閻素玲

淺談余熱電站UPS系統(tǒng)的配置

閻素玲

隨著余熱電站自動化水平的不斷提高，電站DCS系統(tǒng)及其他安全控制裝置對工作電源的不間斷性、穩(wěn)定性及電能質(zhì)量要求越來越高，為滿足以上要求，工程設(shè)計(jì)配置了在線式交流不間斷電源裝置（UPS）。本文對UPS電源的工作原理進(jìn)行了闡述，并且列舉出目前在余熱發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)中普遍采用的幾種UPS電源配置方案，對各種方案的可靠性及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。

常規(guī)UPS；電力專用UPS；串聯(lián)冗余；并聯(lián)冗余

1　前言

余熱電站系統(tǒng)的操作和監(jiān)控均采用DCS系統(tǒng)，因此如何向DCS系統(tǒng)提供高質(zhì)量、安全可靠的電源顯得非常重要。余熱電站采用不間斷UPS電源向DCS系統(tǒng)供電，保證余熱電站系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

UPS電源的主要功能：

（1）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用電設(shè)備之間的隔離

（2）實(shí)現(xiàn)兩路電源的不間斷切換

（3）提供高質(zhì)量電源

（4）電壓變換和頻率變換功能

（5）停電后提供后備時(shí)間

2　UPS電源系統(tǒng)的配置方案

UPS電源系統(tǒng)的運(yùn)行方式主要有單機(jī)運(yùn)行、雙機(jī)串聯(lián)運(yùn)行、雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行等。

2.1單機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)配置方案

2.1.1常規(guī)UPS單機(jī)系統(tǒng)方案

如圖1所示的常規(guī)UPS單機(jī)系統(tǒng)是目前我公司余熱發(fā)電項(xiàng)目普遍采用的設(shè)計(jì)方案。

當(dāng)廠用電正常時(shí)，單相220V（或三相380V）經(jīng)過整流濾波后通過逆變器給負(fù)載供電；若廠用交流電源故障斷電時(shí)，則由蓄電池經(jīng)逆變器逆變供電；當(dāng)逆變器過載或故障時(shí)，靜態(tài)開關(guān)切換到旁路供電；在廠用電恢復(fù)正常后，自動切換到廠用電逆變供電。

2.1.2電力專用UPS單機(jī)系統(tǒng)方案

余熱電站已為發(fā)電機(jī)組配備了直流屏和蓄電池組。直流屏的直流小母線電壓為DC220V或DC110V兩種，主要為合閘裝置、繼電保護(hù)、事故照明及直流事故油泵提供電源。電力專用UPS就是利用原有直流屏內(nèi)的蓄電池作為逆變器在市電斷電后的直流電源，再經(jīng)過逆變后提供AC220V不間斷電源。

如圖2所示，當(dāng)廠用電正常時(shí)，單相220V（或三相380V）經(jīng)過隔離、整流濾波后通過逆變器和靜態(tài)開關(guān)向負(fù)載供電；若廠用交流電源故障斷電或UPS整流器故障時(shí)，則由余熱電站的直流屏蓄電池組經(jīng)逆止二極管自逆變器和靜態(tài)開關(guān)向負(fù)荷供電。在直流屏欠壓或斷電，同時(shí)逆變器過載或故障的情況下，由靜態(tài)開關(guān)切換到旁路供電。當(dāng)逆變器或靜態(tài)開關(guān)退出運(yùn)行時(shí)，由手動開關(guān)切換至旁路不間斷地向負(fù)荷供電。

圖1　常規(guī)UPS單機(jī)系統(tǒng)框圖

2.1.3電力專用UPS和常規(guī)UPS的比較

電力專用UPS和常規(guī)UPS的區(qū)別：

（1）電力專用UPS輸入、輸出、旁路均需要完全隔離，而常規(guī)UPS只有輸出隔離；

（2）電力專用UPS需要旁路穩(wěn)壓電源，常規(guī)UPS不需要旁路穩(wěn)壓電源；

（3）電力專用UPS沒有充電模塊，常規(guī)UPS帶有充電部分；

（4）電力專用UPS不需要單獨(dú)配電池，由直流屏直流輸入，常規(guī)UPS需要單獨(dú)配電池。

與常規(guī)UPS相比［1］，采用電力專用UPS優(yōu)化了系統(tǒng)配置，避免了蓄電池的重復(fù)投資，減少了系統(tǒng)維護(hù)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本；直流屏電池的浮充壽命比較長，因此采用直流動力加逆變電源，其供電可靠性和壽命大大提高；由于余熱電站的直流電池屏容量較大，因此采用逆變電源供電時(shí)，在廠用電斷電后可提供較長的交流供電時(shí)間。

圖2　電力專用UPS單機(jī)系統(tǒng)框圖

圖3　串聯(lián)冗余系統(tǒng)框圖

2.2并機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)配置方案

為了增加整個(gè)UPS電源系統(tǒng)的可靠性，可以將其組成冗余系統(tǒng)，下面將對目前普遍采用的UPS冗余連接方式進(jìn)行說明，對并聯(lián)冗余和串聯(lián)冗余的可靠性和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析與比較。

