摘要：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。
關(guān)鍵詞：UPS電源
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。
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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?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(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(guó)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?BR> 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。
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(guó)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。
