關(guān)于大容量UPS 電源應(yīng)用的探討

樊 峰

（樊氏科技發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引 言

大容量UPS電源又可稱為大容量不間斷電源，可以實(shí)現(xiàn)不間斷供電，促使機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備不間斷運(yùn)行。近幾年，大容量UPS電源逐步克服了大型集中網(wǎng)絡(luò)供電瓶頸，構(gòu)建了現(xiàn)代化和智能化的自動(dòng)供電體系，提高了供電穩(wěn)定性?，F(xiàn)代化和智能化自動(dòng)供電體系可以在交流停電的情況下，充分利用蓄電池優(yōu)勢(shì)，啟動(dòng)備用交流電設(shè)備或者在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)交流電，保證相關(guān)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行?？梢姡瑢?duì)大容量UPS電源的具體應(yīng)用進(jìn)行探究非常必要。

1 大容量UPS電源應(yīng)用原理

大容量UPS電源（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）又可稱為不間斷電源，主要是將鉛酸免維護(hù)型蓄電池與主機(jī)相連接，利用主機(jī)逆變器模塊電路，將直流電轉(zhuǎn)換成設(shè)備所需電源的系統(tǒng)設(shè)備。大容量UPS電源多用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其他電力電子設(shè)備（如電磁閥、壓力變送器等）提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應(yīng)。在設(shè)備所需電源輸入正常時(shí)，大容量UPS電源可以將設(shè)備所需電源穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載運(yùn)行。在整個(gè)過程中，大容量UPS電源主要作為交流式電穩(wěn)壓器使用。同時(shí)，大容量UPS電源可向機(jī)內(nèi)電池充電；而在設(shè)備所需電源因事故中斷時(shí)，可第一時(shí)間利用逆變器，將電池的直流電能轉(zhuǎn)化為交流電向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220 V交流電，以保證負(fù)載維持正常工作，同時(shí)保護(hù)負(fù)載軟、硬件的完整性[1]。

2 大容量UPS電源應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 提高系統(tǒng)可靠性及安全性

在大容量UPS電源系統(tǒng)中，大容量UPS電源可以依據(jù)中國(guó)電網(wǎng)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及醫(yī)療系統(tǒng)等對(duì)電源的可靠性要求，從根本上解決中型或大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集中供電導(dǎo)致的供電電網(wǎng)環(huán)境惡化問題。利用基于全新的數(shù)字技術(shù)的第三代工頻純?cè)诰€式智能型大容量UPS直流電源，不僅可以維持電路中穩(wěn)恒電流，而且可以提高系統(tǒng)可靠性及安全性。同時(shí)，大容量UPS電源可以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)停電后，保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)工作一段時(shí)間，以便用戶能夠緊急存盤，避免電力中斷對(duì)用戶工作造成不利影響。

2.2 提高系統(tǒng)冗余利用率

大容量UPS電源內(nèi)每一設(shè)備具有獨(dú)立供電能力，且每臺(tái)大容量UPS電源帶載率均與理論值相符或高于理論值，整體設(shè)備資源利用率較高。在后期運(yùn)行過程中，相關(guān)人員可以通過對(duì)大容量UPS電源進(jìn)行擴(kuò)容，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的冗余利用率。

2.3 降低系統(tǒng)維護(hù)難度

在日常巡檢外觀的基礎(chǔ)上，相關(guān)人員可以通過定期更換電池、濾波電容以及風(fēng)機(jī)等易損件，保證大容量UPS電源穩(wěn)定運(yùn)行。由于大容量UPS電源具有的特殊優(yōu)勢(shì)，它在維護(hù)階段危險(xiǎn)度低，易擴(kuò)容，維修難度小。大容量UPS電源內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備以模塊化存在，替換難度低。維修人員可以直接使用高級(jí)工具測(cè)試電池性能，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，設(shè)備事故預(yù)防能力較高[2]。

3 大容量UPS電源在某機(jī)房中的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

3.1 某機(jī)房項(xiàng)目概述

某機(jī)房?jī)?nèi)裝設(shè)有單機(jī)容量為300 MW的混流式發(fā)電機(jī)組。該機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)化程度較高，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)整體機(jī)房運(yùn)行監(jiān)視及操作。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)供電電源主要為系統(tǒng)UPS電源供電網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)控制單元供電網(wǎng)絡(luò)。其中，系統(tǒng)UPS供電網(wǎng)絡(luò)負(fù)載主要包括GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)、環(huán)形以太網(wǎng)各系統(tǒng)交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)各機(jī)組功率變送器交流電源及電站控制機(jī)全部設(shè)備；現(xiàn)場(chǎng)控制單元供電網(wǎng)絡(luò)則由機(jī)器旁路直流電源配電屏220 V直流電源和機(jī)器旁路交流電源配電屏220 V交流電源組成。通過交流、直流輸入電源與現(xiàn)場(chǎng)控制單元柜內(nèi)電源模塊連接，可輸出24 V直流電源，為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載提供電源，以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制單元不間斷供電的目的。

