中大型UPS在電廠的應(yīng)用案例
2016-02-29
l.電源配置分析
交流電源的選取是UPS系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。優(yōu)化*佳方案，應(yīng)從UPS工作原理上進(jìn)一步分析。UPS蓄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。充電器給蓄電池浮充電，且與蓄電池并列作為整流器的后備。旁路電源則是逆變器的后備，檢修旁路作為UPS的后備。據(jù)此，可以得出UPS系統(tǒng)電源配置的一般原則:
(1)整流器與充電器的電源應(yīng)分別接至不同交流母線。
(2)旁路與整流器電源分開接不同交流母線。
(3)檢修旁路與UPS旁路電源也應(yīng)錯(cuò)開接不同交流母線。
當(dāng)UPS裝置故障、逆變器檢修或市電系統(tǒng)發(fā)生事故，UPS裝置靜態(tài)開關(guān)應(yīng)切換至旁路運(yùn)行。
某發(fā)電廠用電3臺變壓器分別接于廠用電6kVA段、6kVB段母線，l#廠用變接于6kVA段、保安A段供電，2#、3#廠用變接于廠用電6kVB段、保安B段供電，3#廠用變還可以自投為l#變壓器所接的工作A段、保安A段供電，380V工作A段及保安A段優(yōu)于工作B段及保安B段。
鑒于此，充電器接至工作B段;整流器接至保安A段。檢修旁路和UPS旁路接至220V保安B段，如圖1所示。將UPS和檢修旁路的多路電源不重復(fù)的更合理的接至本機(jī)組不同的變壓器和不同的低壓母線上，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)開關(guān)因不同步不能切換，或UPS與檢修旁路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)或其他機(jī)組系統(tǒng)。
圖1某發(fā)電廠300MW機(jī)組UPS系統(tǒng)
2.UPS輸出與旁路電源的相位
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哪一相，逆變器都可以調(diào)整輸出電壓，與旁路電壓同頻同相。
發(fā)電機(jī)組的自動控制系統(tǒng)的通道柜(DPU)及發(fā)電機(jī)組的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等電子設(shè)備由雙電源供電，如圖2所示。這是晶閘管反向并聯(lián)而成的二進(jìn)一出的三端網(wǎng)絡(luò)，UPS優(yōu)先供電。UPS母線失電壓或欠電壓至一定值時(shí)，控制回路觸發(fā)旁路側(cè)的雙向晶閘管，便其交替導(dǎo)通，并關(guān)斷UPS側(cè)的晶閘管，由旁路繼續(xù)供電。這時(shí)的切換是先并后切，UPS電壓正常后的自動回切也是先并后切。顯然，在電壓的相位和頻率上，若UPS輸出側(cè)與旁路側(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)供電中斷及元件損壞。
圖2雙電源供電
3.檢修旁路的兩路電源
檢修旁路的兩路電源來自不同的變壓器，作為檢修旁路的備用電源可采用交流接觸器聯(lián)鎖自投方式，即可保證供電系統(tǒng)的可靠性，還可以降低DPU和計(jì)算機(jī)站失電的概率。
4.UPS裝置的冗余配置
使用UPS的目的主要是為了不中斷系統(tǒng)供電和隔離來自電網(wǎng)的各種干擾，UPS裝置本身已有蓄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。若計(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)該簡化。
逆變器是UPS系統(tǒng)的"瓶頸"，逆變器的控制部分故障率相對較高。可以考慮一套UPS裝置配兩套獨(dú)立的逆變器。雙逆變配置比旁路穩(wěn)壓器或兩套UPS裝置的方案更合理、實(shí)用、簡單。
電廠的熱控重要負(fù)荷需要接入U(xiǎn)PS母線，而*重要的負(fù)荷(DPU和計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng))則由UPS和旁路雙側(cè)電源自動切換供電。
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(hù)和管理上下工夫。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。
(1)整流器(充電器)輸出容量。UPS容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提是詳細(xì)的負(fù)荷計(jì)算。負(fù)荷計(jì)算時(shí)需要搜集負(fù)荷的同時(shí)率、功率因數(shù)、經(jīng)常性電流和*大可能的沖擊電流等資料。UPS設(shè)備的功率關(guān)系如圖3所示。
圖3UPS設(shè)備的功率關(guān)系
UPS的逆變器設(shè)有過載保護(hù)，輸出電流超過(1.2~1.25)In時(shí)，將自動切換至旁路供電。為了避免多臺負(fù)載同時(shí)啟動疊加沖擊電流，頻頻出現(xiàn)切換及回切，而使主回路元件不至于過熱而降低可靠性，UPS容量應(yīng)留有足夠的余地是必要的，但容量富裕應(yīng)適度。逆變器UPS輸入功率為
