摘要：現代大型發電機組采用了復雜的計算機監控和安全保護系統，其交流220V電源要求穩定可靠，分秒不停。應運而生的不間斷電源(簡稱UPS)，滿足了這種“苛刻”負載嚴格的需求，消除了電網電壓瞬變波動對重要負載的影響。 

    現代大型發電機組采用了復雜的計算機監控和安全保護系統，其交流220V電源要求穩定可靠，分秒不停。應運而生的不間斷電源(簡稱UPS)，滿足了這種“苛刻”負載嚴格的需求，消除了電網電壓瞬變波動對重要負載的影響。

    UPS電源對機組的安全穩定運行至關重要，UPS停電意味著停機停爐。如何提高UPS的可靠性，是現場技術人員經常思考的一個問題。

    本文僅就黃埔發電廠5號、6號300MW機組UPS系統外圍相關設備的規劃、配置、選型及安裝、調試、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　系統簡況

    UPS系統是一個多路電源輸入的低壓多端網絡。網絡的核心設備逆變器和靜態開關等，是一套電子元件自動控制的電力裝置。黃埔發電廠300MW機組UPS系統如圖1。

圖1　黃埔發電廠300 MW機組UPS系統

    原設計主要設備技術規范為： 

    a)整流器 

    輸入參數——AC 380V，三相，50Hz，126A； 

    輸出參數——DC 280V。 

    b)逆變器 

    輸入參數——DC 210～280V，245A； 

    輸出參數——AC 220V，50Hz，227A，50kVA； 

    c)充電器 

    輸入參數——AC 380V，三相，50 Hz； 

    輸出參數——DC 160～310 V，250 A，65 kW。 

    2　系統電源的規劃配置 

    2.1　電源配置分析

    交流電源的取向，是UPS系統規劃設計中的重要一環。

    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。整流器承擔著UPS的經常性負荷。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。據此，可以得出UPS系統電源配置的一般原則：

    a)整流器與充電器的電源應分別接至不同母線；

    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UPS裝置故障、逆變器檢修或廠用電系統發生事故，在UPS裝置靜態開關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控制系統就癱瘓了。

    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不同電源系統的頻率不等，為了防止靜態開關因不同步不能切換，或UPS與APS的切換因不同步而失敗，這些電源應接入本機組同網絡低壓系統，而不宜接入公用系統或其它機組系統。

    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該同步，才能并列轉換。不論旁路取自交流的那一相，逆變器都可以調整輸出電壓，與旁路電壓同頻同相。

    機組WDPF控制系統的DPU柜及計算、存儲、記錄站等電子設備由雙電源供電，如圖2所示。這是可控硅反向并聯而成的二進一出的三端網絡，UPS優先供電。UPS母線失壓或欠壓至一定值時，控制回路觸發APS側的雙向可控硅，使其交替導通，并關斷UPS側的可控硅，由APS繼續供電。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旁路側與APS側不一致，轉換瞬間將短路或因差壓大而產生很大的沖擊電流，導致站內掉電及元件損壞。

圖2　雙電源供電

    1991年，黃埔發電廠6號機組于UPS安裝后期進行切換試驗時，跳了許多開關，才第一次發現了相位不符、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。甚至許多開關跳閘了，若恢復時從UPS側先送電(一般均如此)，APS側后送電，此時不會短路，仍掩蓋了這個極大的隱患。

    我們希望設計和施工部門，注意這一問題，圖紙上標明相位，正確接線，防止類似現象重演。

    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壓器。有的技改工程，在APS側另加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，并非發電廠的電壓質量不能滿足計算機系統的要求，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。計算機系統有時發生“掉站”和芯片元件損壞事件，非旁路電壓波動所致。計算機系統各站主機硬件，帶有自保護功能。旁路電源系統應該簡化，而且可以簡化。

    b)逆變器是UPS系統的“瓶頸”。從多年的運行經驗看，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雙側電源自動切換供電。APS側再加1套UPS裝置的方案是不可取的。如果硬要雙UPS，其輸出均應接UPS母線。

    d)UPS裝置的配置，力求科學合理。提高UPS的可靠性，不能過多依賴增加備用設備，而要從維護和管理上下功夫。冗余太多令裝置復雜化，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，須進行詳細的負荷統計，并搜集同型運行機組的實際資料。

