重要負(fù)荷供電中的UPS配置技術(shù)

閆承山 邱明泉 張立軍 楊佳鈺 郭 琦

（國網(wǎng)北京通州供電公司，北京 101149）

1 重要負(fù)荷供電設(shè)計(jì)方案

出于安全因素的考慮，行政辦公區(qū)不采用柴油發(fā)電機(jī)組作為自備電源，建筑當(dāng)初設(shè)計(jì)的空間大小與承重能力不具備安裝固定式飛輪儲能裝置的條件。綜合考慮用戶情況，配置靜態(tài)儲能不間斷電源（UPS）配合雙電源自動(dòng)切換開關(guān)（ATS），可滿足重要負(fù)荷秒級允許斷電時(shí)間、兆瓦級應(yīng)急電源容量以及30min 持續(xù)供電時(shí)間的供電需求。該文對不同用戶負(fù)荷做如下配置，見表1。

表1 各級別負(fù)荷的應(yīng)急配置

普通負(fù)荷采用“雙電源+ATS”的應(yīng)急供電配置。該普通負(fù)荷雙電源來自低壓不同母線，在單路故障的情況下通過ATS 切換至另一路供電。

重要負(fù)荷的應(yīng)急供電配置分2 種情況，對供電要求相對較低的重要負(fù)荷采用“雙電源+應(yīng)急母線+ATS+移動(dòng)應(yīng)急電源”的應(yīng)急供電配置。應(yīng)急母線與普通母線通過ATS 連接，正常情況下ATS 將應(yīng)急母線與普通母線連通，與外部電源分?jǐn)唷．?dāng)普通母線故障，ATS 將應(yīng)急母線與普通母線分?jǐn)?，與外部電源連通。應(yīng)急母線的作用是將重要負(fù)荷與普通負(fù)荷進(jìn)行區(qū)分，當(dāng)普通母線段故障時(shí)，通過移動(dòng)應(yīng)急電源有選擇性地只為重要負(fù)荷繼續(xù)供電。

為了滿足在線路失電的瞬間能持續(xù)供電，同時(shí)抵御電壓波動(dòng)，在應(yīng)急母線與負(fù)荷之間串聯(lián)接入U(xiǎn)PS，為供電要求相對較高的重要負(fù)荷提供“雙電源+應(yīng)急母線+UPS+ATS+移動(dòng)應(yīng)急電源”的應(yīng)急供電配置，“雙電源+應(yīng)急母線+UPS+ATS+移動(dòng)應(yīng)急電源”的應(yīng)急供電配置避免了故障下負(fù)荷側(cè)ATS 電源切換操作，進(jìn)而解決了電源切換中電壓暫降導(dǎo)致的負(fù)荷閃動(dòng)問題，同時(shí)解決了電壓波動(dòng)問題。

重要載荷中的供電均應(yīng)采用2 路獨(dú)立路由電源供電，并配置主備電源自動(dòng)和手動(dòng)切換開關(guān)裝置（可用發(fā)電設(shè)備作為第二路電源）。不同重要級別的供電應(yīng)由不同的回路供電。重要負(fù)荷的一級重要設(shè)備應(yīng)接入U(xiǎn)PS 電源，UPS 電池組后備時(shí)間應(yīng)滿足實(shí)際負(fù)載工作10min 以上。一級活動(dòng)在符合二級保障要求的基礎(chǔ)上，所有關(guān)鍵設(shè)備需采用UPS供電并且UPS 電池組后備時(shí)間應(yīng)滿足實(shí)際負(fù)載工作至少10min。在實(shí)際運(yùn)用中，雙電源自切電源箱和UPS 電源箱是重要負(fù)荷供電最頻繁且最重要的供配電設(shè)備。該文采用的UPS 配置方案如圖1 所示。其中，自切電源箱一般用于UPS 前端，能夠?qū)崿F(xiàn)兩路外部電源的自動(dòng)或手動(dòng)切換和電源輸出分配。

圖1 重要負(fù)荷供電UPS 配置方案

為提高重要用戶停電應(yīng)急處理能力，必須在電源上增加一道“防線”，即如果出現(xiàn)大面積停電，備用機(jī)組同時(shí)發(fā)生故障，應(yīng)急發(fā)電車必須適用于救援車的配電部門。設(shè)計(jì)用戶供配電系統(tǒng)時(shí)，必須同時(shí)制定外部救援電源運(yùn)行方案，外部供電系統(tǒng)必須注意3 個(gè)方面：行車通道、停車位置和線纜接口設(shè)置。1）行車車道。由于供電部門內(nèi)行駛的發(fā)電車輛較多，行車道的寬度、高度和轉(zhuǎn)彎半徑必須滿足要求。發(fā)電機(jī)房外置發(fā)電機(jī)本體移動(dòng)裝置，如果發(fā)電機(jī)房位于大門側(cè)門，發(fā)電機(jī)車只需停在側(cè)門外即可，無須開進(jìn)大院。2）停車位置。發(fā)電機(jī)本體出線電纜長度一般為50m，從停車處到接入點(diǎn)的電纜安裝通道總長度不得超過發(fā)電機(jī)本體電纜長度。3） 線纜接口設(shè)置。接入開關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)必須與發(fā)電機(jī)本體的電纜連接規(guī)格相匹配，本地電源的發(fā)電機(jī)小車配有通用接口電纜，因此工作人員應(yīng)按“結(jié)束”按鈕退出運(yùn)行過程。

