關(guān)于大機(jī)組UPS電源系統(tǒng)常見問題分析和介紹

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(jiǎn)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。

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(jiǎn)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(chǎng)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(jiǎn)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。

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(zhǎng)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(jiǎn)化，而且可以簡(jiǎn)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(jiǎn)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