浅谈余热电站UPS系统的配置
2015-09-02阎素玲
阎素玲
浅谈余热电站UPS系统的配置
阎素玲
随着余热电站自动化水平的不断提高，电站DCS系统及其他安全控制装置对工作电源的不间断性、稳定性及电能质量要求越来越高，为满足以上要求，工程设计配置了在线式交流不间断电源装置（UPS）。本文对UPS电源的工作原理进行了阐述，并且列举出目前在余热发电项目设计中普遍采用的几种UPS电源配置方案，对各种方案的可靠性及技术特点进行了分析比较。
常规UPS；电力专用UPS；串联冗余；并联冗余
1 前言
余热电站系统的操作和监控均采用DCS系统，因此如何向DCS系统提供高质量、安全可靠的电源显得非常重要。余热电站采用不间断UPS电源向DCS系统供电，保证余热电站系统安全、稳定、可靠地运行。
UPS电源的主要功能：
（1）实现电网与用电设备之间的隔离
（2）实现两路电源的不间断切换
（3）提供高质量电源
（4）电压变换和频率变换功能
（5）停电后提供后备时间
2 UPS电源系统的配置方案
UPS电源系统的运行方式主要有单机运行、双机串联运行、双机并联运行等。
2.1单机运行系统配置方案
2.1.1常规UPS单机系统方案
如图1所示的常规UPS单机系统是目前我公司余热发电项目普遍采用的设计方案。
当厂用电正常时，单相220V（或三相380V）经过整流滤波后通过逆变器给负载供电；若厂用交流电源故障断电时，则由蓄电池经逆变器逆变供电；当逆变器过载或故障时，静态开关切换到旁路供电；在厂用电恢复正常后，自动切换到厂用电逆变供电。
2.1.2电力专用UPS单机系统方案
余热电站已为发电机组配备了直流屏和蓄电池组。直流屏的直流小母线电压为DC220V或DC110V两种，主要为合闸装置、继电保护、事故照明及直流事故油泵提供电源。电力专用UPS就是利用原有直流屏内的蓄电池作为逆变器在市电断电后的直流电源，再经过逆变后提供AC220V不间断电源。
如图2所示，当厂用电正常时，单相220V（或三相380V）经过隔离、整流滤波后通过逆变器和静态开关向负载供电；若厂用交流电源故障断电或UPS整流器故障时，则由余热电站的直流屏蓄电池组经逆止二极管自逆变器和静态开关向负荷供电。在直流屏欠压或断电，同时逆变器过载或故障的情况下，由静态开关切换到旁路供电。当逆变器或静态开关退出运行时，由手动开关切换至旁路不间断地向负荷供电。
图1 常规UPS单机系统框图
2.1.3电力专用UPS和常规UPS的比较
电力专用UPS和常规UPS的区别：
（1）电力专用UPS输入、输出、旁路均需要完全隔离，而常规UPS只有输出隔离；
（2）电力专用UPS需要旁路稳压电源，常规UPS不需要旁路稳压电源；
（3）电力专用UPS没有充电模块，常规UPS带有充电部分；
（4）电力专用UPS不需要单独配电池，由直流屏直流输入，常规UPS需要单独配电池。
与常规UPS相比［1］，采用电力专用UPS优化了系统配置，避免了蓄电池的重复投资，减少了系统维护，降低了系统运行成本；直流屏电池的浮充寿命比较长，因此采用直流动力加逆变电源，其供电可靠性和寿命大大提高；由于余热电站的直流电池屏容量较大，因此采用逆变电源供电时，在厂用电断电后可提供较长的交流供电时间。
图2 电力专用UPS单机系统框图
图3 串联冗余系统框图
2.2并机运行系统配置方案
为了增加整个UPS电源系统的可靠性，可以将其组成冗余系统，下面将对目前普遍采用的UPS冗余连接方式进行说明，对并联冗余和串联冗余的可靠性和技术特点进行分析与比较。
2.2.1串联冗余方案