3.2 大容量UPS電源型號(hào)及容量選擇

依據(jù)控制便捷、穩(wěn)定性好、安全可靠的UPS電源選擇原則，可采用德國(guó)SADT（AEG PSS）Protect7.00 20 kVA工業(yè)型UPS雙機(jī)并聯(lián)冗余系統(tǒng)。在確定大容量UPS電源型號(hào)后，依據(jù)容量額定視在功率，相關(guān)人員可以設(shè)定容量較高的大容量UPS電源。一般機(jī)房運(yùn)行負(fù)載為額定功率的1/4～4/5，以保證后期擴(kuò)容工作順利進(jìn)行[3]。同時(shí)，為適應(yīng)現(xiàn)代化機(jī)房無人值班或少人值班的要求，可對(duì)上述UPS電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，即在UPS電源輸入端采用三路供電的方式，選擇不同的母線及電源。其中，一號(hào)UPS電源主電源為220 V交流電源，來自400 V交流電源廠用電5D配電盤供電；二號(hào)UPS電源主電源為220 V交流電源，來自400 V交流電源廠用電6D配電盤供電。整體系統(tǒng)采用CAS BUS總線控制的模式，可以利用相應(yīng)的通信接口板及電源板，對(duì)UPS整流器、逆變器以及靜態(tài)旁路進(jìn)行冗余處理。

3.3 大容量UPS電源線路連接方式選擇

大容量UPS電源的多機(jī)并聯(lián)可以有效提升整機(jī)供電容量和運(yùn)行可靠性，是現(xiàn)階段大容量UPS電源向超大容量UPS電源轉(zhuǎn)化的主要指導(dǎo)。為進(jìn)一步提高大容量UPS電源運(yùn)行穩(wěn)定性及安全可靠性，工程主要利用新型全控高頻開關(guān)器件構(gòu)成大容量UPS電源模塊，隨后經(jīng)多模塊并聯(lián)的方式，對(duì)大容量UPS電源進(jìn)行擴(kuò)容。在大容量UPS電源基本連接方式確定后，相關(guān)人員可選擇互動(dòng)熱備份式連接方式、主從熱備份式連接方式以及冗余并聯(lián)式方式等幾種類型。其中，互動(dòng)熱備份式連接方式主要是單機(jī)帶載+單元互助的形式；主從熱備份式主要為主機(jī)帶負(fù)載，備份大容量UPS電源空負(fù)荷運(yùn)行模式，此時(shí)備份大容量UPS電源輸出需經(jīng)主機(jī)旁路輸入；冗余并聯(lián)式接線方式主要是通過自動(dòng)均分負(fù)載，促使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

雖然大容量UPS電源自身安全可靠性較高，但是部分場(chǎng)合對(duì)大容量UPS電源可靠性要求接近100%。因此，在選擇大容量UPS電源接線方式時(shí)，相關(guān)人員需要結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，選擇安全可靠性最高且成本較低的接線方式。上述方式中，互動(dòng)熱備份式接線方式包括人工分配負(fù)載和單元自動(dòng)分配負(fù)載兩種模式。其中，人工分配負(fù)載模式具有較強(qiáng)的瞬時(shí)過載能力，且可同時(shí)進(jìn)行老化作業(yè)，沒有備份機(jī)電池長(zhǎng)期浮充環(huán)流老化風(fēng)險(xiǎn)。但是，由于它在運(yùn)行期間必須由人工分配負(fù)載，人工作業(yè)不確定性較大，且技術(shù)人員工作負(fù)擔(dān)較大。而單元互動(dòng)熱備份式主要是通過單元互助的形式促使兩臺(tái)大容量UPS電源系統(tǒng)輪流運(yùn)行，整體系統(tǒng)運(yùn)行階段沒有瓶頸故障，但是在自動(dòng)分配負(fù)載階段具有較大的環(huán)流風(fēng)險(xiǎn)，且瞬時(shí)過載能力較差[4]。

主從熱備份式接線方式具有安裝簡(jiǎn)單、不需增加輔助電路的優(yōu)勢(shì)，且可以開展分期擴(kuò)容、N+1熱備份作業(yè)，但瞬時(shí)過載能力較差，且每一UPS模塊老化時(shí)間差異較大、電池壽命較低，不利于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

