簡述變電站UPS電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計新思路

周永光?熊理想?王兵

摘 要 本文按照多機并聯(lián)、在線熱插拔的新技術(shù)思路，重點對變電站現(xiàn)用中低功率的UPS電源進行多機并聯(lián)新技術(shù)的研究，重點從冗余結(jié)構(gòu)、并聯(lián)控制及均流技術(shù)、諧波環(huán)流抑制技術(shù)、旁路策略控制技術(shù)、過載保護切換技術(shù)、監(jiān)控與管理技術(shù)進行了應(yīng)用深入研究分析。

關(guān)鍵詞 多機并聯(lián);在線熱插拔;旁路策略;環(huán)流抑制

引言

隨著電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)水平的不斷提高，自動化和智能化的普遍應(yīng)用，對于UPS電源系統(tǒng)同時也提出了更高的要求，對現(xiàn)場智能化、在線維護化需求越來越高。對于故障報警、可靠投切、方式操作等方面提出了越來越智能化、簡單化、便捷化的要求。本文從現(xiàn)場實際應(yīng)用的角度出發(fā)，提出了設(shè)計新思路，以探討分析變電站UPS電源系統(tǒng)應(yīng)用。

1UPS系統(tǒng)供電方式新設(shè)計應(yīng)用新思路

目前電力系統(tǒng)內(nèi)的UPS基本上采用在線式UPS，正常模式下市電經(jīng)過整流變換成直流，然后通過逆變器給負載供電，當(dāng)逆變器發(fā)生故障（逆變過壓、欠壓、過載、過溫等）時轉(zhuǎn)換到旁路工作模式，由市電直接給負載供電。在此種供電模式，由于在線式UPS的應(yīng)用模式由于整流器及逆變器的效率都無法達到100%，因此長期運行存在近10%～15%的電能損耗，僅深圳供電局每年的電能損耗高達200萬度。

隨著站用交流電源電能質(zhì)量的提高，基本滿足逆變負荷對電能質(zhì)量的要求，這就為本項目的設(shè)計和開發(fā)創(chuàng)造了條件。新設(shè)計思路是改變傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)負載供電方式，正常運行時由市電經(jīng)靜態(tài)開關(guān)供電，減少電能損耗;一旦檢測到交流失電或電能質(zhì)量不滿足負載供電要求，則由并聯(lián)逆變回路為負載供電，避免母線失壓和單機不可靠運行。采用新設(shè)計思路后，UPS系統(tǒng)可處于最經(jīng)濟運行模式，每年可節(jié)省耗電200多萬度。

同時UPS的主體設(shè)備由帶載運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為應(yīng)急后備應(yīng)用狀態(tài)，這樣可提高UPS的使用壽命，減少UPS電源系統(tǒng)運維成本[1]。

2N+X多機并聯(lián)冗余設(shè)計應(yīng)用新思路

在傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)中只有單個逆變器，一旦逆變器故障，則只能切換至緊急供電回路，此時蓄電池組或直流電源的備用電源作用無法發(fā)揮，一旦交流失電，則會導(dǎo)致負載無供電，且在交流電波動較大時，也會對負載供電質(zhì)量產(chǎn)生非常大的影響。

多機并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)的N+X冗余的基本設(shè)計原則是每個并聯(lián)單元是相同的，可以互換，在并聯(lián)工作期間，任意一個模塊單元均可與系統(tǒng)進行分離而不影響整個系統(tǒng)的工作性能，且并聯(lián)系統(tǒng)中負載電流均具有自動均流功能，模塊間無主從之分。

采用N+X并聯(lián)逆變模塊，實現(xiàn)任意模塊故障后自動退出并聯(lián)系統(tǒng)而不影響其他并聯(lián)模塊和設(shè)備的正常運行，降低逆變器故障發(fā)生時對供電的影響，使負載的供電可靠性大大提高，在此N+X多機并聯(lián)冗余應(yīng)用思路將涉及時以下兩方面的關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用：①并聯(lián)控制及均流技術(shù)。在并聯(lián)UPS電源中，對各逆變器單元的均流控制是并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠高效運行的有力保證，在并聯(lián)控制及均流技術(shù)中需解決電壓外特性與均流控制特性的矛盾，一般采用基于環(huán)流阻抗的瞬時均流控制策略。鎖相閉環(huán)控制讓逆變模塊的輸出電壓的相位與系統(tǒng)其他模塊的相位保持一致，各逆變器的輸出電壓瞬時值反饋控制使逆變模塊的輸出電壓受負載影響較小，均流閉環(huán)控制使并聯(lián)系統(tǒng)的各模塊均分負載電流[2]。②諧波環(huán)流抑制技術(shù)。對于并聯(lián)逆變電源，在運行中死區(qū)會帶來諧波環(huán)流，如下圖為兩臺逆變器的并聯(lián)電路示意圖。

其中，

U1、U2為逆變橋的輸出，Uo1、Uo2為逆變器的輸出電壓;

Ro1、Ro2為逆變器的輸出回路中電感和線路阻抗等損耗等效電阻;

Z01、Z02為并聯(lián)電抗，L1、L2、C01、C02為逆變器的濾波電感和電容;

