是甲方代表，初接觸靜態(tài)逆變的UPS，對(duì)其原理和特點(diǎn)還了解甚少，在UPS電池個(gè)數(shù)選擇上走了一段彎路。原設(shè)計(jì)電池為日本湯淺公司生產(chǎn)的QFD-250型，250 Ah，堿性，180個(gè)，浮充電壓1.35 V×180=243 V，均充電壓1.47 V×180=264.6 V。拿一般直流系統(tǒng)去套，認(rèn)為直流電壓偏高，會(huì)縮短繼電器、信號(hào)燈等元件壽命，遂提出建議減少電池。經(jīng)設(shè)計(jì)代表、乙方代表同意，變更為171個(gè)，浮充電壓231 V，均充電壓251 V。

　　1991年9月26日，5號(hào)機(jī)組投產(chǎn)2 a后，進(jìn)行UPS試驗(yàn)。斷開整流器、充電器后不到10 min，電池從231 V急劇跌降至210 V，逆變器輸入側(cè)開關(guān)Q4跳閘，切至旁路。均衡充電10 h后，重新試驗(yàn)，放電約20 min，Q4跳閘。

　　電荷量Q=250 Ah電池，以2 h率電流放電(Q／2 h=125 A)，為何不到0.5 h電壓就跌至210 V呢?筆者認(rèn)為主要是電池個(gè)數(shù)偏少。逆變器輸入210 V跳閘時(shí)，單個(gè)電池電壓為210 V／171=1.23 V。電池以0.5Q／h電流放電，允許終止電壓為1.05 V，1.23 V以下的有效容量未充分利用。查QFD電池放電系數(shù)k=0.5 h-1的放電電壓曲線，當(dāng)電池降至1.23 V的時(shí)間約20 min，與前述試驗(yàn)結(jié)果相符。為此，1992年2月筆者草擬了UPS電池改進(jìn)的意見，電池加裝至186個(gè)。驗(yàn)算其放電至210 V時(shí)，單個(gè)電池仍有210 V／186=1.13 V，查k=0.5 h-1放電電壓曲線，放電可持續(xù)約1.5 h。

　　QFD電池放電電壓曲線見圖4。

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　　圖4　不同放電系數(shù)的放電電壓曲線

　　4.2　對(duì)原設(shè)計(jì)的分析及修正

　　原設(shè)計(jì)計(jì)算書，以電池電電流227 A，0.5 h，放出電荷量113.5 Ah，45.4%容量，查0.908 h-1放電電壓曲線，放電0.5 h單個(gè)電池電壓1.17 V，電池個(gè)數(shù)n=210／1.17=180。

　　這里糾正兩點(diǎn)：

　　a)逆變器輸入電流，即電池放電電流計(jì)算值應(yīng)為245 A，而非227 A；

　　b)考慮UPS電池的放電時(shí)間0.5 h，此時(shí)的電壓1.17 V不是電池的終止放電電壓。

　　修正計(jì)算如下：

　　按電池放電系數(shù)

　　k=IDC／Q=245 A／250 Ah=0.98 h-1，

　　查0.98 h-1≈h-1放電電壓曲線，得終止放電電壓為1.03 V。防止個(gè)別落后電池過放電損壞，留有余地，終止放電電壓取Upn=1.03 V×1.04=1.07 V。電池個(gè)數(shù)n為逆變器最低輸入電壓UDC，min與電池終止放電電壓Upn之比，即

　　n=210／1.07=196.

　　驗(yàn)算應(yīng)滿足條件：

　　a)放電0.5 h后的單個(gè)電池電壓應(yīng)不小于電池的終止放電電壓；

　　b)放電0.5 h后的整組電池電壓應(yīng)不小于逆變器最低輸入電壓；

　　c)放電至逆變器最低輸入電壓時(shí)單個(gè)電池電壓應(yīng)不小于電池的終止放電電壓；

　　d)放電時(shí)間不小于30 min。

　　經(jīng)驗(yàn)算，n=196滿足上述條件。

　　4.3　討論

　　由于UPS的逆變器設(shè)置了低電壓保護(hù)，為了充分發(fā)揮電池容量，希望UPS專用電池的個(gè)數(shù)多一點(diǎn)，放電至逆變器低電壓跳閘時(shí)的單個(gè)電池電壓低一點(diǎn)，以延長放電時(shí)間；而為了保護(hù)電池，電池個(gè)數(shù)應(yīng)少一點(diǎn)，放電后期單個(gè)電池的電壓才不致于過低，以防止過放電。設(shè)計(jì)人員應(yīng)適當(dāng)?shù)靥幚磉@一矛盾。

