工業(yè)UPS系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)

鄧　珺

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司, 廣東 廣州　510655)

?

工業(yè)UPS系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)

鄧珺

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司, 廣東 廣州510655)

摘要：結(jié)合工程實(shí)例介紹了工業(yè)UPS的系統(tǒng)方式、容量選擇及系統(tǒng)組成,分析了UPS系統(tǒng)的四種工作狀態(tài)。指出要根據(jù)項(xiàng)目的具體情況選擇合適的UPS系統(tǒng),為負(fù)載提供可靠、穩(wěn)定的電源,有利于供電系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：UPS系統(tǒng); 整流器; 逆變器; 靜態(tài)開關(guān)

0引言

不間斷電源(Uninterruptible Power Supply,UPS)具有切換時(shí)間短、效率高、無振動(dòng)、維護(hù)費(fèi)用低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),廣泛地用于工業(yè)自動(dòng)化等重要場(chǎng)合。UPS系統(tǒng)為負(fù)荷等級(jí)較高的用電設(shè)備提供電源,因此其選擇直接影響負(fù)載的電能質(zhì)量和供電系統(tǒng)的可靠性。

1項(xiàng)目概況

某公司年產(chǎn)50萬t工程塑料項(xiàng)目中,在火炬界區(qū)內(nèi)設(shè)置一座380V 低壓配電房,為該界區(qū)內(nèi)工藝凝液泵、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間動(dòng)力照明、污水泵等用電負(fù)荷供電?；鹁鎯?nèi)工藝介質(zhì)主要為乙烯、異戊烷、甲醇、甲烷、氫氣、丙烯等易燃、易爆介質(zhì),因此裝置區(qū)內(nèi)大部分場(chǎng)所為爆炸危險(xiǎn)環(huán)境(現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間及低壓配電房為非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境)。當(dāng)突然停電時(shí)會(huì)打亂生產(chǎn)過程,需較長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù),影響上游裝置平穩(wěn)運(yùn)行,故該裝置負(fù)荷為二級(jí)負(fù)荷。其中火炬點(diǎn)火系統(tǒng)、航空障礙燈、儀表電源的負(fù)荷等級(jí)為一級(jí),其他用電設(shè)備為二級(jí)負(fù)荷。二路380 V低壓進(jìn)線取自35 kV水處理變電所交流380 V低壓開關(guān)柜不同母線段。380 V 配電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。

2UPS選擇

2.1UPS系統(tǒng)方式的選擇

根據(jù)用電設(shè)備對(duì)供電可靠性、連續(xù)性、穩(wěn)定性和電源等參數(shù)質(zhì)量的要求,UPS系統(tǒng)有以下幾種類型:

(1) 單一式。一般用于系統(tǒng)容量較小、可靠性要求不高的場(chǎng)所。

(3) 并聯(lián)式?？山M成大型UPS供電系統(tǒng),供電可靠性高,運(yùn)行比較靈活,便于檢修。

(4) 并聯(lián)冗余式。可組成大型UPS供電系統(tǒng),供電可靠性高,運(yùn)行比較靈活,便于檢修,可用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等重要場(chǎng)所。

石化企業(yè)對(duì)供電的可靠性、連續(xù)性要求很高,電機(jī)等沖擊負(fù)荷多,電網(wǎng)電壓波動(dòng)大,要求UPS輸入電壓范圍寬,抗電涌能力強(qiáng)。另外,工業(yè)環(huán)境對(duì)設(shè)備防腐蝕、防塵要求高。根據(jù)這些特點(diǎn)和該項(xiàng)目的要求,選擇冗余式工業(yè)UPS。

2.2UPS容量的選擇

冗余式UPS為裝置內(nèi)的火炬點(diǎn)火系統(tǒng)、航空障礙燈供電,UPS系統(tǒng)的容量計(jì)算如表1所示。由于用電設(shè)備的額定電壓為380 V,因此UPS輸出電壓為380 V。UPS的容量選擇依據(jù)負(fù)荷的大小,并考慮30%的備用余量。因此,選擇一套三進(jìn)三出視在功率為40 kVA的UPS。

