功果橋電廠機(jī)組UPS優(yōu)化改造研究

武孔松 黃金亮 馮建偉

[摘 ? ?要] ?由于功果橋電站原機(jī)組UPS系統(tǒng)于2012年投運(yùn)，使用克勞瑞德有限責(zé)任公司開發(fā)的Chloride Active A 16 kVA UPS該系統(tǒng)存在主機(jī)故障導(dǎo)致交流輸出中斷、無蓄電池單體電壓檢測系統(tǒng)、蓄電池充放電試驗(yàn)不合格等諸多問題，因此文章提出了功果橋電站機(jī)組UPS改造解決方案，首先執(zhí)行了原機(jī)組UPS負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，確定了新改造的機(jī)組UPS交直流電源接取方案，確定新安裝機(jī)組UPS的配置原則及原理圖設(shè)計(jì)，對新安裝后的機(jī)組UPS電源進(jìn)行切換試驗(yàn)驗(yàn)證，并分析了新安裝的機(jī)組UPS的優(yōu)點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]UPS系統(tǒng);優(yōu)化;研究;配置原則;原理圖

[中圖分類號]TM621 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Research on Optimum Transformation of UPS System of Gongguoqiao Power Plant

Wu Kong-song，Huang Jin-liang，F(xiàn)eng Jian-wei

[Abstract]Since the UPS system of the original unit of Gongguoqiao Power Station was put into operation in 2012， the Chloride Active A 16 kVA UPS （hereinafter referred to as UPS） system developed by Cloride Co.， Ltd. was used. There are many problems such as the battery cell voltage detection system and the unqualified battery charge and discharge test. Therefore， a solution for the transformation of the UPS system of the Gongguoqiao power station is proposed. DC power supply access plan， determine the configuration principle and schematic design of the UPS system of the newly installed unit， carry out the switching test verification of the UPS power supply of the newly installed unit， and analyze the advantages of the UPS system of the newly installed unit.

[Keywords]UPS; system; optimization; research; configuration principle; schematic diagram

UPS是一種含儲(chǔ)能裝置，以整流器、逆變器為主要組成部分，為變電站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化儀表、遠(yuǎn)方通信系統(tǒng)等設(shè)備提供恒壓恒頻的不間斷電源。UPS包含整流器和逆變器，是1種儲(chǔ)能裝置，同時(shí)也是恒壓恒頻的電源裝置。當(dāng)主電源供電正常時(shí)，UPS作為穩(wěn)壓器給負(fù)載供電，同時(shí)對蓄電池進(jìn)行充電;當(dāng)電源供電中斷時(shí)，UPS作為備用電源，通過蓄電池對負(fù)載供電，保證設(shè)備維持正常工作。電力UPS系統(tǒng)一般由電力UPS主機(jī)、旁路穩(wěn)壓柜、輸出饋線柜3個(gè)部分組成，UPS提供的是220 V的交流電源，用于DCS、NCS監(jiān)控用電腦，保護(hù)裝置的打印機(jī)、熱工DCS電源柜等重要設(shè)備需要的交流220 V持續(xù)供電，避免因失電給電廠造成巨大損失。

從圖1可以看出，UPS有3種供電電源，即電源1、電源2和蓄電池組。電源1為主電源供電，UPS在正常工作模式下采用電源1供電，電源1經(jīng)過整流充電器和逆變器對負(fù)載進(jìn)行供電，同時(shí)也對蓄電池組進(jìn)行充電。當(dāng)電源1供電模式出現(xiàn)故障，如逆變器輸出電壓故障、整流充電器發(fā)生故障等，靜態(tài)旁路的靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)閉合，電源2通過靜態(tài)旁路對負(fù)載進(jìn)行供電。如果電源1和電源2同時(shí)發(fā)生故障，則啟用應(yīng)急供電模式，即蓄電池組供電。一般來說，應(yīng)急供電模式下所供電的負(fù)載是相對重要的計(jì)算機(jī)及通信設(shè)備等，因此需要通過控制負(fù)載開關(guān)來調(diào)整負(fù)載的優(yōu)先級順序。

