| 摘要：現(xiàn)代大型發(fā)電機組采用了復(fù)雜的計算機監(jiān)控和安全保護系統(tǒng)，其交流220V電源要求穩(wěn)定可靠，分秒不停。應(yīng)運而生的不間斷電源(簡稱UPS)，滿足了這種“苛刻”負載嚴(yán)格的需求，消除了電網(wǎng)電壓瞬變波動對重要負載的影響。 關(guān)鍵詞：UPS電源 現(xiàn)代大型發(fā)電機組采用了復(fù)雜的計算機監(jiān)控和安全保護系統(tǒng)，其交流220V電源要求穩(wěn)定可靠，分秒不停。應(yīng)運而生的不間斷電源(簡稱UPS)，滿足了這種“苛刻”負載嚴(yán)格的需求，消除了電網(wǎng)電壓瞬變波動對重要負載的影響。 UPS電源對機組的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，UPS停電意味著停機停爐。如何提高UPS的可靠性，是現(xiàn)場技術(shù)人員經(jīng)常思考的一個問題。 本文僅就黃埔發(fā)電廠5號、6號300MW機組UPS系統(tǒng)外圍相關(guān)設(shè)備的規(guī)劃、配置、選型及安裝、調(diào)試、運行、維護方面多年來遇到的一些問題，進行分析研究，與同行交流切磋。 1 系統(tǒng)簡況 UPS系統(tǒng)是一個多路電源輸入的低壓多端網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備逆變器和靜態(tài)開關(guān)等，是一套電子元件自動控制的電力裝置。黃埔發(fā)電廠300MW機組UPS系統(tǒng)如圖1。
圖1 黃埔發(fā)電廠300 MW機組UPS系統(tǒng) 原設(shè)計主要設(shè)備技術(shù)規(guī)范為： a)整流器 輸入?yún)?shù)——AC 380V，三相，50Hz，126A； 輸出參數(shù)——DC 280V。 b)逆變器 輸入?yún)?shù)——DC 210～280V，245A； 輸出參數(shù)——AC 220V，50Hz，227A，50kVA； c)充電器 輸入?yún)?shù)——AC 380V，三相，50 Hz； 輸出參數(shù)——DC 160～310 V，250 A，65 kW。 2 系統(tǒng)電源的規(guī)劃配置 2.1 電源配置分析 交流電源的取向，是UPS系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中的重要一環(huán)。 探索最佳方案，不妨從原理上進一步考究。電池的充電器與逆變前的整流器，同是三相半控橋，其功能是相似的。整流器承擔(dān)著UPS的經(jīng)常性負荷。充電器給電池浮充電，且與電池并列作為整流器的后備。旁路電源則是逆變器的后備。APS接帶了部分熱控次要負荷，并作為UPS的后備。據(jù)此，可以得出UPS系統(tǒng)電源配置的一般原則： a)整流器與充電器的電源應(yīng)分別接至不同母線； b)旁路與整流器電源分開接不同母線； c)APS與旁路電源也應(yīng)錯開接不同母線。圖1中的5路交流電源僅取自3段母線，其中的3路電源均來自保安b段。當(dāng)UPS裝置故障、逆變器檢修或廠用電系統(tǒng)發(fā)生事故，在UPS裝置靜態(tài)開關(guān)已切換至旁路運行情況下，一旦保安b段失壓，UPS母線和APS2母線均失電，WDPF和BMS控制系統(tǒng)就癱瘓了。 分析黃埔發(fā)電廠300 MW機組廠用電接線，2號及0號低壓廠用變壓器同接6 kV B段，6 kV A段失壓時，0號變壓器還可以自投為1號變壓器所接的工作a段、保安a段供電，380 V工作a段及保安a段優(yōu)勝于工作b段及保安b段。 鑒此，在減少改動的前提下，圖1的電源配置還可以進一步調(diào)整： a)充電器改接至工作b段； b)APS2改接至保安a段。 電廠機組設(shè)有工作、備用高壓廠用變壓器及多臺低壓廠用變壓器，還有柴油機或保安備用變壓器，將UPS和APS的多路電源不重復(fù)地更合理地接至本機組不同的變壓器和不同的低壓母線，是可以辦到的。機組事故解列后可能出現(xiàn)不同電源系統(tǒng)的頻率不等，為了防止靜態(tài)開關(guān)因不同步不能切換，或UPS與APS的切換因不同步而失敗，這些電源應(yīng)接入本機組同網(wǎng)絡(luò)低壓系統(tǒng)，而不宜接入公用系統(tǒng)或其它機組系統(tǒng)。 