表1　UPS系統(tǒng)的容量計(jì)算

3系統(tǒng)組成

UPS裝置由主機(jī)柜、旁路柜、電池柜和配電柜組成。UPS系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

(1) 整流器/充電器。整流器采用晶閘管相控整流電源,其輸出側(cè)為直流電源。整流器/充電器要有足夠的容量在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)給完全放電的蓄電池再充電,并給逆變器負(fù)荷瞬時(shí)供電。整流器/充電器充電方式有浮充方式、自動(dòng)充電方式、手動(dòng)充電方式、初始或均衡充電方式等4種。

圖1　UPS系統(tǒng)單線圖

(2) 鉛酸免維護(hù)蓄電池、電池?cái)嗦菲?。蓄電池的容量和?shù)量應(yīng)確保在規(guī)定的環(huán)境條件、運(yùn)行條件及規(guī)定的直流電源后備時(shí)間(應(yīng)急供電時(shí)間)內(nèi)能夠連續(xù)為逆變器所帶負(fù)荷供電,并具有防爆、阻燃功能。在主交流電源停電的情況下,電池應(yīng)能夠確保 UPS逆變器的起動(dòng),并在規(guī)定的后備時(shí)間內(nèi)繼續(xù)給負(fù)荷供電(在主交流電源正常時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)起動(dòng)的條件下)。UPS電池管理系統(tǒng)可對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理,對(duì)溫度進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。為了維護(hù)電池,斷路器將電池與整流器/充電器、逆變器隔離。

師資力量是學(xué)校發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)要素，獨(dú)立學(xué)院經(jīng)過幾年的發(fā)展普遍認(rèn)識(shí)到，無論是依托母體學(xué)校，還是聘請(qǐng)其他高校的教師都只能暫時(shí)緩解自有師資不足的燃眉之急，不能從根本上滿足獨(dú)立學(xué)院自身的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需要。一方面，專任或外聘教師隊(duì)伍流動(dòng)性大，層次參差不齊，管理難度較大，不少外聘教師抱著打工賺錢的心態(tài)，責(zé)任意識(shí)不強(qiáng)，很難保證教學(xué)的完整性及教學(xué)質(zhì)量；另一方面，由于自身專職教師缺乏，使得獨(dú)立學(xué)院對(duì)教學(xué)管理及質(zhì)量的控制往往顯得力不從心，捉襟見肘，教學(xué)秩序及教學(xué)質(zhì)量難以得到有效保證。辦學(xué)實(shí)踐證明，獨(dú)立學(xué)院要想在教育陣地站穩(wěn)腳跟，辦出特色，必須擁有一支相對(duì)穩(wěn)定的專職教師隊(duì)伍。

(3) 逆變器。逆變器接收整流器或電池組的輸出直流電流,將其轉(zhuǎn)換為交流電。為了能夠無間斷地切換到旁路電源,逆變器的輸出電壓應(yīng)在任何可能的情況下都能與旁路電源同步。

(4) 靜態(tài)旁路開關(guān)。當(dāng)逆變器故障或系統(tǒng)過負(fù)荷時(shí),應(yīng)自動(dòng)切換至備用電源。切換系統(tǒng)應(yīng)有一個(gè)內(nèi)部防跳裝置,以防止在下游發(fā)生不明確的故障時(shí)電源間振動(dòng)。當(dāng)故障清除或負(fù)荷已恢復(fù)至正常狀態(tài)時(shí),靜態(tài)開關(guān)應(yīng)自動(dòng)恢復(fù)至逆變器輸出位置。

(5) 手動(dòng)維護(hù)旁路開關(guān)。手動(dòng)維護(hù)應(yīng)作為靜態(tài)開關(guān)的備用開關(guān),應(yīng)能保證在UPS主回路檢修時(shí)能獨(dú)立工作,確保不間斷地為負(fù)荷供電。

(6) 隔離變壓器。為了防止UPS內(nèi)部誤操作對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響,整流器輸入側(cè)設(shè)置輸入隔離變壓器。為了防止負(fù)載對(duì)UPS的沖擊,逆變器輸出側(cè)設(shè)置輸出隔離變壓器。

