电力UPS的技术分析及在水电站的应用.pdf

6 8 谈靖， 何璐， 陈刚， 冯汉夫， 石爽． 电力 U P S的技术分析及在水电站的应用 文章编号： 1 0 0 6 --2 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 —0 0 6 8 —0 4 电力 U P S的技术分析及在水 电站的应用 谈 靖， 何 璐， 陈 刚， 冯汉夫， 石 爽 ( 中国顾问水电集团西北勘测设计研 究院， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 分析了电力 U P S电源装置的结构类型以及其基本技术特性， 对各种类型的电力 U PS 电源结构的优缺点进行 比较， 结合水电站自身负荷特性和重要性提出选择电力 U PS 电源装置的一些观点。分析了几例在水电站工程应用 U PS 中出现问题的根源， 提出如何在水电站的应用中综合考虑经济性和技术性， 合理配置电力 U P S电源装置。 关键词： 锁相； 热备冗余； 并联冗余； 均流； U P S 中图分类号 ： T M7 1 2 文献标识码 ： A Te c hn i c a l Ana l y s i s o f El e c t r i c Po we r UPS a n d i t s App l i c a t i o n i n Hy dr o po we r S t a t i o n T AN J i n g，HE L u，CHE N Ga n g ，F E NG Ha n — f u，S HI S h u a n g ( H y d r o C h i n a X i b e i E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n ， X i a n 7 1 0 0 6 5 ) Ab s t r a c t ： S t r u c t u r al t y p e a n d b a s i c t e c h n i c a l c h a r a c t e ri s t i c s o f e l e c t r i c p o w e r UP S a r e a n aly z e d i n t h e p a p e r ．Ad v a n t a g e s an d d i s a d v a n t a — g e s o f v a ri o u s s t r u c t u r e s o f e l e c t ri c p o we r UP S a r e c o mp are d ．I n c o mb i n a t i o n w i t h l o a d c h ara c t e ris t i c s a n d i mp o ~ a n c e o f h y d r o p o w e r s t a — t i o n s ，v i e w s o n s e l e c t i o n o f e l e c t r i c p o we r UP S a r e r a i s e d ．S o u r c e s o f i s s u e s o f e l e c t ri c p o we r UPS a p p l i e d i n a c o u p l e o f h y d r o p o w e r s t a — t i o n s are an aly z e d ．