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大機(jī)組UPS 電源系統(tǒng)若干問(wèn)題探討
時(shí)間：2008-08-14 15:38:01

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????? 大機(jī)組UPS 電源系統(tǒng)若干問(wèn)題探討

????? 摘要：根據(jù)黃埔發(fā)電廠300 MW機(jī)組UPS 電源系統(tǒng)投運(yùn)多年發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，
展開(kāi)了探討。特別就UPS 電源規(guī)劃配置、系統(tǒng)容量估算及專用電池個(gè)數(shù)選擇方面
提出了較為詳細(xì)的分析意見(jiàn)和驗(yàn)算方法。關(guān)鍵詞：不間斷電源；整流器；逆變器
；電池組

????? 現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)組采用了復(fù)雜的計(jì)算機(jī)監(jiān)控和安全保護(hù)系統(tǒng)，其交流220
V 電源要求穩(wěn)定可靠，分秒不停。應(yīng)運(yùn)而生的不間斷電源（簡(jiǎn)稱UPS ），滿足了
這種“苛刻”負(fù)載嚴(yán)格的需求，消除了電網(wǎng)電壓瞬變波動(dòng)對(duì)重要負(fù)載的影響。

????? UPS 電源對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，UPS 停電意味著停機(jī)停爐。如
何提高UPS 的可靠性，是現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員經(jīng)常思考的一個(gè)問(wèn)題。

????? 本文僅就黃埔發(fā)電廠5 號(hào)、6 號(hào)300 MW機(jī)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(yùn)行、維護(hù)方面多年來(lái)遇到的一些問(wèn)題，進(jìn)行分析研
究，與同行交流切磋。

????? 1 　系統(tǒng)簡(jiǎn)況UPS 系統(tǒng)是一個(gè)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(kāi)關(guān)等，是一套電子元件自動(dòng)控制的電力裝置。黃埔發(fā)電廠300
MW機(jī)組UPS 系統(tǒng)如圖1.

????? 原設(shè)計(jì)主要設(shè)備技術(shù)規(guī)范為：a ）整流器輸入?yún)?shù)——AC 380 V，三相，
50Hz，126 A ；輸出參數(shù)——DC 280 V. b ）逆變器輸入?yún)?shù)——DC 210～280
V ，245 A ；輸出參數(shù)——AC 220 V，50 Hz ，227 A ，50 kVA；c ）充電器輸
入?yún)?shù)——AC 380 V，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(jì)中的重要一環(huán)。

????? 探索最佳方案，不妨從原理上進(jìn)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(fù)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(fù)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(kāi)接不同母線；c ）APS 與旁路電源也應(yīng)錯(cuò)開(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)已切換至旁路
運(yùn)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(jī)組廠用電接線，2 號(hào)及0 號(hào)低壓廠用變壓器同接
6 kV B段，6 kV A段失壓時(shí)，0 號(hào)變壓器還可以自投為1 號(hào)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(dòng)的前提下，圖1 的電源配置還可以進(jìn)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(jī)組設(shè)有工作、備用高壓廠用變壓器及多臺(tái)低壓廠用變壓器，還有柴
油機(jī)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(jī)組
不同的變壓器和不同的低壓母線，是可以辦到的。機(jī)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(kāi)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(jī)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(jī)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(jī)組WDPF控制系統(tǒng)的DPU 柜及計(jì)算、存儲(chǔ)、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(jìn)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(shí)，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(shí)的切換是先并后切，
UPS 電壓正常后的自動(dòng)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。

????? 1991年，黃埔發(fā)電廠6 號(hào)機(jī)組于UPS 安裝后期進(jìn)行切換試驗(yàn)時(shí)，跳了許多
開(kāi)關(guān)，才第一次發(fā)現(xiàn)了相位不符、切換短路問(wèn)題。其他電廠也有類似接錯(cuò)相位的
情況。

????? 必須指出，安裝時(shí)接錯(cuò)了相位，不遇到UPS 電壓異常情況下的切換或回切，
是不會(huì)覺(jué)察的。甚至許多開(kāi)關(guān)跳閘了，若恢復(fù)時(shí)從UPS 側(cè)先送電（一般均如此），
APS 側(cè)后送電，此時(shí)不會(huì)短路，仍掩蓋了這個(gè)極大的隱患。