(7) 控制、保護(hù)及自檢系統(tǒng),包括液晶監(jiān)視裝置和電池在線檢測(cè)裝置。

(8) 報(bào)警、故障兩對(duì)無源接點(diǎn)組成的故障報(bào)警單元。該單元要為全廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)留通信接口,通過該接口提供UPS所有的運(yùn)行、報(bào)警和故障等信息。接口通信規(guī)約為Modbus。

為降低內(nèi)部短路的危險(xiǎn)并限制內(nèi)部故障時(shí)損害的擴(kuò)大,模塊化的系統(tǒng)元件應(yīng)采用物理隔離,并安裝在戶內(nèi)落地式金屬柜內(nèi)。另外,密封鉛酸免維護(hù)電池應(yīng)獨(dú)立成柜。

4工作過程

4.1正常運(yùn)行

主電源正常進(jìn)行時(shí),整流器/充電器為逆變器提供直流電流,同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行浮充電,由逆變器連續(xù)向負(fù)荷供電。

4.2主電源故障

在主電源故障或極度惡化的情況下,逆變器在規(guī)定的電池后備時(shí)間內(nèi)利用電池?zé)o間斷地、無擾動(dòng)地連續(xù)為負(fù)荷供電。當(dāng)主電源恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí),整流器/充電器再次為逆變器供電,并給負(fù)荷無間斷、無擾動(dòng)地供電,同時(shí)自動(dòng)給電池進(jìn)行恢復(fù)性再充電。

4.3逆變器故障,旁路運(yùn)行

負(fù)荷超過系統(tǒng)能力(短路、大電流起動(dòng)等)或 UPS 停機(jī)(用戶為了維護(hù)而停機(jī)或內(nèi)部故障自動(dòng)停機(jī))的情況下,當(dāng)旁路電源正常且在容限范圍內(nèi)時(shí),靜態(tài)旁路開關(guān)應(yīng)無間斷地瞬間將負(fù)荷切換到旁路電源。為此,逆變器的相位和頻率應(yīng)自動(dòng)與旁路電源同步;負(fù)荷從旁路電源同步地切換回UPS輸出的過程可自動(dòng)或手動(dòng)完成。切換過程中不應(yīng)中斷負(fù)荷供電或擾動(dòng)。

4.4手動(dòng)旁路運(yùn)行

為了便于維修,交流UPS裝置包括一個(gè)手動(dòng)操作的機(jī)械旁路系統(tǒng)。為了確保在服務(wù)或測(cè)試期間的人身安全,機(jī)械旁路系統(tǒng)在利用旁路交流電源繼續(xù)給負(fù)荷供電的同時(shí)隔離整流器/充電器、電池組、逆變器和靜態(tài)開關(guān)等單元電路。

5結(jié)語

現(xiàn)今,UPS越來越廣泛地用于工業(yè)自動(dòng)化等重要場(chǎng)合,應(yīng)結(jié)合工程項(xiàng)目的具體情況選擇UPS系統(tǒng),以滿足石化企業(yè)供電系統(tǒng)的高可靠性和高連續(xù)性的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]修志剛,張慧康,李海林,等.UPS電池容量計(jì)算方法[J].現(xiàn)代建筑電氣,2013,4(11):4-7.

[2]孫博.UPS電源設(shè)備的原理與使用維護(hù)[J].通信電源技術(shù),2010,27(3):68-70.

[3]邵有為,張毅.UPS電源設(shè)備維護(hù)及蓄電池充電電路分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2010(8):157-158.

Selection and Design of Industry UPS SystemDENGJun

(Guangdong Petrochemical Engineering Design Institute, Guangzhou 510655, China)

Abstract：This paper discussed the operation modes and capacity selection of UPS system.The composition of UPS system was elaborated.The four operation processes of UPS system were analyzed.It is pointed out that the suitable UPS system should be selected based on project conditions,which provides the reliable and stable power supply,to ensure the safe and reliable operation of power supply system.

Key words:UPS system; rectifier; inverter; static switch

收稿日期：2015-03-20

中圖分類號(hào)：TU 851

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-8417(2015)06-0010-03