Ho w t o c o mp r e h e n s i v e l y c o n s i d e r t h e e c o n o my a n d t e c h n o l o g y o f e l e c t ri c p o w e r U P S a p p l i e d i n h y d r o p o w e r s t a t i o n i s r a i s e d S O a s t o r a t i o n all y a r r an g e e l e c t ric p o we r U P S d e v i c e ． Ke y wo r d s ：P h a s e l o c k；h o t b a c k u p r e d u n d a n c y ；p arall e l r e d u n d a n c y ；fl o w e q u a l i z a t i o n ；U P S 0 前言 水 电站计算机监控系统对工作电源的可靠性要 求很高 ， 需要配置专用的电力 U P S电源装置。 目前水电站 U P S电源系统的供电对象主要是电 站计算机监控系统电站层设备， 还包括站内少量需要 使用 U P S电源的二次设备， 比如保护信息管理子站 、 系统安全稳定装置 、 电能计量系统等。 本文结合工程实践应用到的几种 U P S结构类 型电源装置 ， 分析讨论其工作原理及技术特点 ， 以便 探讨在水 电站 U P S电源 系统 的合 理配置 和优 化。 水电站一般设置直流系统 ， 直流系统蓄 电池容量 的 收稿 日期 ： 2 0 1 1 ． 1 0 - 2 4 作者简介： 谈靖( 1 9 7 6 一 ) ， 女， 湖北省浠水县人， 高级工程师， 从 事水电站工程控制保 护设计工作． 选择包含了电站 U P S电源容量 ， 水 电站 U P S电源系 统中一般不再考虑配置蓄电池组。 1 几种 U P S的技术方案 在 U P S电源装 置结构上通常有 3种技术 方案 可供选择 ， 单机、 双机热备冗余 、 双机并列冗余 。双 机热备包括并联热备和串联热备 2种型式 ， 并联冗 余方案包括多机并列冗余技术。 1 ． 1 单 台 U P S装置 结构 及技术 单台设计完善 的 U P S电源装置主要 由 A C， D C 输入整流装置 、 D C ／ A C逆变装置、 静态开关( 包括逆 变器静态开关 和旁路静态开关 ) 及控制 系统组 成⋯ 。U P S 装置设置静态旁路开关 ， 在逆变装置故 障或装置过载时实现静态切换， 此外还设计了手动 旁路 ， 这样可保 证 U P S装 置 因某种 原 因退 出运行 ( 如检修 ) 时， 可手动投入旁路开关 ， 直接 由市 电向 西 北水 电 2 0 1 2年 第 2期 6 9 负荷供电。手动旁路开关和逆变静态开关相互电子 闭锁， 防止维修旁路和逆变并联操作。这些电子元 件相互独立 ， 任何一个部分的故 障不会引起其它部 分产生故障。性 能 良好 的电力 U P S能够为用 户提 供高质量的电能 ， 具有高效率的输出功率 、 稳定的频 率 、 电磁兼容性指标高 ， 优 良的静 态特性和 动态特 性 ， 一定 的过载能力 ， 输 出波形失真少 ， M T B F不小 于 1 0 0 0 0 0 h 。U P S装置输人 、 输出端均有隔离抗干 扰措施 ， 不会受到系统电能质量影响， 对系统电源造 成 污染 。 U P S装置配有监控单元 ， 监控单元可实现对逆 变装置输出电压和频率的调节控制 ， 锁相功能可 以 完成逆变器输 出交流与市电的相位跟踪 ， 保证 U P S 装置输 出波形 、 频率和相位与市电一致 ， 这样才能保 证 U P S在 由逆 变器切换到旁路 时向负载提供不 间 断 、 稳定连续的电源 ， 并且不会对负载产生过大的冲 击。U P S 装置逆变回路切换到旁路是通过静态开关 实现 ， 静态开关切换约 5 ms ， 保证 了电源的不间断。 如图 1 为 1 台单体 U P S的结构图。 图 1 单 台 uP S结 构 图 1 ． 2 热备冗余 U P S技术方案 双机热备 U P S电源装置包括 串联热备和并联 热备 2种接线方案 。串联热备方案 中 2台 U P S靠 近输 出端的为工作机 ， 另一台作为备用机 ， 主备 U P S 不能热互换 ， 备用机输出端接人工作机旁路输入端 ， 其连接技术简单。