功果橋電站原機(jī)組UPS系統(tǒng)于2012年投運(yùn)，使用克勞瑞德有限責(zé)任公司開發(fā)的Chloride Active A 16 kVA UPS（以下簡稱“UPS”），安裝位于水輪機(jī)層機(jī)組技術(shù)供水控制柜盤旁。原機(jī)組UPS為單主機(jī)、單電源、單母線運(yùn)行方式，不滿足南方電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)不間斷電源配置規(guī)范的要求，不滿足反措要求。同時(shí)系統(tǒng)缺少通訊模塊，無法與監(jiān)控后臺及蓄電池進(jìn)行通訊，監(jiān)控后臺無法采集相關(guān)信息。因此需對機(jī)組UPS進(jìn)行改造，完善配置，實(shí)現(xiàn)冗余配置要求。

1 功果橋電廠原機(jī)組UPS系統(tǒng)存在的問題

功果橋電站原UPS為單主機(jī)、單電源、單母線運(yùn)行方式。市電正常時(shí)，整流器啟動(dòng)，同時(shí)充電器給電池組充電，在UPS開機(jī)前，輸出電壓為旁路電壓，市電通過旁路給負(fù)載供電。開機(jī)后電子轉(zhuǎn)換開關(guān)將負(fù)載與逆變輸出相連，市電經(jīng)過整流/PFC電路后輸出直流電給逆變電路，經(jīng)過逆變電路變換輸出純凈的正弦波交流電，通過電子轉(zhuǎn)換開關(guān)提供給負(fù)載。市電異常時(shí)，電池電壓經(jīng)過整流/PFC電路升壓后輸入給逆變電路，經(jīng)過逆變電路變換輸出純凈的正弦波交流電，通過電子轉(zhuǎn)換開關(guān)提供給負(fù)載。市電恢復(fù)正常后，UPS自動(dòng)從電池模式切換回正常模式，市電仍然經(jīng)過整流/PFC電路后輸出直流電給逆變電路，通過電子轉(zhuǎn)換開關(guān)提供給負(fù)載。該系統(tǒng)主要存在以下問題：

（1）該UPS為單主機(jī)配置，市電旁路輸入、蓄電池直流輸入、交流輸出均必須通過主機(jī)，一旦主機(jī)故障則交流輸出中斷，直接影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

（2）該UPS使用兩組440 V蓄電池組并聯(lián)輸入主機(jī)，蓄電池多且蓄電池柜布置不合理，蓄電池層間距過小，在專業(yè)人員開展放電試驗(yàn)時(shí)需要將手伸入蓄電池間，有觸電的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）無蓄電池單體電壓監(jiān)測系統(tǒng)，在設(shè)備運(yùn)行過程中無法查看蓄電池單體電壓情況，不能滿足設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

（4）在2018—2019年度檢修期，對蓄電池組核對性放電試驗(yàn)不合格，不能滿足運(yùn)行要求。因該UPS系統(tǒng)技術(shù)較為落后，主機(jī)模塊需要輸入440 V直流電源才能逆變出380 V交流輸出，現(xiàn)場使用兩組440 V蓄電池組并聯(lián)輸入主機(jī)，機(jī)組直流系統(tǒng)為220 V直流系統(tǒng)，不能向UPS主機(jī)提供該電壓等級的直流輸入，所以拆除蓄電池直接從機(jī)組直流系統(tǒng)取電并不能解決問題，由于蓄電池價(jià)格高，而原UPS主機(jī)技術(shù)落后，因此對原蓄電池進(jìn)行全部更換的意義不大。