2.2 旁路及APS電源的相位 逆變器輸出的單相交流電壓與旁路電源的單相交流電壓應(yīng)該同步，才能并列轉(zhuǎn)換。不論旁路取自交流的那一相，逆變器都可以調(diào)整輸出電壓，與旁路電壓同頻同相。 機組WDPF控制系統(tǒng)的DPU柜及計算、存儲、記錄站等電子設(shè)備由雙電源供電，如圖2所示。這是可控硅反向并聯(lián)而成的二進一出的三端網(wǎng)絡(luò)，UPS優(yōu)先供電。UPS母線失壓或欠壓至一定值時，控制回路觸發(fā)APS側(cè)的雙向可控硅，使其交替導(dǎo)通，并關(guān)斷UPS側(cè)的可控硅，由APS繼續(xù)供電。這時的切換是先并后切，UPS電壓正常后的自動回切也是先并后切。顯然，在電壓的相位和頻率上，若UPS旁路側(cè)與APS側(cè)不一致，轉(zhuǎn)換瞬間將短路或因差壓大而產(chǎn)生很大的沖擊電流，導(dǎo)致站內(nèi)掉電及元件損壞。
圖2 雙電源供電 1991年，黃埔發(fā)電廠6號機組于UPS安裝后期進行切換試驗時，跳了許多開關(guān)，才第一次發(fā)現(xiàn)了相位不符、切換短路問題。其他電廠也有類似接錯相位的情況。 必須指出，安裝時接錯了相位，不遇到UPS電壓異常情況下的切換或回切，是不會覺察的。甚至許多開關(guān)跳閘了，若恢復(fù)時從UPS側(cè)先送電(一般均如此)，APS側(cè)后送電，此時不會短路，仍掩蓋了這個極大的隱患。 我們希望設(shè)計和施工部門，注意這一問題，圖紙上標(biāo)明相位，正確接線，防止類似現(xiàn)象重演。 2.3 APS的兩路電源 APS1，APS2電源來自不同的變壓器，不允許長期并列。如圖1，一般應(yīng)合上Q1，Q2，斷開Q3。如果將Q1，Q2由手動操作改換為電動操作，或者加串交流接觸器，聯(lián)鎖自投，還可以降低DPU和計算機站失電的概率。 2.4 UPS裝置的冗余配置 有的電廠工程，制造廠商在旁路電源上加配了一套交流穩(wěn)壓器。有的技改工程，在APS側(cè)另加1套UPS，1臺機組用2套UPS裝置。 看來UPS電源的配置方案，值得商榷。筆者認為： a)使用UPS的目的，并非發(fā)電廠的電壓質(zhì)量不能滿足計算機系統(tǒng)的要求，而主要是為了不停電。1套UPS裝置，本身已有電池和充電器冗余備用，旁路電源只是在逆變器輸出故障情況下暫時起作用。計算機系統(tǒng)有時發(fā)生“掉站”和芯片元件損壞事件，非旁路電壓波動所致。計算機系統(tǒng)各站主機硬件，帶有自保護功能。旁路電源系統(tǒng)應(yīng)該簡化，而且可以簡化。 b)逆變器是UPS系統(tǒng)的“瓶頸”。從多年的運行經(jīng)驗看，逆變器的控制部分故障率相對較高。有條件的工程，可以考慮1套UPS裝置配2套獨立的逆變器。雙逆變配置，比旁路穩(wěn)壓器或2套UPS裝置的方案，更合理、實用、簡單。 c)熱控重要負荷才需要接入UPS母線，而最重要的負荷(DPU和計算機站)則由UPS和APS雙側(cè)電源自動切換供電。APS側(cè)再加1套UPS裝置的方案是不可取的。如果硬要雙UPS，其輸出均應(yīng)接UPS母線。 d)UPS裝置的配置，力求科學(xué)合理。提高UPS的可靠性，不能過多依賴增加備用設(shè)備，而要從維護和管理上下功夫。冗余太多令裝置復(fù)雜化，投資增加，利用效率卻很低，故障率也可能更高了。 3 系統(tǒng)容量估算選配 3.1 UPS的輸出容量 欲使UPS的容量確定得比較恰當(dāng)，須進行詳細的負荷統(tǒng)計，并搜集同型運行機組的實際資料。 負荷統(tǒng)計，需要搜集負荷的同時率、功率因數(shù)、經(jīng)常性電流和最大可能的沖擊電流等資料。 UPS的逆變器設(shè)有過載保護，輸出電流超過(1.2～1.25)In時，將自動切換至旁路供電。為了避免多臺負載同時啟動迭加沖擊電流，頻頻出現(xiàn)切換及回切，而且主回路元件不至于過熱，UPS容量留有足夠的余地是必要的，但容量富裕應(yīng)有度。 黃埔發(fā)電廠300 MW機組UPS的輸出容量，初擬30 kVA,136 A。與美國西屋公司洽談后改為50 kVA,227 A。投產(chǎn)后的實際負荷，交流側(cè)一般為90～100 A(直流側(cè)約125 A)，偶而達110～120 A。如選30 kVA,136 A，負荷率為110 A／136 A=0.73，容量有點偏小。如選40 kVA,182 A，負荷率為100 A／182 A=0.55，低于規(guī)程推薦值0.6，裕度系數(shù)為182 A／100 A=1.82，高于推薦值1.6，才是比較恰當(dāng)?shù)摹?/FONT> 3.2 整流器(充電器)輸出容量 UPS設(shè)備的功率關(guān)系見圖3。