串联热备方案 中工作机跟踪备用 机输 出电压频率、 相位 ， 在工作机故障时， 备用机通 过工作机静态旁路为负荷供 电。在 2台 U P S均 出 现故障 ， 通过备用 U P S旁路向负荷不间断供 电。如 果需要对任一台 U P S进行检修 ， 可人 为投入旁 路检 修开关 ， 切断 U P S电源输 出开关 ， 从而保证 了在任 何情况下不会 中断负载电源 。图 2为串联热备 U P S 系统接线图。 图 2串联热备 U P S系统接线图 U P S的并联 热备供 电方案。在此情 况下 2台 U P S 装置同时处于带电状态 ， 但任何时候只有 1台装 置对负荷供 电， 2台装置通过一个静态开关进行切 换 ， 如果处于工作状态的 U P S装置发生故障， 可不间 断进行切换至备用 U P S 装置， 由备用装置供电。 串联热备和并联热备都是一种冗余备用技术， 在下列情况下都能 向用电负荷供 电， 有很高的供 电 可靠性 。这些运行模式包括 ： 正常运行、 1台逆变装 置故障运 行、 交流输 入或整 流单元 故 障直流 运行 ( 由电站直流系统蓄电池供电) 、 旁路运行和检修旁 路运行 。 1 ． 3并联运行 U P S技术方案 电力系统采用并联运行 U P S装 置也是一种 比 较好的选择 ， 并联 运行 U P S输 出端 直接 连接在一 起 ， 形成供 电母线同时对负载供电。并联 U P S在运 行时平均分配负荷 ， 并联系统必须保证各 台 U P S装 置的输 出电压 、 相 位 、 频率完 全一致 ， 以保 证各 台 U P S能正常工作 。这需要保证较高的均流要求 ， 装 置均流能力取决 于 2台并联 U P S内部元件特性 的 一 致性和均流措施 。U P S必须有可靠成熟 的频率 、 相位同步技术和电压、 电流调节 ， 以及必须的控制保 护技术才能保证其安全可靠稳定运行。 当前并联 U P S采用 的是主从控制方式 和分散 控制方式 ， 在主从方式下可选用 1台 U P S作为并联 控制的主控单元 ， 负责完成并联控制功能， 其它单元 作为从控制单元 ， 在 主控制单元故障时 自动切换从 机作为并联控制单元的主单元。分散控制是将并联 控制功能分散到各 U P S单元 ， 由各 U P S控制装置独 立检测和控制本装置在系统中的工作状态， 实现功 率输 出的合理分配。U P S 通过总线相互传输运行参 7 0 谈靖， 何璐 ， 陈刚， 冯汉夫， 石爽． 电力 U P S的技术分析及在水电站 的应用 数 。各 自的控制单元综合这些参数得 出频 率及 电压补偿信号的控制策略， 实现所有的控制调节功 能。由于总线传递 的是数字信号 ， 其抗干扰能力很 强 ， 而且各台 U P S间相互独立， 一台 U P S故障不影 响整个系统的运行 ， 提高了系统 的可靠性。图 3为 并联热备 U P S接线图。 ． ＼ — l} CB 旁路 L＼ S BCB 主输人 L一 7 l 盱 毳 ． ＼ 输 出 广 『 1 广 n Q C B c输入 ．＼ I I l ————— S、 B C B I 。" 。m - ~ I 主输入 一 、 _一 B - ’5 c B Qc B c 输入 图 3并联热 备 u P s系统接线图 并联 U P S运行需要注意的一点是 ： 在所有逆变 模块故 障或过载时 ， 系统负荷将由静态旁路供 电， 所 有静态旁路同时供 电， 这就要求所有静态旁路输入 回路接同一个输人电源。 以上分析了几种运行方式 U P S的技术特点 ， 在 工程应用 中应该根据用电负荷可靠性 的不同要求配 置 U P S电源系统。 2 水电站 U P S负载特性分析 水电站 U P S装置 的供 电对象主要是计算机设 备， 计算机设备负载特性包括功率因数、 波峰系数、 电涌系数 、 暂态相应要求 、 对频 率及 电压波形容许 度 、 谐波 电压容许度以及允许失电时间。根据统计 ， 计算机设备的功率因数一般为 0 ． 6 5～0 ． 