機組UPS電源系統(tǒng)若干問題探討

　　現(xiàn)代大型發(fā)電機組采用了復雜的計算機監(jiān)控和安全保護系統(tǒng)，其交流220V電源要求穩(wěn)定可靠，分秒不停。應運而生的不間斷電源(簡稱UPS)，滿足了這種“苛刻”負載嚴格的需求，消除了電網(wǎng)電壓瞬變波動對重要負載的影響。
　　UPS電源對機組的安全穩(wěn)定運行至關重要，UPS停電意味著停機停爐。如何提高UPS的可靠性，是現(xiàn)場技術人員經(jīng)常思考的一個問題。
　　本文僅就黃埔發(fā)電廠5號、6號300MW機組UPS系統(tǒng)外圍相關設備的規(guī)劃、配置、選型及安裝、調(diào)試、運行、維護方面多年來遇到的一些問題，進行分析研究，與同行交流切磋。
　　1　系統(tǒng)簡況
　　UPS系統(tǒng)是一個多路電源輸入的低壓多端網(wǎng)絡。網(wǎng)絡的核心設備逆變器和靜態(tài)開關等，是一套電子元件自動控制的電力裝置。黃埔發(fā)電廠300MW機組UPS系統(tǒng)如圖1。

圖1　黃埔發(fā)電廠300 MW機組UPS系統(tǒng)

　　原設計主要設備技術規(guī)范為：

　　a)整流器

　　輸入?yún)?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)劃設計中的重要一環(huán)。

　　探索最佳方案，不妨從原理上進一步考究。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。整流器承擔著UPS的經(jīng)常性負荷。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與旁路電源也應錯開接不同母線。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)開關已切換至旁路運行情況下，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機組廠用電接線，2號及0號低壓廠用變壓器同接6 kV B段，6 kV A段失壓時，0號變壓器還可以自投為1號變壓器所接的工作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，在減少改動的前提下，圖1的電源配置還可以進一步調(diào)整：

　　a)充電器改接至工作b段；

　　b)APS₂改接至保安a段。

　　電廠機組設有工作、備用高壓廠用變壓器及多臺低壓廠用變壓器，還有柴油機或保安備用變壓器，將UPS和APS的多路電源不重復地更合理地接至本機組不同的變壓器和不同的低壓母線，是可以辦到的。機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，這些電源應接入本機組同網(wǎng)絡低壓系統(tǒng)，而不宜接入公用系統(tǒng)或其它機組系統(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。

　　機組WDPF控制系統(tǒng)的DPU柜及計算、存儲、記錄站等電子設備由雙電源供電，如圖2所示。這是可控硅反向并聯(lián)而成的二進一出的三端網(wǎng)絡，UPS優(yōu)先供電。UPS母線失壓或欠壓至一定值時，控制回路觸發(fā)APS側(cè)的雙向可控硅，使其交替導通，并關斷UPS側(cè)的可控硅，由APS繼續(xù)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號機組于UPS安裝后期進行切換試驗時，跳了許多開關，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相位的情況。
　　必須指出，安裝時接錯了相位，不遇到UPS電壓異常情況下的切換或回切，是不會覺察的。甚至許多開關跳閘了，若恢復時從UPS側(cè)先送電(一般均如此)，APS側(cè)后送電，此時不會短路，仍掩蓋了這個極大的隱患。
　　我們希望設計和施工部門，注意這一問題，圖紙上標明相位，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1，一般應合上Q1，Q2，斷開Q3。如果將Q1，Q2由手動操作改換為電動操作，或者加串交流接觸器，聯(lián)鎖自投，還可以降低DPU和計算機站失電的概率。
　　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臺機組用2套UPS裝置。
　　看來UPS電源的配置方案，值得商榷。筆者認為：
　　a)使用UPS的目的，并非發(fā)電廠的電壓質(zhì)量不能滿足計算機系統(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起作用。計算機系統(tǒng)有時發(fā)生“掉站”和芯片元件損壞事件，非旁路電壓波動所致。計算機系統(tǒng)各站主機硬件，帶有自保護功能。旁路電源系統(tǒng)應該簡化，而且可以簡化。
　　b)逆變器是UPS系統(tǒng)的“瓶頸”。從多年的運行經(jīng)驗看，逆變器的控制部分故障率相對較高。有條件的工程，可以考慮1套UPS裝置配2套獨立的逆變器。雙逆變配置，比旁路穩(wěn)壓器或2套UPS裝置的方案，更合理、實用、簡單。
　　c)熱控重要負荷才需要接入UPS母線，而最重要的負荷(DPU和計算機站)則由UPS和APS雙側(cè)電源自動切換供電。APS側(cè)再加1套UPS裝置的方案是不可取的。如果硬要雙UPS，其輸出均應接UPS母線。
　　d)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功夫。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，須進行詳細的負荷統(tǒng)計，并搜集同型運行機組的實際資料。
　　負荷統(tǒng)計，需要搜集負荷的同時率、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，但容量富裕應有度。
　　黃埔發(fā)電廠300 MW機組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)后的實際負荷，交流側(cè)一般為90～100 A(直流側(cè)約125 A)，偶而達110～120 A。如選30 kVA,136 A，負荷率為110 A／136 A=0.73，容量有點偏小。如選40 kVA,182 A，負荷率為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?shù)摹?BR>　　3.2　整流器(充電器)輸出容量
　　UPS設備的功率關系見圖3。