黃埔發(fā)電廠300 MW機組逆變器輸入功率為 P2=UDC×IDC=280 V×245 A=68.6 kW. 以SCI公司推薦的公式計算整流器輸入視在功率， S1=Uex×Iex×Ce／(kPF×η1). 式中 S1——整流器輸入視在功率，VA； Uex——整流器輸出電壓，V； Iex——整流器輸出電流，A； Ce——整流器過負荷因數(shù)(1.2～1.5)； kPF——波峰因數(shù)(一般為0.8)； η1——整流器效率(0.92～0.94)。 可得： S1=210 V×245 A×1.2×／（0.8×0.93)=82.9 kVA. 整流器輸入功率因數(shù) λ1=P2／(S1×η1)=68.6／(82.9×0.93)=0.889， UPS效率 η=S3／S1=50／82.9=0.603. 假定UPS負荷的功率因數(shù)λ=0.7，則逆變器輸出有功功率 P3=S3×λ=50 kVA×0.7=35 kW， 逆變器效率 η2=P3／P2=35／68.6=0.51. 可見，整套UPS的效率是比較低的，這是由于各環(huán)節(jié)存在損耗。如果UPS的容量選擇過大，實際負荷偏低，利用率低，效率則更低。 在充電器已選定輸出功率65 kW情況下，參照上述公式，計算得整流變輸入容量為87.3 kVA。國產(chǎn)充電器的整流變原設(shè)計選配輸入容量140 kVA，偏大了。 鑒于整流、逆變各環(huán)節(jié)交直流側(cè)P，U，I等參數(shù)換算與整流、逆變的方式、線路及負荷等有關(guān)，準(zhǔn)確計算比較復(fù)雜，我們期待設(shè)計規(guī)程提供一套UPS系統(tǒng)適用的基本公式，作為容量選擇估算的依據(jù)。 4 UPS專用電池個數(shù)的選擇 4.1 認識上的反思 1988年，黃埔發(fā)電廠300 MW機組開始安裝，筆者是甲方代表，初接觸靜態(tài)逆變的UPS，對其原理和特點還了解甚少，在UPS電池個數(shù)選擇上走了一段彎路。原設(shè)計電池為日本湯淺公司生產(chǎn)的QFD-250型，250 Ah，堿性，180個，浮充電壓1.35 V×180=243 V，均充電壓1.47 V×180=264.6 V。拿一般直流系統(tǒng)去套，認為直流電壓偏高，會縮短繼電器、信號燈等元件壽命，遂提出建議減少電池。經(jīng)設(shè)計代表、乙方代表同意，變更為171個，浮充電壓231 V，均充電壓251 V。 1991年9月26日，5號機組投產(chǎn)2 a后，進行UPS試驗。斷開整流器、充電器后不到10 min，電池從231 V急劇跌降至210 V，逆變器輸入側(cè)開關(guān)Q4跳閘，切至旁路。均衡充電10 h后，重新試驗，放電約20 min，Q4跳閘。 電荷量Q=250 Ah電池，以2 h率電流放電(Q／2 h=125 A)，為何不到0.5 h電壓就跌至210 V呢?筆者認為主要是電池個數(shù)偏少。逆變器輸入210 V跳閘時，單個電池電壓為210 V／171=1.23 V。電池以0.5Q／h電流放電，允許終止電壓為1.05 V，1.23 V以下的有效容量未充分利用。查QFD電池放電系數(shù)k=0.5 h-1的放電電壓曲線，當(dāng)電池降至1.23 V的時間約20 min，與前述試驗結(jié)果相符。為此，1992年2月筆者草擬了UPS電池改進的意見，電池加裝至186個。驗算其放電至210 V時，單個電池仍有210 V／186=1.13 V，查k=0.5 h-1放電電壓曲線，放電可持續(xù)約1.5 h。 QFD電池放電電壓曲線見圖4。  圖4 不同放電系數(shù)的放電電壓曲線 4.2 對原設(shè)計的分析及修正 原設(shè)計計算書，以電池電電流227 A，0.5 h，放出電荷量113.5 Ah，45.4%容量，查0.908 h-1放電電壓曲線，放電0.5 h單個電池電壓1.17 V，電池個數(shù)n=210／1.17=180。 