冗余并聯(lián)式具有較為突出的瞬時(shí)過載能力，且可自動(dòng)分配負(fù)載。但是，由于冗余并聯(lián)式增加了輔助電路，整體運(yùn)行成本較高，且存在環(huán)流風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)上述大容量UPS電源連線方式特點(diǎn)，相關(guān)人員可以集成上述連線方式優(yōu)勢(shì)，選擇最簡(jiǎn)單的串聯(lián)熱備份模式，即利用單一大容量UPS電源裝置，將備用一組一號(hào)UPS電源輸出與工作的二號(hào)UPS旁路輸入相連。常規(guī)運(yùn)行中，主要供電的二號(hào)UPS電源旁路輸出與旁路電源即一號(hào)UPS電源同步。在機(jī)房故障發(fā)生后，無需瞬時(shí)切斷轉(zhuǎn)換，可以直接由一號(hào)UPS電源向敷負(fù)載提供不間斷穩(wěn)定電流。而在大容量UPS電源檢修階段，可以通過切換一號(hào)UPS電源開關(guān)和二號(hào)UPS電源開關(guān)，通過斷開維修旁路開關(guān)，順利完成大容量UPS電源檢修作業(yè)。通過上述開關(guān)遙控，也可以進(jìn)行大容量UPS電源零部件更換及維修。同時(shí)，由于上述接線模式始終為一臺(tái)大容量UPS電源對(duì)負(fù)載供電，整體控制模式較簡(jiǎn)單便捷、安全可靠且運(yùn)行成本較低。

4 大容量UPS電源應(yīng)用及維護(hù)

4.1 大容量UPS電源主機(jī)維護(hù)

在大容量UPS電源應(yīng)用階段，相關(guān)人員應(yīng)定期對(duì)大容量UPS電源主機(jī)進(jìn)行維護(hù)，即定期對(duì)大容量UPS電源主機(jī)進(jìn)行清潔除塵，避免塵土大量堆積在大容量UPS電源主機(jī)表面影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。若需要大容量UPS電源單獨(dú)供電，則相關(guān)人員應(yīng)首先關(guān)閉負(fù)載，隨后啟動(dòng)大容量UPS電源進(jìn)行電源供應(yīng)。最后重新啟動(dòng)負(fù)載，以避免瞬時(shí)電流過大導(dǎo)致大容量UPS電源系統(tǒng)內(nèi)逆變器損壞。同時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)大容量UPS電源系統(tǒng)維護(hù)流程，避免修改大容量UPS電源主機(jī)參數(shù)，避免大容量UPS電源在大量負(fù)載下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，以保證大容量UPS電源主機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 大容量UPS電源組維護(hù)

大容量UPS電源組是大容量UPS電源系統(tǒng)維護(hù)的關(guān)鍵模塊，相關(guān)人員可從環(huán)境、電壓等方面開展全方位維護(hù)管理作業(yè)。

首先，在大容量UPS電源組運(yùn)行期間，相關(guān)人員應(yīng)定期清潔大容量UPS電源組兩端部件，并對(duì)大容量UPS電源組各模塊進(jìn)行檢查、記錄，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)大容量UPS電源組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取防護(hù)措施。同時(shí)，考慮到大容量UPS電源組電壓位于一個(gè)較高的數(shù)值，相關(guān)人員可在操作階段預(yù)先進(jìn)行絕緣防護(hù)操作和防觸電保護(hù)作業(yè)。

其次，一般環(huán)境溫度與大容量UPS電源組浮充電壓呈負(fù)相關(guān)。因此，在大容量UPS電源組運(yùn)行期間，相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)環(huán)境溫度控制的重視，將大容量UPS電源組運(yùn)行環(huán)境溫度控制在一定范圍內(nèi)，保證大容量UPS電源組的使用壽命。

最后，在大容量UPS電源組運(yùn)行期間，深度放電會(huì)導(dǎo)致大容量UPS電源組內(nèi)阻增大而無法順利充電。大電流放電會(huì)導(dǎo)致蓄電池電池極板變形和耐用程度下降。因此，在大容量UPS電源組運(yùn)行維護(hù)期間，相關(guān)人員可在每次放電結(jié)束后，利用大容量UPS電源組充電回路進(jìn)行浮充作業(yè)，避免放電期間大容量UPS電源組兩級(jí)間出現(xiàn)放電短路情況。同時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間閑置的大容量UPS電源，重新啟動(dòng)前，技術(shù)人員需要將其放置在不經(jīng)常停電區(qū)域內(nèi)進(jìn)行浮充處理。一般浮充時(shí)間為10～12 h。注意需要間隔充電，即每間隔一段時(shí)間中斷一次電流供應(yīng)，保證大容量UPS電源組的運(yùn)行年限。

5 結(jié) 論

綜上所述，大容量UPS電源具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、供電可靠性高以及能量損失小的優(yōu)良特點(diǎn)。因此，在機(jī)房建設(shè)過程中，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合現(xiàn)階段機(jī)房設(shè)備運(yùn)行要求，選擇恰當(dāng)?shù)拇笕萘縐PS電源型號(hào)及容量，隨后從大容量UPS電源運(yùn)行維護(hù)入手，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)大容量UPS電源進(jìn)行定期維護(hù)管理，充分發(fā)揮大容量UPS電源的優(yōu)勢(shì)，最大限度地提高機(jī)房運(yùn)行效益。