    負荷統計，需要搜集負荷的同時率、功率因數、經常性電流和最大可能的沖擊電流等資料。

    UPS的逆變器設有過載保護，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，但容量富裕應有度。

    黃埔發電廠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。投產后的實際負荷，交流側一般為90～100 A(直流側約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，低于規程推薦值0.6，裕度系數為182 A／100 A=1.82，高于推薦值1.6，才是比較恰當的。

    3.2　整流器(充電器)輸出容量

    UPS設備的功率關系見圖3。

圖3　UPS設備的功率關系

    黃埔發電廠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(1.2～1.5)；

    kPF——波峰因數(一般為0.8)；

    η1——整流器效率(0.92～0.94)。

    S1=210 V×245 A×1.2×／（0.8×0.93)=82.9 kVA.

    整流器輸入功率因數

    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，這是由于各環節存在損耗。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。國產充電器的整流變原設計選配輸入容量140 kVA，偏大了。

    鑒于整流、逆變各環節交直流側P，U，I等參數換算與整流、逆變的方式、線路及負荷等有關，準確計算比較復雜，我們期待設計規程提供一套UPS系統適用的基本公式，作為容量選擇估算的依據。

    4　UPS專用電池個數的選擇

    4.1　認識上的反思

    1988年，黃埔發電廠300 MW機組開始安裝，筆者是甲方代表，初接觸靜態逆變的UPS，對其原理和特點還了解甚少，在UPS電池個數選擇上走了一段彎路。原設計電池為日本湯淺公司生產的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。經設計代表、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，逆變器輸入側開關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k=0.5 h-1的放電電壓曲線，當電池降至1.23 V的時間約20 min，與前述試驗結果相符。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，放電可持續約1.5 h。

    QFD電池放電電壓曲線見圖4。

圖4　不同放電系數的放電電壓曲線

    4.2　對原設計的分析及修正

    原設計計算書，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

    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.

    驗算應滿足條件：

    a)放電0.5 h后的單個電池電壓應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不小于電池的終止放電電壓；

    d)放電時間不小于30 min。

    經驗算，n=196滿足上述條件。

    4.3　討論

    由于UPS的逆變器設置了低電壓保護，為了充分發揮電池容量，希望UPS專用電池的個數多一點，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，電池個數應少一點，放電后期單個電池的電壓才不致于過低，以防止過放電。設計人員應適當地處理這一矛盾。

    電池放電時間與電池個數密切相關。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，才能發揮電池應有的效能。

    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。逆變器輸入端與電池及充電器的輸出端連接，中間一般設隔離二極管。逆變器正常輸入電壓，應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及直流系統電壓，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　結束語

    a)從優化電源布局和操作需要出發，由設計部門繪制一張包含電源及負荷的UPS系統總圖是很必要的。不少工程，恰恰欠缺了這張圖。制造廠家系數列產品通用圖或一般原理方框圖，不能代替實際系統圖施工圖。運行部門總是希望設計部門消化廠家資料后，另出一份確認的圖紙。電廠正常生產后，也應復制一套符合現場實際的竣工圖。

    b)UPS外圍設備與廠用電和直流系統密切相關。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一起考慮。因而，專業之間協調，才能規劃設計出好的方案，避免接口上出現疏漏。UPS裝置的監視、停送電和倒換操作，一般由熟悉電氣系統的運行人員執行；但負荷端的UPS、DPU、APS柜內的開關，宜由熱控人員操作。生產單位只有加強管理，明確職責，分工分界，才能管好UPS。■