2 分布式UPS 配置

UPS 是解決供電中斷的有效方法，同時(shí)也能抑制電壓暫降。分布式不間斷電源系統(tǒng)支持不間斷電源單元和位于互聯(lián)電網(wǎng)中的關(guān)鍵負(fù)載。為了增加系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，通常在電力系統(tǒng)中集成冗余和并行的不間斷電源系統(tǒng)，主要包括線分布式系統(tǒng)和線互動(dòng)分布式系統(tǒng)。采用在線式UPS 可有效抑制電壓暫降，UPS 的保護(hù)時(shí)間取決于電池的容量，典型設(shè)計(jì)為10s~3min。采用后備方式的UPS時(shí)，只要轉(zhuǎn)換速度足夠快，當(dāng)檢測到電壓暫降發(fā)生時(shí)，切換開關(guān)自動(dòng)切換到UPS 供電，也能夠有效抑制電壓暫降對設(shè)備的影響。

因此，在重要負(fù)荷的UPS 配置方案中，首選并行冗余結(jié)構(gòu)來提高可靠性。主要采用N+1 或N+X冗余結(jié)構(gòu)，其中N個(gè)不間斷電源單元提供負(fù)載，1 個(gè)或X個(gè)額外的單元保持備用，這樣即具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。冗余結(jié)構(gòu)通過保留一個(gè)或多個(gè)不間斷電源單元來保護(hù)系統(tǒng)，如果剩余的電源模塊中出現(xiàn)故障或者斷路，保留模塊可以自動(dòng)連接系統(tǒng)來代替原有單元。冗余結(jié)構(gòu)可以減少單點(diǎn)故障。并行冗余系統(tǒng)通?？梢蕴峁┓浅８叩目捎眯?。除了有額外的不間斷電源模塊，并行冗余系統(tǒng)需要給操作員提供系統(tǒng)級功能來實(shí)現(xiàn)人為干預(yù)。最簡單的冗余不間斷電源系統(tǒng)是1+1 并行冗余，它由一個(gè)帶有備用模塊的集中式不間斷電源組成。具有代表性的并行冗余結(jié)構(gòu)是國網(wǎng)北京市電力公司調(diào)控中心D5000 機(jī)房供電系統(tǒng)，如圖2 所示。它采用的是2 套1+1 并行冗余結(jié)構(gòu)。圖2 中UPS1 和UPS2、UPS3和UPS4 組成2 套1+1 并行冗余結(jié)構(gòu)，2 套UPS 又再次組成并機(jī)雙總線結(jié)構(gòu)，為D5000 調(diào)度機(jī)房核心設(shè)備供電，進(jìn)而使其供電可靠性達(dá)到99.99999%。

圖2 D5000 機(jī)房2 套1+1 接線系統(tǒng)圖

3 UPS 配置控制技術(shù)

3.1 主動(dòng)負(fù)載分配技術(shù)

主動(dòng)負(fù)載分配技術(shù)可分為4 種不同的類型，即集中控制、主從控制、平均負(fù)載分配以及循環(huán)鏈控制。使用這些技術(shù)可以生成每個(gè)模塊的電流或功率參考值，這很容易根據(jù)其額定功率進(jìn)行控制。

集中控制技術(shù)的每個(gè)模塊j的電流基準(zhǔn)Ij是由總負(fù)載電流iL除以模塊數(shù)N來獲得，電流參考值減去每個(gè)模塊的電流得到電流誤差ΔIj，通過電流控制回路進(jìn)行處理。集中控制系統(tǒng)通常用于多個(gè)輸出逆變器并聯(lián)的普通不間斷電源設(shè)備。使用這種方法必須要測量總負(fù)載電流iL，因此該技術(shù)無法應(yīng)用于大型分布式系統(tǒng)。除此之外還需要配置中央控制板。

主從控制技術(shù)由主模塊調(diào)整負(fù)載電壓，因此主機(jī)充當(dāng)電壓源逆變器（VSI），而從機(jī)充當(dāng)電流源逆變器（CSI）。在這種配置中，如果主單元發(fā)生故障，另一個(gè)模塊將充當(dāng)主單元，以避免系統(tǒng)發(fā)生整體性故障。根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能，這種控制方案有不同的變體?？梢詫⒅髂K確定為固定模塊，或者可以通過以最大均方根或峰值電流的模塊來固定主電流。用于并聯(lián)直流/直流轉(zhuǎn)換器在第二種情況下通過使用最高的P和Q平均值，可以獲得類似于高峰值電流控制策略的方案。

