浅析UPS交流不间断电源系统在西花水电站110kV升压站中的应用

郭　琳

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

浅析UPS交流不间断电源系统在西花水电站110kV升压站中的应用

郭琳

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

本文对组成和交流不间断电源系统的基本原理（以下简称U PS电源系统）进行了分析，并结合西花水电站工程实际情况，分析了该水电站110kV升压站，U PS电源系统的选择和主要性能指标参数，以期为类似案例提供借鉴。

U PS电源；在线式U PS；带旁路；模块化

1　项目概况

西花水电站位于陕西省佛坪县栗子坝乡花园坝村下游约250m处，距佛坪县城约45km。本电站是金水河流域梯级电站开发的第一级电站，该水电站坐落于佛坪县境内的金水河流域，本工程确定的引水水源为岳坝引水和西花水库两个水源地。

西花水电站为径流式引水电站，工程的主要任务是发电，无综合利用要求。本项目安装三台立式水轮发电机组，单机容量均为9.0MW和额定功率因数0.8，总装机容量为2.7MW，发电机额定电压为10.5kV，发电机与变压器组合方式为单母线接线，升高电压侧为110kV及35kV二级电压，110kV侧采用一回110kV线路接入佛坪110kV变电站，其接线方式为变压器线路组；35kV侧本期采用一回35kV线路接入沙梁水电站，远期为二回出线，其接线方式：本期为变压器线路组，远期为单母线接线。该工程多年平均发电量6439万kWh，年利用小时数2683h，担负向系统送电和枢纽供电的任务。

2　UPS电源的组成及基本原理

随着水电站自动化监控水平的不断提高，日前大多数水电站升压站系统都已经实现了无人值班少人值守的安全运行模式，要使整个水电站的计算机监控系统、远动控制设备、继电保护装置、厂用计量装置、火灾报警系统、站内外通信系统等设备能够安全能够可靠地运行，首先就需要有可靠牢固的电源保证，UPS电源系统作为电站自动化系统的重要电源设备，是整个电站及升压站安全稳定运行的基础。

UPS电源系统［1］是一种包含储能装置（蓄电池）、整流电路、保护电路、充电电路以及逆变电路。逆变器作为主体，作为一种具有恒定电压和频率的整个系统的电源供应器。UPS电源的基本组成结构如下图1.1所示：

图1.1　UPS基本组成原理图

在交流输入电压正常供电的情况下，整流器一方面可以为逆变器提供直流输入电压，另外一方面为蓄电池组充电，使蓄电池组储存能量；当交流输入电压断电或整流器故障时，蓄电池组提供直流电压，通过逆变为负载提供不间断供电。但当逆变器发生故障时，图1.1的UPS就不能为负载提供不间断供电。通过逆变器的常用备用单元和冷备静态旁路辅助电源，解决了因为逆变器故障无法提供不间断供电的问题。系统整体设计原理如下图1.2所示：

图1.2　带旁路辅助电源的UPS基本接线原理图

3　不间断电源（UPS）供电形式选择

UPS电源系统按照常用的工作方式分为：后备式不间断电源、在线式不间断电源、在线互动式不间断电源三种。还有一种非静态即动态式UPS，在于城市市电不稳定有波动的情况下，当发生波动时，惯性飞轮在短时间内对输出电压的突然变化没有直接的响应，并且输出电压的稳定性可以通过这种方式保证；当城市市电停电后，依靠飞轮的惯性使其在额定电压的供电情况下，整个供电时间延长5s，以此来保证计算机保存数据信息时间节点。再后来发展到了内燃机式不间断电源系统，但是这类非静态即动态式UPS的体积大，噪音大，效率低，目前使用很少［3］。

其中后备式UPS一般应用在一些对供电质量要求不高的场合。本次工程中，经过原理比较，以及可参考工程现状分析，西花水电站110kV升压站采用在线式UPS电源系统。下面就几种工作原理作比较分析：

（1）后备式不间断电源（UPS）［2］工作原理：当城市市电电网正常时，后备式不间断电源开关的转换开关将负载转换成城市电网，此时逆变器不工作，而同时城市电网通过充电器充电到蓄电池组。当城市市电突然中断或电网欠压畸变失常状态（欠压值约为170V）时，本系统通过切换开关将负载连接逆变器系统。同时，逆变器将原蓄电池中的能量经过逆变处理后，转换成需求的电源级别向负载供电。缺点，蓄电池需求量大，结构复杂，控制复杂，而且经济型不高，故不选用。

图2.1　后备式UPS原理图

（2）在线式不间断电源（UPS）［2］工作原理：当城市市电电网正常时，在线式不间断电源（UPS）将城市市电变化为直流后，经过逆变器转化为交流供负载使用。当市电出现异常时，转为蓄电池供电，有蓄电池逆变成交流向负载供电，当逆变器故障时，市电由旁路直接向负载供电。最大优点交直流切换方式简单、控制性强、模块简单岔换方便，经济性高，故选用此接线方式。