Z為兩臺逆變電源的公共負載。

其環(huán)流定義為：Ih=（i01-io2）/2

若Z01=Z02，則Ih=（Uo1-Uo2）/2Z

由此發(fā)現(xiàn)環(huán)流與實際負載無直接關(guān)系，但與死區(qū)的偏差電壓有關(guān)，然而在實際應(yīng)用中，逆變電源的實際負載的變化會引起逆變橋輸出功率因素的變化從而引起死區(qū)偏差電壓的變化，因此死區(qū)的環(huán)流會隨著負載電流的變化也會有變化，當(dāng)負載的功率因素降低時，環(huán)流峰值也會有所變化。

基波環(huán)流通常可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)正弦電壓消除，但諧波環(huán)流，尤其是低次諧波環(huán)流無法通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)正弦電壓消失，但通過提高提高逆變器的參數(shù)L、C、R來提高增益而對抑制諧波是有幫助的。

3在線熱插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用新思路

傳統(tǒng)UPS的維護過程非常復(fù)雜，當(dāng)需要停電、切換負載、改變運行方式等涉及的操作相當(dāng)復(fù)雜。由于逆變模塊的高度集成，通常需要依賴逆變器供應(yīng)商進行故障檢修，設(shè)備的維護及故障檢修周期變得很長，并且不可控制。在線熱插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計思路設(shè)計，可以實現(xiàn)不停電檢修，任意模塊故障退出時可直接剔除使用新的正常模塊進行更換，無須斷電操作，操作簡單提高UPS系統(tǒng)的可維護性，但在實際應(yīng)用中應(yīng)注意以下兩個方面的技術(shù)實現(xiàn)：

（1）旁路策略控制。對于UPS電源系統(tǒng)，由于過載較大時，為了保護逆變器且達到供電的不間斷功能，通常是切換到旁路的供電方式，在應(yīng)用中有集中旁路和分散旁路兩種供電模式，各有利弊。集中旁路模式的旁路容量較大，分散式旁路模式的旁路容量與單模塊匹配即可，不受并聯(lián)數(shù)限制，但投入旁路的控制邏輯較為嚴(yán)謹(jǐn)，只有所有模塊的旁路切換到時位后才可旁路供電[3]。

（2）過載保護切換技術(shù)。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到負載突加、電機啟動等沖擊負載，由于逆變電源模塊的過載能力有限，而在沖擊瞬間對沖擊負載實現(xiàn)瞬態(tài)均分也是不可能辦得到的，所以必須采取必要的保護措施進行過載保護及切換，通常采用瞬態(tài)電流抑制控制策略。在線熱插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用新思路的實施，對現(xiàn)場的運維成本產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也會非常明顯，在每年UPS電源維修成本中，逆變器的維修成本占據(jù)很大一部分。據(jù)統(tǒng)計，我局每年逆變器損壞發(fā)生的頻率大概為20次，平均每兩個月發(fā)生一次，每年花在逆變器維修上的費用約10幾萬元，比逆變器本身的價格都高出一倍。本項目的應(yīng)用，使逆變器的故障檢修過程變得簡單，僅需將異常模塊拆除，寄送回廠家進行維修，而不影響系統(tǒng)的正常供電。使故障維修費用接近為0，極大地降低了逆變器的維修成本。

4逆變輸出與市電共零線設(shè)計應(yīng)用新思路

逆變輸出與市電共零線設(shè)計：#1和#2逆變母線輸出的零線和市電的零線是同一條線，解決對地電位漂移問題，同時不需要過多的操作，可以直接合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)，可以實現(xiàn)兩段母線的快速并列運行，簡化兩套UPS系統(tǒng)之間的備電操作，提高系統(tǒng)運行的安全性[4]。

5監(jiān)控與管理技術(shù)應(yīng)用新思路

對于多機并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)的監(jiān)控與管理技術(shù)應(yīng)用新思路主要是體現(xiàn)在實時管理、狀態(tài)管理、故障管理三個方面：①實時管理是指對多機并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)的輸入輸出負載電量數(shù)據(jù)進行實時采集、顯示和通信上傳的實時數(shù)據(jù)進行管理，不僅就地查看還能遠程傳輸，達到時實時監(jiān)控的目的。②狀態(tài)管理是指對多機并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)運行方式、逆變狀態(tài)、旁路狀態(tài)等方式及切換過程進行實時采集、上傳與管理。③故障管理是指對多機并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)的失電、過載、過熱、失控等異常情況進行報警、信息發(fā)送、信號燈指示等方式的處理與管理過程。

6結(jié)束語

本文提出的UPS電源新思路應(yīng)用，可以提高UPS電源供電穩(wěn)定性和擴容靈活性，尤其是在運維成本中經(jīng)濟效益明顯，具有非常好的推廣意義。

參考文獻

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[2] 李杭軍，謝勇，桑亞林.串并聯(lián)諧振逆變器的設(shè)計[J].揚州大學(xué)學(xué)報，2007，lO（2）：38-41.

[3] 陳息坤.高頻模塊化UPS及其并聯(lián)控制技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[4] 王瑞祥，俞立天.IGBT超音頻電源并聯(lián)逆變器的過載保護[J].電力電子技術(shù)，2005，39（2）：62-63.