????? 我們希望設(shè)計(jì)和施工部門，注意這一問(wèn)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(lái)自不同的變壓器，不允許長(zhǎng)期并
列。如圖1 ，一般應(yīng)合上Q1，Q2，斷開(kāi)Q3. 如果將Q1，Q2由手動(dòng)操作改換為電動(dòng)
操作，或者加串交流接觸器，聯(lián)鎖自投，還可以降低DPU 和計(jì)算機(jī)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(tái)機(jī)組用2 套UPS
裝置。

????? 看來(lái)UPS 電源的配置方案，值得商榷。筆者認(rèn)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(jì)算機(jī)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(shí)起作用。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有時(shí)發(fā)生“掉站”和芯片元件損壞事件，非旁路電
壓波動(dòng)所致。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各站主機(jī)硬件，帶有自保護(hù)功能。旁路電源系統(tǒng)應(yīng)該簡(jiǎn)
化，而且可以簡(jiǎn)化。

????? b ）逆變器是UPS 系統(tǒng)的“瓶頸”。從多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，逆變器的控制
部分故障率相對(duì)較高。有條件的工程，可以考慮1 套UPS 裝置配2 套獨(dú)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(shí)用、簡(jiǎn)單。

????? c ）熱控重要負(fù)荷才需要接入U(xiǎn)PS 母線，而最重要的負(fù)荷（DPU 和計(jì)算機(jī)
站）則由UPS 和APS 雙側(cè)電源自動(dòng)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(guò)多依賴
增加備用設(shè)備，而要從維護(hù)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(jìn)行詳細(xì)的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，并搜集同型運(yùn)行機(jī)組的實(shí)際資料。

????? 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，需要搜集負(fù)荷的同時(shí)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(guò)載保護(hù)，輸出電流超過(guò)（1.2 ～1.25）In時(shí)，將自動(dòng)
切換至旁路供電。為了避免多臺(tái)負(fù)載同時(shí)啟動(dòng)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(guò)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(jī)組UPS 的輸出容量，初擬30 kVA，136 A.與美國(guó)西屋
公司洽談后改為50 kVA，227 A.投產(chǎn)后的實(shí)際負(fù)荷，交流側(cè)一般為90～100 A
（直流側(cè)約125 A ），偶而達(dá)110 ～120 A.如選30 kVA，136 A ，負(fù)荷率為110
A ／136 A=0.73，容量有點(diǎn)偏小。如選40 kVA，182 A ，負(fù)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(jiàn)圖3.

????? 黃埔發(fā)電廠300 MW機(jī)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(jì)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(guò)負(fù)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(fù)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(jiàn)，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(guò)大，實(shí)際負(fù)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(jì)算得整流變輸
入容量為87.3 kVA. 國(guó)產(chǎn)充電器的整流變?cè)O(shè)計(jì)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(fù)荷等有關(guān)，準(zhǔn)確計(jì)算比較復(fù)雜，我們期待設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)的選擇4.1 　認(rèn)識(shí)上的反思1988年，黃埔發(fā)電廠300
MW機(jī)組開(kāi)始安裝，筆者是甲方代表，初接觸靜態(tài)逆變的UPS ，對(duì)其原理和特點(diǎn)還
了解甚少，在UPS 電池個(gè)數(shù)選擇上走了一段彎路。原設(shè)計(jì)電池為日本湯淺公司生
產(chǎn)的QFD-250 型，250 Ah，堿性，180 個(gè)，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(rèn)為直流電壓偏高，會(huì)縮短繼
電器、信號(hào)燈等元件壽命，遂提出建議減少電池。經(jīng)設(shè)計(jì)代表、乙方代表同意，
變更為171 個(gè)，浮充電壓231 V ，均充電壓251 V. 1991 年9 月26日，5 號(hào)機(jī)組
投產(chǎn)2 a 后，進(jìn)行UPS 試驗(yàn)。斷開(kāi)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(kāi)關(guān)Q4跳閘，切至旁路。均衡充電10 h后，重
新試驗(yàn)，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(rèn)為主要是電池個(gè)數(shù)偏少。逆變器輸入210 V
跳閘時(shí)，單個(gè)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(shí)間約20 min，與前述試驗(yàn)結(jié)果相符。
為此，1992年2 月筆者草擬了UPS 電池改進(jìn)的意見(jiàn)，電池加裝至186 個(gè)。驗(yàn)算其
放電至210 V 時(shí)，單個(gè)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(jiàn)圖4.