　　電池放電時(shí)間與電池個(gè)數(shù)密切相關(guān)。在輸出電流245 A，選定250 Ah電池條件下，若選196只，可以放電46 min，單個(gè)電池電壓至1.07 V時(shí)放出76%容量(190 Ah)；若選186只，至210 V／186=1.13 V時(shí)，放出49%容量(122.5 Ah)，可以放電30 min；若選180只，至1.17 V時(shí)只能放出28%容量(70 Ah)，持續(xù)時(shí)間僅有17.2 min，達(dá)不到期望值30 min。由此可見，充分的容量還要搭配足夠的個(gè)數(shù)，才能發(fā)揮電池應(yīng)有的效能。

　　5　逆變器輸入電壓的選擇

　　逆變器輸入電壓的范圍，與電池、充電器的選型有關(guān)。逆變器輸入端與電池及充電器的輸出端連接，中間一般設(shè)隔離二極管。逆變器正常輸入電壓，應(yīng)高于電池正常浮充和均衡充電時(shí)的整組電壓，電池才不會(huì)輕易放電。

　　為了防止電池過放電而垮掉，逆變器必須有低電壓保護(hù)。這一保護(hù)定值，就是逆變器輸入電壓的下限，它直接決定著電池個(gè)數(shù)及直流系統(tǒng)電壓，也影響著電池容量。

　　逆變器輸入電壓的上限，制約著電池的初充電和均衡充電。如選QFD型電池196只，長期浮充電壓為1.35 V×196=264.4 V，超過了220 V×(1+10%)的范圍，元件壽命大降；均充電壓為1.47 V×196=288 V，初充電壓為1.63 V×196=319 V，已高于逆變器輸入電壓的上限280 V，初充和均充時(shí)必須退出電池，而且也超出了GZKC2型充電器輸出電壓的上限310 V。此外，整流器輸出電壓實(shí)際值只有278 V，有時(shí)還出現(xiàn)波動(dòng)。基于上述考慮，UPS改進(jìn)后電池僅加裝至186只是比較合適的。

　　6　結(jié)束語

　　a)從優(yōu)化電源布局和操作需要出發(fā)，由設(shè)計(jì)部門繪制一張包含電源及負(fù)荷的UPS系統(tǒng)總圖是很必要的。不少工程，恰恰欠缺了這張圖。制造廠家系數(shù)列產(chǎn)品通用圖或一般原理方框圖，不能代替實(shí)際系統(tǒng)圖施工圖。運(yùn)行部門總是希望設(shè)計(jì)部門消化廠家資料后，另出一份確認(rèn)的圖紙。電廠正常生產(chǎn)后，也應(yīng)復(fù)制一套符合現(xiàn)場實(shí)際的竣工圖。

　　b)UPS外圍設(shè)備與廠用電和直流系統(tǒng)密切相關(guān)。電氣人員比較熟悉電源，而熱控人員則比較熟悉負(fù)荷分配和UPS裝置。UPS裝置的選型訂貨，又常與機(jī)爐控制系統(tǒng)一起考慮。因而，專業(yè)之間協(xié)調(diào)，才能規(guī)劃設(shè)計(jì)出好的方案，避免接口上出現(xiàn)疏漏。UPS裝置的監(jiān)視、停送電和倒換操作，一般由熟悉電氣系統(tǒng)的運(yùn)行人員執(zhí)行；但負(fù)荷端的UPS、DPU、APS柜內(nèi)的開關(guān)，宜由熱控人員操作。生產(chǎn)單位只有加強(qiáng)管理，明確職責(zé)，分工分界，才能管好UPS。

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