圖3　UPS設備的功率關系

　　黃埔發(fā)電廠300 MW機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，實際負荷偏低，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，計算得整流變輸入容量為87.3 kVA。國產(chǎn)充電器的整流變原設計選配輸入容量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、線路及負荷等有關，準確計算比較復雜，我們期待設計規(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專用電池個數(shù)的選擇
　　4.1　認識上的反思
　　1988年，黃埔發(fā)電廠300 MW機組開始安裝，筆者是甲方代表，初接觸靜態(tài)逆變的UPS，對其原理和特點還了解甚少，在UPS電池個數(shù)選擇上走了一段彎路。原設計電池為日本湯淺公司生產(chǎn)的QFD-250型，250 Ah，堿性，180個，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，認為直流電壓偏高，會縮短繼電器、信號燈等元件壽命，遂提出建議減少電池。經(jīng)設計代表、乙方代表同意，變更為171個，浮充電壓231 V，均充電壓251 V。
　　1991年9月26日，5號機組投產(chǎn)2 a后，進行UPS試驗。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Q4跳閘，切至旁路。均衡充電10 h后，重新試驗，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?筆者認為主要是電池個數(shù)偏少。逆變器輸入210 V跳閘時，單個電池電壓為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，當電池降至1.23 V的時間約20 min，與前述試驗結(jié)果相符。為此，1992年2月筆者草擬了UPS電池改進的意見，電池加裝至186個。驗算其放電至210 V時，單個電池仍有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。

圖4　不同放電系數(shù)的放電電壓曲線

　　4.2　對原設計的分析及修正
　　原設計計算書，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單個電池電壓1.17 V，電池個數(shù)n=210／1.17=180。
　　這里糾正兩點：
　　a)逆變器輸入電流，即電池放電電流計算值應為245 A，而非227 A；
　　b)考慮UPS電池的放電時間0.5 h，此時的電壓1.17 V不是電池的終止放電電壓。
　　修正計算如下：
　　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.
　　驗算應滿足條件：
　　a)放電0.5 h后的單個電池電壓應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單個電池電壓應不小于電池的終止放電電壓；
　　d)放電時間不小于30 min。
　　經(jīng)驗算，n=196滿足上述條件。
　　4.3　討論
　　由于UPS的逆變器設置了低電壓保護，為了充分發(fā)揮電池容量，希望UPS專用電池的個數(shù)多一點，放電至逆變器低電壓跳閘時的單個電池電壓低一點，以延長放電時間；而為了保護電池，電池個數(shù)應少一點，放電后期單個電池的電壓才不致于過低，以防止過放電。設計人員應適當?shù)靥幚磉@一矛盾。
　　電池放電時間與電池個數(shù)密切相關。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，單個電池電壓至1.07 V時放出76%容量(190 Ah)；若選186只，至210 V／186=1.13 V時，放出49%容量(122.5 Ah)，可以放電30 min；若選180只，至1.17 V時只能放出28%容量(70 Ah)，持續(xù)時間僅有17.2 min，達不到期望值30 min。由此可見，充分的容量還要搭配足夠的個數(shù)，才能發(fā)揮電池應有的效能。
　　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。逆變器輸入端與電池及充電器的輸出端連接，中間一般設隔離二極管。逆變器正常輸入電壓，應高于電池正常浮充和均衡充電時的整組電壓，電池才不會輕易放電。
　　為了防止電池過放電而垮掉，逆變器必須有低電壓保護。這一保護定值，就是逆變器輸入電壓的下限，它直接決定著電池個數(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，整流器輸出電壓實際值只有278 V，有時還出現(xiàn)波動。基于上述考慮，UPS改進后電池僅加裝至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)，由設計部門繪制一張包含電源及負荷的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，不能代替實際系統(tǒng)圖施工圖。運行部門總是希望設計部門消化廠家資料后，另出一份確認的圖紙。電廠正常生產(chǎn)后，也應復制一套符合現(xiàn)場實際的竣工圖。
　　b)UPS外圍設備與廠用電和直流系統(tǒng)密切相關。電氣人員比較熟悉電源，而熱控人員則比較熟悉負荷分配和UPS裝置。UPS裝置的選型訂貨，又常與機爐控制系統(tǒng)一起考慮。因而，專業(yè)之間協(xié)調(diào)，才能規(guī)劃設計出好的方案，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)的運行人員執(zhí)行；但負荷端的UPS、DPU、APS柜內(nèi)的開關，宜由熱控人員操作。生產(chǎn)單位只有加強管理，明確職責，分工分界，才能管好UPS。