如图3所示，串联冗余是将一台UPS的输出接到另外一台UPS的旁路输入，作为主UPS的备份机使用，在主UPS发生故障时自动转到这台UPS供电，但要求主UPS的旁路输入可以与主交流电压输入分离，这样可以提供系统的可靠性。
串联冗余的优点：
（1）无机型和容量上的特殊要求，不同功率、不同型号的UPS可组成串联系统；
（2）不存在要求两台UPS均分负载的问题，因而对UPS单机的频率同步跟踪特性要求也就不高；
（3）具备UPS容错功能；
（4）不需要额外控制/通信部件，成本相对较低。
串联冗余的缺点：
（1）主机静态开关发生故障时，将中断整个系统供电，出现瓶颈故障；
（2）辅助UPS长期工作在0%负载的条件下，因此要求所选用的UPS单机必须具有优良的带阶跃性负载的能力；
（3）备机长期处于备用状态，电池也处于长期浮充状态，影响电池寿命；
（4）主机、从机老化不一致；
（5）维修困难，当主机发生故障切换到备机供电时，用户负载不能停机，无法关闭UPS进行维修；
（6）可扩展能力差。
图4 并联冗余系统框图
2.2.2并联冗余方案
并联冗余技术是专门为了提高UPS的可靠性和热维修而采用的一种新技术。
如图4所示，在并联冗余系统正常运行时UPS由两个逆变模块并联向负载供电，每个逆变模块平均负担50%的负载电流，当其中某一个逆变模块出现故障时，就自动从负荷母线上脱开退出供电，而由剩下的1个逆变模块继续向负载提供100%的电流，从而保证了UPS系统的不间断供电。
并联冗余的优点［2］：
（1）各UPS作用和功能相同，无主次之分，共同承担负载；
（2）并联冗余解决了串联冗余主备机UPS电源老化不一致的问题；
（3）能实现增容、扩展功能。
并联冗余的缺点：
（1）UPS电源并机冗余系统结构比较复杂；
（2）需要额外的并机控制器，完成两台UPS之间的均流、同步和管理，造成系统成本增加；
（3）对UPS型号和功率有特殊要求。
要实现并联冗余必须解决如下技术问题［3］：
（1）各个UPS的逆变模块的频率、相位、相序、电压幅值和波形必须相同；
（2）各个UPS的逆变模块在输入电压和负载的变化范围内，必须能够实现对负载有功和无功电流的均匀分配，为此要求均流电路的动态响应特性要好，稳定度要高；
（3）当均流或同步出现异常情况或UPS的逆变模块出现故障时，应能自动检测出故障模块，并将其迅速切除而又不影响其他逆变模块的正常运行。
2.2.3串联冗余和并联冗余的比较（表1）
目前我公司余热发电项目在选择UPS并机运行方案时，均采用并联冗余。这主要是因为并联冗余UPS系统具有投资省、电池主动维护方便、便于增容、过载能力强、设备利用率高等优点。
3 结论
综上所述，对于单机运行的UPS系统，电力专用UPS与常规UPS相比，具有投资省、维护及运行成本低、可靠性高、供电时间和寿命长等优点。
对于并机运行的UPS系统，并联冗余UPS与串联冗余UPS相比，除了可靠性稍差一点外，具有投资省、电池主动维护方便、便于增容、过载能力强、设备利用率高等优点。
［1］牛日刚，张晓飞.金山热电厂UPS供电可靠性的分析［J］.内蒙古石油化工，2012（22）：71-72.
［2］刘军.UPS冗余方式的选择［J］.电气开关，2006（6）：55-57.
［3］段书成.UPS并联冗余技术的分析与应用［J］.电气应用，2011（23）：73-77.■
Introduction on the Configuration of UPS System of Waste Heat Power Station
表1 串联冗余和并联冗余的比较
TQ172.622.22
A
1001-6171（2015）04-0053-04
通讯地址：中材节能股份有限公司，天津300400；
2014-10-28；编辑：吕光