P2=UDC×IDC
式中P2——逆變器輸入功率，VA;
UDC——逆變器輸入的電壓，V;
IDC——逆變器輸入電流，A。
整流器輸入視在功率為
由于各環(huán)節(jié)存在損耗，整套UPS的效率是比較低的。如果UPS的容量選擇過大，實(shí)際負(fù)荷偏低，利用率低，效率則更低。
在充電器己選定輸出功率65kW情況下，參照上述公式，計(jì)算得整流變輸入容量為87.3kVA。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，作為容量選擇應(yīng)采用工程計(jì)算法。
(2)UPS蓄電池的選擇。以日本湯淺公司生產(chǎn)的QFD-250型，250Ah，堿性蓄電池為例，180節(jié)蓄電池的浮充電壓為1.35V×l80二243V，均充電壓為1·47VXI80=264.6V。對于一般直流系統(tǒng)其直流電壓偏高，會縮短繼電器、信號燈等元件壽命，應(yīng)減少蓄電池。
在蓄電池放電試驗(yàn)中，電荷量Q=250Ah蓄電池，以2h率電流放電(Q/2h=12**)，有時(shí)放電不到0.5h電壓*跌至210V，主要原因是蓄電池個(gè)數(shù)偏少。逆變器輸入210V跳閘時(shí)，單個(gè)蓄電池電壓為210V/171=1.23V。蓄電池以0.5Q/h電流放電，允許終止電壓為l.05V，l.23V以下的有效容量未充分利用。查QFD蓄電池放電系數(shù)k=0.5h-1的放電電壓曲線，當(dāng)蓄電池降至1.23V的時(shí)間約2Omin，與前述試驗(yàn)結(jié)果相符。為此蓄電池加裝至186個(gè)。驗(yàn)算其放電至210V時(shí)，單個(gè)蓄電池仍有210V/186=1.13V，查k=0.5h-1放電電壓曲線，放電可持續(xù)約1.5h。
設(shè)計(jì)計(jì)算逆變器輸入電流，即蓄電池放電電流計(jì)算值應(yīng)為24**，考慮UPS蓄電時(shí)間0.5h，此時(shí)的電壓1.17V不是蓄電池的終止放電電壓。蓄電池放電系數(shù)為
k=IDC/Q=245/250=0.98h-1
查0.98h-1≈h-1放電電壓曲線，得終止放電電壓為1.03V。防止個(gè)別落后蓄電損壞，留有余地，終止放電電壓取Upn=1.03V×l.04=1.07V。蓄電池個(gè)數(shù)n*低輸入電壓UDCmin與蓄電池終止放電電壓Upn之比，即
n=210/1.07=196
驗(yàn)算應(yīng)滿足條件:
1)放電0.5h后的單個(gè)蓄電池電壓應(yīng)不小于蓄電池的終止放電電壓。
2)放電0.5h后的整組蓄電池電壓應(yīng)不小于逆變器*低輸入電壓。
3)放電至逆變器*低輸人電壓時(shí)單個(gè)蓄電池電壓應(yīng)不小于蓄電池的終止放電電壓。
4)放電時(shí)間不小于3Omin。
經(jīng)驗(yàn)算，n=196滿足上述條件。
由于UPS的逆變器設(shè)置了低電壓保護(hù)，為了充分發(fā)揮蓄電池容量，希望UPS蓄電池的個(gè)數(shù)多一點(diǎn)，放電至逆變器低電壓跳閘時(shí)的單個(gè)蓄電池電壓低一點(diǎn)，以延長放電時(shí)間;而為了保護(hù)蓄電池，蓄電池個(gè)數(shù)應(yīng)少一點(diǎn)，放電后期單個(gè)蓄電池的電壓才不至于過低，以防止過放電。設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)?shù)靥幚磉@一矛盾。
蓄電池放電時(shí)間與蓄電池個(gè)數(shù)密切相關(guān)。在輸出電流24**，選定25OAh蓄電池條件下，若選196只，可以放電46min，單個(gè)蓄電池電壓至1.07V時(shí)放出76%容量(190Ah);若選186只，至210V/186=1.13V時(shí)，放出49%容量(122.**h)，可以放電30min;若選180只，單個(gè)蓄電池電壓至1.17V時(shí)只能放出28%容量(70Ah)，持續(xù)時(shí)間僅有17.Zmin，達(dá)不到期望值30min。由此可見，充分的容量還要搭配足夠的個(gè)數(shù)，才能發(fā)揮蓄電池應(yīng)有的效能。
(3)逆變器輸入電壓的選擇。逆變器輸入電壓的范圍與蓄電池、充電器的選型有關(guān)。逆變器輸入端與蓄電池及充電器的輸出端連接，中間一般設(shè)隔離二*管。逆變器正常輸入電壓應(yīng)高于蓄電池正常浮充和均衡充電時(shí)的整組電壓，蓄電池才不會輕易放電。
為了防止蓄電池過放電，逆變器必須有低電壓保護(hù)。這一保護(hù)定值*是逆變器輸入電壓的下限，它直接決定著蓄電池個(gè)數(shù)及直流系統(tǒng)電壓，也影響著蓄電池容量。
逆變器輸入電壓的上限制約著蓄電池的初充電和均衡充電。如選QFD型蓄電池196只，長期浮充電壓為1.35V×l96=264.4V，超過了220V×(1+10%)的范圍，元件壽命大降;均充電壓為1.47V×196=288V，初充電壓為1.63V×196=319V，已高于逆變器輸入電壓的上限280V，初充和均充時(shí)必須退出蓄電池，而且也超出了GZKC2型充電器輸出電壓的上限310V。此外，整流器輸出電壓實(shí)際值只有278V，有時(shí)還出現(xiàn)波動?；谏鲜隹紤]，蓄電池僅加裝至186只是比較合適的。