2.2.1串聯(lián)冗余方案

如圖3所示，串聯(lián)冗余是將一臺UPS的輸出接到另外一臺UPS的旁路輸入，作為主UPS的備份機(jī)使用，在主UPS發(fā)生故障時(shí)自動轉(zhuǎn)到這臺UPS供電，但要求主UPS的旁路輸入可以與主交流電壓輸入分離，這樣可以提供系統(tǒng)的可靠性。

串聯(lián)冗余的優(yōu)點(diǎn)：

（1）無機(jī)型和容量上的特殊要求，不同功率、不同型號的UPS可組成串聯(lián)系統(tǒng)；

（2）不存在要求兩臺UPS均分負(fù)載的問題，因而對UPS單機(jī)的頻率同步跟蹤特性要求也就不高；

（3）具備UPS容錯(cuò)功能；

（4）不需要額外控制/通信部件，成本相對較低。

串聯(lián)冗余的缺點(diǎn)：

（1）主機(jī)靜態(tài)開關(guān)發(fā)生故障時(shí)，將中斷整個(gè)系統(tǒng)供電，出現(xiàn)瓶頸故障；

（2）輔助UPS長期工作在0%負(fù)載的條件下，因此要求所選用的UPS單機(jī)必須具有優(yōu)良的帶階躍性負(fù)載的能力；

（3）備機(jī)長期處于備用狀態(tài)，電池也處于長期浮充狀態(tài)，影響電池壽命；

（4）主機(jī)、從機(jī)老化不一致；

（5）維修困難，當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障切換到備機(jī)供電時(shí)，用戶負(fù)載不能停機(jī)，無法關(guān)閉UPS進(jìn)行維修；

（6）可擴(kuò)展能力差。

圖4　并聯(lián)冗余系統(tǒng)框圖

2.2.2并聯(lián)冗余方案

并聯(lián)冗余技術(shù)是專門為了提高UPS的可靠性和熱維修而采用的一種新技術(shù)。

如圖4所示，在并聯(lián)冗余系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)UPS由兩個(gè)逆變模塊并聯(lián)向負(fù)載供電，每個(gè)逆變模塊平均負(fù)擔(dān)50%的負(fù)載電流，當(dāng)其中某一個(gè)逆變模塊出現(xiàn)故障時(shí)，就自動從負(fù)荷母線上脫開退出供電，而由剩下的1個(gè)逆變模塊繼續(xù)向負(fù)載提供100%的電流，從而保證了UPS系統(tǒng)的不間斷供電。

并聯(lián)冗余的優(yōu)點(diǎn)［2］：

（1）各UPS作用和功能相同，無主次之分，共同承擔(dān)負(fù)載；

（2）并聯(lián)冗余解決了串聯(lián)冗余主備機(jī)UPS電源老化不一致的問題；

（3）能實(shí)現(xiàn)增容、擴(kuò)展功能。

并聯(lián)冗余的缺點(diǎn)：

（1）UPS電源并機(jī)冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；

（2）需要額外的并機(jī)控制器，完成兩臺UPS之間的均流、同步和管理，造成系統(tǒng)成本增加；

（3）對UPS型號和功率有特殊要求。

要實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余必須解決如下技術(shù)問題［3］：

（1）各個(gè)UPS的逆變模塊的頻率、相位、相序、電壓幅值和波形必須相同；

（2）各個(gè)UPS的逆變模塊在輸入電壓和負(fù)載的變化范圍內(nèi)，必須能夠?qū)崿F(xiàn)對負(fù)載有功和無功電流的均勻分配，為此要求均流電路的動態(tài)響應(yīng)特性要好，穩(wěn)定度要高；

（3）當(dāng)均流或同步出現(xiàn)異常情況或UPS的逆變模塊出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)能自動檢測出故障模塊，并將其迅速切除而又不影響其他逆變模塊的正常運(yùn)行。

2.2.3串聯(lián)冗余和并聯(lián)冗余的比較（表1）

目前我公司余熱發(fā)電項(xiàng)目在選擇UPS并機(jī)運(yùn)行方案時(shí)，均采用并聯(lián)冗余。這主要是因?yàn)椴⒙?lián)冗余UPS系統(tǒng)具有投資省、電池主動維護(hù)方便、便于增容、過載能力強(qiáng)、設(shè)備利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

3　結(jié)論

綜上所述，對于單機(jī)運(yùn)行的UPS系統(tǒng)，電力專用UPS與常規(guī)UPS相比，具有投資省、維護(hù)及運(yùn)行成本低、可靠性高、供電時(shí)間和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

對于并機(jī)運(yùn)行的UPS系統(tǒng)，并聯(lián)冗余UPS與串聯(lián)冗余UPS相比，除了可靠性稍差一點(diǎn)外，具有投資省、電池主動維護(hù)方便、便于增容、過載能力強(qiáng)、設(shè)備利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

［1］牛日剛，張曉飛.金山熱電廠UPS供電可靠性的分析［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2012（22）：71-72.

［2］劉軍.UPS冗余方式的選擇［J］.電氣開關(guān)，2006（6）：55-57.

［3］段書成.UPS并聯(lián)冗余技術(shù)的分析與應(yīng)用［J］.電氣應(yīng)用，2011（23）：73-77.■

Introduction on the Configuration of UPS System of Waste Heat Power Station

表1　串聯(lián)冗余和并聯(lián)冗余的比較

TQ172.622.22

A

1001-6171（2015）04-0053-04

通訊地址：中材節(jié)能股份有限公司，天津300400；

2014-10-28；編輯：呂光