8之 间， 计 算机在使用正弦波 U P S电源时非线性 引起 的电流 波峰系数约为 2— 3 ， 在考虑了以上因数后可 以根据 供电负载对象统计负载容量。 计算机设备并非要求供电电源不能出现瞬时中 断 ， 目前计算机设备 内部均设 置有 电源瞬时中断保 护电路 ， 可允许外部允许电源下 降或消失 的时间可 为 1 0 0 m s 。 3 水电站 U P S电源方案 比较 大中型水电站计算机监控系统基本按冗余方案 设计 ， 以达到工作 电源的 MT B F为数 1 0 0 0 0 0 h的高 可靠性要求 。小型水电站或者在电站某一独立区域 需要交流电源而对可靠性要求较低时 ， 从经济角度 考虑可设置单台装置。 双机热备冗余系统和双机并机系统在 以往的水 电站工程设计中均有应用。2种方案在 U P S的容量 选择时有很大不同。 双机热备 U P S电源系统在整个供电过程 中， 始 终有 1台 U P S长期 闲置不用， 1台承担全部用 电负 荷 ， 2台 U P S的容量都需要满足整个用的负载的供 电 要求 ， 单台 U P S的容量配置大， 使用效率低。而且在 主从转换过程中， 从机处于空载运行状态， 一旦 出现 切换过程 ， 负载量将从 0突变到 1 0 0 ％， 整流器和逆变 器将受到大电流冲击。但双机热备 U P S供电方式易 于实现， 技术要求较低 ， 投资低 ， 经济性好 。同时双机 热备系统 2台电源装置的检修、 投运和相互切换都不 间断， 其可靠性能够满足用电负载的要求。 采用双机或多级并机供电的最大优点就是系统 供 电过载能力强 ， 2台或多台 U P S正常供电时平均 分担负荷 ， 每台 U P S均运行在负载率较低的水平和 最佳运行工况 。相 比较 双机热备 系统 U P S单 台容 量可适当降低 。并 机运行 U P S电源 系统每 台装置 都有各 自的控制系统， 在运行维护上提供 了极大的 方便 ， 任何一台装置退出运行 ， 其它装置随机承担相 应的负荷， 如果过负荷则延迟一定时间自动转旁路 输出， 过负荷消除后 自动转 回逆变装置供电。系统 可扩展性好 ， 可方便扩机增加系统供 电容量。如前 所述 ， 并机运行 U P S电源系统技术先进 ， 性能优 良、 运行可靠 ， 是 目前大型水电站推广应用的主要结构 模式。并机运行 U P S系统与双机热备系统相 比其 价格较昂贵。 4 工程应用实例和出现的问题 下面列举 3个 比较具有代表性水电站的应用实 例 ， 因对 U P S电源装置性能 的选择和负荷考虑点不 同， 其运行效果截然相反。这 3座水 电站装机容量 分别为 4台 1 0 MW， 3台7 5 MW 和 3台 3 3 4 MW， 可 分别代表大 中小 3种规模 的电站。但在设计初期考 虑其 U P S的配置时并未仅仅考虑到其装机规模 ， 同 时还需考虑电站 自身的特点。 第 1座水 电站 U P S电源 系统在运行 中出现了 严重问题 ， 在设计之初考虑电站所处的电网比较薄 弱 ， 其在整个电网的地位 比较重要 ， 招标设计方案为 西 北水 电 2 0 1 2年 第 2期 7 1 配置 1套 1 0 k V A双机 并列运行 U P S ， 而 因其他 原 因， 实际运行设 备为并联热备 U P S ， 另外 U P S负荷 中又不适当地接入了电站部分二次屏柜内的加热照 明负荷 ， 导 致正 常运行 时工作 U P S基本 满负荷 运 行 ， 并出现过载故障， 电站上位机系统几次出现失电 宕机事故。后又新采购了 1套 1 0 k V A U P S电源系 统专用于计算机监控上位机 系统 ， 才保证 了电站计 算机监控系统的稳定运行 。 第 2座水 电站是地下厂房式电站 ， 业 主在 电站 运行管理上有比较多的经验 ， 所 以要求设计按无人 值班运行管理方式来考虑 电站各项功能 。考虑到电 站布置特点 ， 并且整个流域的集控 中心也将设置在 该 电站生活区 ， 所以在 电站地下厂房、 洞外开关站 中 控室、 集控中心和坝区进水 口各设置了 1套 U P S电 源系统 。