2 功果橋電廠機(jī)組UPS系統(tǒng)解決方案

因原機(jī)組UPS存在較多問題，因此對原機(jī)組UPS進(jìn)行更換改造，拆除原機(jī)組UPS及蓄電池，安裝新的UPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冗余配置要求，新系統(tǒng)不再單獨(dú)配置蓄電池，與目前機(jī)組直流系統(tǒng)共用蓄電池。

2.1 原機(jī)組UPS柜負(fù)荷功率

對原機(jī)組UPS柜負(fù)荷功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，約為5 kW，見表1。

2.2 確定新安裝UPS交直流輸入電源接取方案

考慮負(fù)荷主要為工控機(jī)等電子設(shè)備功率因素取0.6，則實(shí)際負(fù)載P=5/0.6=8.3 kW，UPS容量S=P/0.8=10.5 kV·A，因此新安裝的機(jī)組UPS系統(tǒng)容量選取為15 kV·A，由整流器、逆變器、靜態(tài)旁路切換開關(guān)、手動(dòng)維修旁路開關(guān)、監(jiān)控單元、通信接口設(shè)備組成。

經(jīng)核實(shí)機(jī)組直流系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷電流為15 A，機(jī)組直流系統(tǒng)額定輸出電流60 A，完全滿足機(jī)組UPS取電需求，因此機(jī)組UPS直流電源取自機(jī)組直流系統(tǒng)，不需要單獨(dú)再配置蓄電池，節(jié)約了改造成本。

UPS電源的交流電源輸入和旁路電源輸入應(yīng)采用兩路電源經(jīng)自動(dòng)切換裝置切換的供電方式，兩路交流輸入電源應(yīng)分別來自400 V機(jī)組自用電a、b段交流母線。

2.3 確定新安裝機(jī)組UPS的配置原則及原理圖設(shè)計(jì)

（1）UPS由在線式不間斷電源和交/直流輸入單元、交流輸出單元等設(shè)備組成。

（2）在線式UPS由整流器、逆變器、靜態(tài)旁路切換開關(guān)、手動(dòng)維修旁路開關(guān)、監(jiān)控單元、通信接口組成。

（3）交/直流輸入單元由交流輸入自動(dòng)切換裝置、交流輸入斷路器、旁路輸入斷路器、直流輸入斷路器、防雷器等組成。

（4）交流輸出單元由交流輸出斷路器、交流饋線開關(guān)、測量表計(jì)等組成。

（5）UPS采用多模塊帶旁路設(shè)計(jì)，構(gòu)成冗余供電系統(tǒng)。

（6）手動(dòng)維修旁路開關(guān)QF6正常在分閘位置，不能合閘，設(shè)置了防誤操作的閉鎖措施（上鎖）。

（7）設(shè)計(jì)新安裝UPS原理圖如圖2所示。

2.4 新安裝機(jī)組UPS的電源切換試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）模擬交流輸入電源故障（斷開機(jī)組UPS交流輸入電源QF1開關(guān)），UPS由交流輸入電源供電切換至由直流系統(tǒng)經(jīng)逆變器供電，切換時(shí)間應(yīng)為0ms;模擬交流輸入電源恢復(fù)正常（合上機(jī)組UPS交流輸入電源QF1開關(guān)），UPS自動(dòng)由直流系統(tǒng)供電切換至由交流輸入電源供電，切換時(shí)間應(yīng)為0 ms。

（2）模擬交流輸入電源及直流輸入電源均故障（同時(shí)斷開機(jī)組UPS交流輸入電源QF1開關(guān)、直流電源輸入QF2開關(guān)），UPS電源旁路靜態(tài)切換開關(guān)IPB自動(dòng)切換至交流旁路輸入電源供電（QF3為旁路電源輸入開關(guān)），切換時(shí)間小于4 ms;模擬電源故障恢復(fù)后，UPS電源自動(dòng)切換至逆變器IPM輸出供電，切換時(shí)間小于4 ms。

2.5 改造后機(jī)組UPS優(yōu)點(diǎn)