平均負(fù)載分配技術(shù)的每個(gè)模塊跟蹤所有活動(dòng)模塊產(chǎn)生的平均電流。該方案通過調(diào)整電阻可以并聯(lián)不同額定功率的轉(zhuǎn)換器。這種控制技術(shù)源于一種應(yīng)用于并聯(lián)直流轉(zhuǎn)換器的思想，即使用連接到公共電流總線的電流共享電阻。所有模塊的電流通過公共電流總線進(jìn)行平均，所有模塊的平均電流是每個(gè)單獨(dú)模塊的參考。這種控制方案是高度可靠的。此外該方法還具有高度模塊化和可擴(kuò)展特性。

循環(huán)鏈控制由每個(gè)模塊的電流基準(zhǔn)組成，并形成控制環(huán)。第一個(gè)單元的當(dāng)前參考是從最后一個(gè)單元的當(dāng)前參考獲得的，以形成循環(huán)鏈連接。為了實(shí)現(xiàn)雙向通信和提高系統(tǒng)可靠性，采用并行線路結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，負(fù)載電壓由主模塊控制，而從模塊僅用于分配負(fù)載電流。除了主模塊之外，從模塊的當(dāng)前命令由其前一個(gè)模塊生成并且幅度有限。在該方案中任何模塊都可以是主模塊。所有控制電路的連接可以形成循環(huán)鏈連接，使每個(gè)模塊都可以成為主模塊。

3.2 下垂控制技術(shù)

在并聯(lián)不間斷電源逆變器的情況下，提供給交流母線的有功和無功功率進(jìn)行檢測并平均，產(chǎn)生的信號用于調(diào)節(jié)不間斷電源逆變器輸出電壓參考的頻率和幅度。下垂控制在模塊的物理位置上實(shí)現(xiàn)了更高的可靠性和靈活性，因?yàn)樗皇褂帽镜毓β蕼y量。通常情況下，由于線路阻抗的高電感成分和大電感濾波器，因此逆變器輸出阻抗被認(rèn)為是電感性的。在這種情況下，通過考慮逆變器輸出電壓E和公共交流母線電壓V之間的小相位差φ，可以導(dǎo)出并簡化如公式（1）所示的有功和無功功率表達(dá)式。

式中：X 為逆變器的輸出電抗。

從公式（1）可以得出結(jié)論，相位角越大，振幅差越大。如果想要負(fù)反饋，當(dāng)P和Q增加時(shí)，需要減少φ和E。一種解決方案是在輸出電壓基準(zhǔn)中引入下垂參數(shù)。通常采用P-ω和Q-V作為下垂參數(shù)。實(shí)現(xiàn)下垂控制的最簡單表達(dá)形式如公式（2）所示。

式中：ω*和E*為空載時(shí)的輸出電壓頻率和幅度；m和n為壓降頻率和幅度系數(shù)；P*和Q*為有功和無功功率參考。

當(dāng)并聯(lián)UPS 單元時(shí)，一般都設(shè)置為零（P*=0 和Q*=0）。如果想配置一個(gè)恒定的電源共享電力系統(tǒng)，就應(yīng)該固定從該單元提取的有功和無功功率。公式（1）中顯示了φ和P之間的關(guān)系，但在公式（2）中使用的是頻率（ω）而不是φ，這是因?yàn)槟K的初始相位值是未知的。使用這種方法時(shí)如果壓降系數(shù)增加，則以降低電壓調(diào)節(jié)為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)良好的功率共享。例如，如果頻率和幅度偏差大多分別為2%和5%，這是可以接受的。

4 結(jié)論

針對供用電壓暫降和短時(shí)供電中斷給重要活動(dòng)帶來重大影響的問題，該文研究了分布式不間斷電源系統(tǒng)。為提高其可靠性，分布式不間斷電源系統(tǒng)通常采用冗余和并行結(jié)構(gòu)并聯(lián)不間斷電源系統(tǒng)的控制方案，具體包括主動(dòng)負(fù)載分配技術(shù)和下垂控制方法。一般來說，主動(dòng)負(fù)載分配控制可以分為兩大類，即電流分配控制和功率分配控制。主動(dòng)均流控制實(shí)現(xiàn)了良好的均流和輸出電壓調(diào)節(jié)，然而它需要高性能的通信技術(shù)。通過使用有功功率分配技術(shù)，平均有功和無功功率信息必須在本地控制器之間共享。基于下垂的控制技術(shù)避免了對關(guān)鍵通信鏈路的需要，還能使不間斷電源系統(tǒng)與外部電壓源同步。

最后，該文提出了重要負(fù)荷供電中的UPS 配置技術(shù)，并詳細(xì)闡述了該技術(shù)在重要負(fù)荷供電中的具體控制方案，對特別重要負(fù)荷采用“雙電源+應(yīng)急母線+UPS+SSTS+移動(dòng)應(yīng)急電源”的應(yīng)急供電配置，使分布式不間斷電源系統(tǒng)能夠替代大型傳統(tǒng)電源系統(tǒng)，成為微電網(wǎng)儲能的合適解決方案。