????? 4.2 　對(duì)原設(shè)計(jì)的分析及修正原設(shè)計(jì)計(jì)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(gè)電池電壓1.17 V，電池個(gè)數(shù)n=210 ／1.17=180. 這里糾正兩點(diǎn)：a ）逆變
器輸入電流，即電池放電電流計(jì)算值應(yīng)為245 A ，而非227 A ；b ）考慮UPS 電
池的放電時(shí)間0.5 h ，此時(shí)的電壓1.17 V不是電池的終止放電電壓。

????? 修正計(jì)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(gè)別落后電池
過(guò)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(gè)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(yàn)算應(yīng)滿足條件：a ）放電0.5 h 后的單個(gè)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(shí)單個(gè)電池電壓應(yīng)不小于電池的終止放電電壓；d ）
放電時(shí)間不小于30 min. 經(jīng)驗(yàn)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(hù)，為了充分發(fā)揮電池容量，
希望UPS 專用電池的個(gè)數(shù)多一點(diǎn)，放電至逆變器低電壓跳閘時(shí)的單個(gè)電池電壓低
一點(diǎn)，以延長(zhǎng)放電時(shí)間；而為了保護(hù)電池，電池個(gè)數(shù)應(yīng)少一點(diǎn)，放電后期單個(gè)電
池的電壓才不致于過(guò)低，以防止過(guò)放電。設(shè)計(jì)人員應(yīng)適當(dāng)?shù)靥幚磉@一矛盾。

????? 電池放電時(shí)間與電池個(gè)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(gè)電池電壓至1.07 V時(shí)放出76% 容量
（190 Ah）；若選186 只，至210 V ／186=1.13 V時(shí)，放出49% 容量（122.5 Ah），
可以放電30 min；若選180 只，至1.17 V時(shí)只能放出28% 容量（70 Ah ），持續(xù)
時(shí)間僅有17.2 min，達(dá)不到期望值30 min. 由此可見(jiàn)，充分的容量還要搭配足夠
的個(gè)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(shí)的整組電壓，電池才不
會(huì)輕易放電。

????? 為了防止電池過(guò)放電而垮掉，逆變器必須有低電壓保護(hù)。這一保護(hù)定值，
就是逆變器輸入電壓的下限，它直接決定著電池個(gè)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(zhǎng)期浮充電壓為1.35 V×196=264.4 V ，超過(guò)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(shí)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(shí)際
值只有278 V ，有時(shí)還出現(xiàn)波動(dòng)?；谏鲜隹紤]，UPS 改進(jìn)后電池僅加裝至186
只是比較合適的。

????? 6 　結(jié)束語(yǔ)a ）從優(yōu)化電源布局和操作需要出發(fā)，由設(shè)計(jì)部門繪制一張包
含電源及負(fù)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(shí)際系統(tǒng)圖施工圖。運(yùn)行部
門總是希望設(shè)計(jì)部門消化廠家資料后，另出一份確認(rèn)的圖紙。電廠正常生產(chǎn)后，
也應(yīng)復(fù)制一套符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(fù)荷分配和UPS 裝置。UPS 裝置的選型訂貨，又常與機(jī)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(jì)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(yùn)行
人員執(zhí)行；但負(fù)荷端的UPS 、DPU 、APS 柜內(nèi)的開(kāi)關(guān)，宜由熱控人員操作。生產(chǎn)
單位只有加強(qiáng)管理，明確職責(zé)，分工分界，才能管好UPS.

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