其中地 下厂房 和中控 室 2套 U P S电源 系 统是双机并列运行方案 ， 容量为 1 0 k V A， 集控中心 为 1 套 1 5 k V A并列运行 U P S ， 坝 区进水 口主要负荷 为坝区 L C U， 负荷很小 ， 所 以配置 了 1套单机运行 U P S ， 因没有直流系统提供备用电源 U P S系统配置 了蓄电池。在后期招标 中严格按照设计要求进行采 购 ， 要求并机运行 U P S为并列运行 ， 负荷均分。 目 前电站运行 3 a ， 整个 U P S电源系统运行状况非常 稳定 。 第 3座大型水电站配置了 2套 U P S电源系统 ， 一 套为电站计算机监控系统配套配置 ， 在技术文件 中要求工作方式为冗余配置在线双并机 ， 容量 由厂 家根据计算机监控系统统计负荷确定 ， 但不得小于 2 0 k V A。而实际计算机监控系统配置 的 U P S装置 为 2台独立 2 0 k V A U P S装置并联运行 ， 出口通过控 制开关进行 切换后供 电。另一套 电站 公用 U P S单 独采购 ， 负荷主要为全厂交流 2 2 0 V用电设备 ， 电站 公用 U P S为 2台 1 2 k V A独立运行 的 U P S 。后得到 反馈信息 ， 整个 水 电站 U P S运行状态不很稳定 ， 对 电站运行管理造成一定 困难。分析可见 ， 计算机系 统所配置的 U P S主要是供货商没有严格按照设计 技术要求供货 ， 虽满足统计负荷要求 ， 但因技术方案 变动 ， 单台设备正常运行时负载增加 。而全站公用 U P S系统供 电对象相对混乱 ， 接人大量非重要负荷 ， U P S本身容量较小导致过载 ， 最终对需要采用 U P S 供电的设备造成一定安全威胁。 通过上述 3座水电站 U P S的运行情况可见 ， 各 种环节都会导致 U P S出现 问题 ， 如设计和采购。而 设计在负荷统计方面是一个 比较重要 的环节， 不恰 当地接人一些非重要用 电负荷 ( 如照 明) 加热 回路 直接导致了 U P S电源系统的过载 ， 从而对整个系统 造成严重的安全隐患。合理地分析用电设备 电源工 作特性有利于 U P S电源安全稳定 的运行 。比如类 似打印机之类的负荷 ， 其在启动时将产生很大的启 动电流 ， 而打印机短时失 电不会对电站产生任何危 害 ， 所 以直接采用厂用电供电是比较好的方案 。 5 结语 ( 1 )从 U P S发展阶段看 ， 并机 U P S系统代表当 前最高水平。 ( 2 )单机 U P S可靠性稍低 ， 可用于不太重要 的 小型水电站 ， 双机串联冗余 、 并联冗余以及并机系统 具有很高的可靠性。一般情况下 串联冗余 、 并联冗 余适用于中型水 电站 ， 并机系统适用于大型、 特大型 水电站 ， 特大型水电站应该优先选择并机系统。 ( 3 )电力 U P S不应配置蓄 电池组 ， 应采用水 电 站直流系统作为直流输入 。 ( 4 )U P S的具体配置必须根据水电站的实际工 程规模 、 在电力系统 中的作用统筹考虑 ， 本着安全、 可靠 、 技术 、 经济 的原则 ， 合理配置电站 U P S电源系 统 。 ( 5 )设计人员应重视 U P S电源系统技术方案 的选择 ， 严格按照设计方案进行设备采购和设备配 电， 对于没有计人 U P S负荷的电站非重要负荷可采 用厂用 电源供 电 ， 避 免对 U P S的稳定 运行产生 影 响。 参考 文献 ： [ 1 ] 吴其雨 ． U P S不间断 电源的选择 与配 置[ J ] ． 机 床电器 ， 2 0 0 1 ， ( 4) ： 4 1 — 4 6 ． [ 2 ] 于伟， 徐德鸿， 周朝阳． 并联 U P S 系统均流控制[ J ] ． 中国电机 工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 2 1 ) ： 6 3 — 6 7 ．