（1）改造后的UPS應(yīng)采用多模塊帶旁路設(shè)計(jì)，構(gòu)成冗余供電系統(tǒng)。

（2）改造后的UPS設(shè)置了手動(dòng)維修旁路QF6開關(guān)，在機(jī)組UPS停電檢修時(shí)（斷開QF1、QF2、QF3、QF5開關(guān)），合上手動(dòng)維修旁路QF6開關(guān)后，機(jī)組UPS所帶負(fù)荷不會(huì)因檢修而失電，負(fù)荷供電可靠性得到了很大的提高。

（3）改造后的UPS的交流電源輸入和旁路電源輸入采用兩路電源經(jīng)自動(dòng)切換裝置切換的供電方式，兩路交流輸入電源分別取自機(jī)組自用電a、b段交流母線，即使一路交流電源失電后，另外一路交流電源也能正常供電運(yùn)行。

（4）改造后的UPS電源在機(jī)組直流系統(tǒng)取了一路直流電源，即使兩路交流電源同時(shí)消失的情況下，也能通過直流電源逆變后輸出交流電源，正常為機(jī)組UPS所帶負(fù)荷供電。

（5）改造后的UPS不需要配置蓄電池組，直流輸入電源取自機(jī)組直流系統(tǒng)，從相對來說更為經(jīng)濟(jì)。同時(shí)因?yàn)闆]安裝蓄電池，因此不用再開展機(jī)組UPS蓄電池充放電試驗(yàn)、檢修、維護(hù)工作，解放了人力資源，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、省心、省時(shí)、省力的效果。

（6）改造后的UPS配置了智能型監(jiān)控器，能夠?qū)δ孀兤鲗?shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測和控制。監(jiān)控器還能與電站監(jiān)控后臺進(jìn)行通信，及時(shí)將機(jī)組UPS報(bào)警信息上送監(jiān)控后臺，有利于運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行問題并安排人員處理。

（7）改造后的UPS配置液晶顯示屏，人機(jī)界面好，可以觸屏操作，可通過LCD實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、查詢當(dāng)前及歷史告警信息，模塊提供干接點(diǎn)、RS232、RS485、以太網(wǎng)口等通訊方式。

（8）逆變器IPM采用模塊式設(shè)計(jì)，支持自主均流、支持模塊并聯(lián)運(yùn)行及同步運(yùn)行控制要求，滿足并實(shí)現(xiàn)6模塊并聯(lián)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)方案，支持帶電熱插拔，當(dāng)單個(gè)模塊故障時(shí)，可以直接取下故障模塊進(jìn)行故障處理，其余模塊正常運(yùn)行，對負(fù)荷供電不會(huì)造成影響。

（9）當(dāng)交流輸入電源故障時(shí)，UPS由交流輸入電源供電切換至由蓄電池組經(jīng)逆變器供電，切換時(shí)間為0 ms;當(dāng)交流輸入電源恢復(fù)正常后，UPS自動(dòng)由蓄電池組供電切換至由交流輸入電源供電，切換時(shí)間應(yīng)0 ms，由此說明新安裝的機(jī)組UPS系統(tǒng)有很好的供電連續(xù)性，切換過程中不會(huì)出現(xiàn)電源中斷的現(xiàn)象，切實(shí)保障了機(jī)組UPS所帶重要設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

本次功果橋電站機(jī)組UPS優(yōu)化改造后，解決了原UPS主機(jī)故障導(dǎo)致交流輸出中斷、無蓄電池單體電壓檢測系統(tǒng)、原UPS無冗余配置等問題。并且新改造的機(jī)組UPS不需要加裝蓄電池，直流輸入電源取自機(jī)組直流系統(tǒng)，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、省心、省時(shí)、省力的效果。經(jīng)過2年的運(yùn)行檢驗(yàn)，新安裝的機(jī)組UPS運(yùn)行可靠。

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