這里糾正兩點： a)逆變器輸入電流，即電池放電電流計算值應(yīng)為245 A，而非227 A； b)考慮UPS電池的放電時間0.5 h，此時的電壓1.17 V不是電池的終止放電電壓。 修正計算如下： 按電池放電系數(shù) k=IDC／Q=245 A／250 Ah=0.98 h-1， 查0.98 h-1≈h-1放電電壓曲線，得終止放電電壓為1.03 V。防止個別落后電池過放電損壞，留有余地，終止放電電壓取Upn=1.03 V×1.04=1.07 V。電池個數(shù)n為逆變器最低輸入電壓UDC，min與電池終止放電電壓Upn之比，即 n=210／1.07=196. 驗算應(yīng)滿足條件： a)放電0.5 h后的單個電池電壓應(yīng)不小于電池的終止放電電壓； b)放電0.5 h后的整組電池電壓應(yīng)不小于逆變器最低輸入電壓； c)放電至逆變器最低輸入電壓時單個電池電壓應(yīng)不小于電池的終止放電電壓； d)放電時間不小于30 min。 經(jīng)驗算，n=196滿足上述條件。 4.3 討論 由于UPS的逆變器設(shè)置了低電壓保護，為了充分發(fā)揮電池容量，希望UPS專用電池的個數(shù)多一點，放電至逆變器低電壓跳閘時的單個電池電壓低一點，以延長放電時間；而為了保護電池，電池個數(shù)應(yīng)少一點，放電后期單個電池的電壓才不致于過低，以防止過放電。設(shè)計人員應(yīng)適當(dāng)?shù)靥幚磉@一矛盾。 電池放電時間與電池個數(shù)密切相關(guān)。在輸出電流245 A，選定250 Ah電池條件下，若選196只，可以放電46 min，單個電池電壓至1.07 V時放出76%容量(190 Ah)；若選186只，至210 V／186=1.13 V時，放出49%容量(122.5 Ah)，可以放電30 min；若選180只，至1.17 V時只能放出28%容量(70 Ah)，持續(xù)時間僅有17.2 min，達不到期望值30 min。由此可見，充分的容量還要搭配足夠的個數(shù)，才能發(fā)揮電池應(yīng)有的效能。 5 逆變器輸入電壓的選擇 逆變器輸入電壓的范圍，與電池、充電器的選型有關(guān)。逆變器輸入端與電池及充電器的輸出端連接，中間一般設(shè)隔離二極管。逆變器正常輸入電壓，應(yīng)高于電池正常浮充和均衡充電時的整組電壓，電池才不會輕易放電。 為了防止電池過放電而垮掉，逆變器必須有低電壓保護。這一保護定值，就是逆變器輸入電壓的下限，它直接決定著電池個數(shù)及直流系統(tǒng)電壓，也影響著電池容量。 逆變器輸入電壓的上限，制約著電池的初充電和均衡充電。如選QFD型電池196只，長期浮充電壓為1.35 V×196=264.4 V，超過了220 V×(1+10%)的范圍，元件壽命大降；均充電壓為1.47 V×196=288 V，初充電壓為1.63 V×196=319 V，已高于逆變器輸入電壓的上限280 V，初充和均充時必須退出電池，而且也超出了GZKC2型充電器輸出電壓的上限310 V。此外，整流器輸出電壓實際值只有278 V，有時還出現(xiàn)波動。基于上述考慮，UPS改進后電池僅加裝至186只是比較合適的。 6 結(jié)束語 a)從優(yōu)化電源布局和操作需要出發(fā)，由設(shè)計部門繪制一張包含電源及負荷的UPS系統(tǒng)總圖是很必要的。不少工程，恰恰欠缺了這張圖。制造廠家系數(shù)列產(chǎn)品通用圖或一般原理方框圖，不能代替實際系統(tǒng)圖施工圖。運行部門總是希望設(shè)計部門消化廠家資料后，另出一份確認的圖紙。電廠正常生產(chǎn)后，也應(yīng)復(fù)制一套符合現(xiàn)場實際的竣工圖。 b)UPS外圍設(shè)備與廠用電和直流系統(tǒng)密切相關(guān)。電氣人員比較熟悉電源，而熱控人員則比較熟悉負荷分配和UPS裝置。UPS裝置的選型訂貨，又常與機爐控制系統(tǒng)一起考慮。因而，專業(yè)之間協(xié)調(diào)，才能規(guī)劃設(shè)計出好的方案，避免接口上出現(xiàn)疏漏。UPS裝置的監(jiān)視、停送電和倒換操作，一般由熟悉電氣系統(tǒng)的運行人員執(zhí)行；但負荷端的UPS、DPU、APS柜內(nèi)的開關(guān)，宜由熱控人員操作。生產(chǎn)單位只有加強管理，明確職責(zé)，分工分界，才能管好UPS。 |
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