图2.2　在线式UPS原理图

（3）在线互动式不间断电源（UPS）［2］工作原理：当城市市电正常时，城市市电通过稳压器调节稳压电路向负载供电，同时在线互动式不间断电源将输入的城市电交流电源转化为直流电流后，向直流充电系统蓄电池充电；而当城市市电异常时，在线互动式不间断电源开始向直流蓄电池供电，通过交直流双向逆变器转化后，将其为交流电源后，向所带负载供电。缺点：在线式电能消耗大、监控系统复杂、稳压装置要求高，造价高经济型低一下，故不选用。

图2.3　在线互动式不间断电源（UPS）原理图

4　西花水电站110kV升压站UPS电源的选择

4.1升压站UPS电源容量的计算与选择［4］

UPS的容量的大小由各类负载的大小决定，按单台容量不小于1.2倍全部负载额定功率总和计算，功率因数一般取0.8［4］。西花水电站110kV升压站UPS实际负荷如下：

监控主机2台共计600W；电能远方终端1台共计30W；数据通信网管4台共计800W；综合应用服务器1台共计300W；纵向加密认证2台共计120W；防火墙2台共计300W；隔离装置共计100W；辅助控制系统（火灾报警等）共计1300W。

上述负荷合计:∑P=600W+30W+800W +300W+120W+300W+100W+1300W=3550 W，SC=KrelP∑/cosΦ=5.325kVA，（取cosΦ= 0.8，Krel=1.2）。经计算，UPS实际负荷所需容量为6kVA。

根据工程经验，110kV变电站配置的单台UPS电源容量一般为3 kVA～7.5kVA，220kV变电站单台UPS电源容量一般为5kVA～10kVA，500（330）kV变电站单台UPS电源容量一般为6kVA～15kVA。

4.2升压站UPS电源系统接线形式的选择

当交流输入正常供电时，交流输入电压由整流器把交流电整流为直流电，再由逆变器把直流电逆变为交流电输出给负载，当交流输入电源发生故障时，不间断电源由交流输入电源供应，在转换为升压站直流系统的直流输入电源由逆变器供电，切换时间为0s；当交流输入电源恢复正常供电，不间断电源提供的直流输入电源通过逆变器电源交流输入供电，切换时间应该是0s。当不间断电源逆变输出端发生故障时，通过不间断电源旁路静态转换为开关自动切换成交流旁路输入提供供电，切换时间应小于0.005s；当逆变输出恢复正常后，不间断电源自动转换成逆变输出供电，切换时间应小于0.005s。

整个设计紧紧围绕这三个要点进行的：

（1）蓄电池（包括充电器）是供电系统发生故障时为负载供电的能量来源；

（2）逆变器是不间断电源（UPS）输出电压调节稳压及稳频的交流电流的核心组成，也是整个不间断电源（UPS）的关键核心部件，使用冗余备用单元也是为了保证负载供电的不间断输出供应；

（3）旁路电源一个辅助电源接线形式，是为维修、检修UPS方便；同时，它也用于在逆变器的情况下，实现不间断电源的辅助电源。

根据以上所述，提出如下设计原理框图（图3.1）：

图3.1　升压站系统整体设计原理框图

各个组成部分的作用：站内供电系统为负载提供电能，整流电路将交流电转变成直流电；逆变电路是将直流电转换为交流电；静态开关决定了整个系统的断电连接能力，即切换速度；蓄电池组是作为当供电系统不正常或发生故障时的工作电源。

4.3升压站UPS电源系统的主要性能指标

（1）输入交流电压幅值［5］。其目的是为了保证升压站UPS不接入电池逆电源电压范围，输入电压范围更广，UPS所选蓄电池上电的可能性概率越小，与此同时蓄电池的寿命就会相对延长，一般范围为：220V±10%。

（2）输入频率范围［5］是指不间断电源UPS能自动跟踪市电、保持同步的频率范围，一般范围为：50Hz±5%。

（3）输入直流电压。直流输入（110V直流系统）：110V±15%。

直流输入（220V直流系统）：220V±15%。

（4）输出电压调节范围，一般范围为：220V±3%。

（5）切换时间。静态旁路开关切换时间：≤0.004s；备用电源切换时间：≤0.004s。

（6）过载能力［6］。125%额定值可以保持在10min，150%等级可以保持在1min，200%等级可以保持在20s。

5　结语

西花水电站工程目前正在建设期，不间断电源设备配置足够满足要求。随着变电站自动化水平的提高，对升压站内UPS电源系统的性能参数、可靠性要求、节能环保等要求越来越高，本文通过分析UPS电源系统的原理、组成，结合西花水电站实际应用，提出了110kV升压站UPS电源系统容量的选择以及主要性能参数，为选用水电站升压站UPS设备提供参考。陕西水利

［1］任红.UPS的选择及应用［J］.建筑电气，oop in unity power factor ac to converter［R］IEEE PESC Records1989:95 2002.3:37-50

［2］WilliamsJ.B.Design of feedback l9-966

［3］张乃国.UPS供电系统应用手册.

［4］110KV变电站UPS不间断电源通用技术规范.2009.

［5］国家电网公司《110kV变电站UPS不间断电源通用技术规范》.

（责任编辑：畅妮）

TV734

B