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大機組UPS 電源系統(tǒng)若干問題探討
時間：2008-08-07 15:36:16

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????? 大機組UPS 電源系統(tǒng)若干問題探討

????? 摘要：根據(jù)黃埔發(fā)電廠300 MW機組UPS 電源系統(tǒng)投運多年發(fā)現(xiàn)的一些問題，
展開了探討。特別就UPS 電源規(guī)劃配置、系統(tǒng)容量估算及專用電池個數(shù)選擇方面
提出了較為詳細(xì)的分析意見和驗算方法。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220
V 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(fù)載嚴(yán)格的需求，消除了電網(wǎng)電壓瞬變波動對重要負(fù)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300 MW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(jìn)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300
MW機組UPS 系統(tǒng)如圖1.

????? 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 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(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(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，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。

????? 1991年，黃埔發(fā)電廠6 號機組于UPS 安裝后期進(jìn)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(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(fù)荷才需要接入UPS 母線，而最重要的負(fù)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(jìn)行詳細(xì)的負(fù)荷統(tǒng)計，并搜集同型運行機組的實際資料。

????? 負(fù)荷統(tǒng)計，需要搜集負(fù)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(fù)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(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(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，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(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(fù)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(rèn)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(rèn)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(jìn)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(rèn)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(jìn)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.

????? 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(dá)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?；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(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(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(fù)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(fù)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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