检定控制系统UPS电源优化改造

2019-05-08曹然伟

通信电源技术 2019年4期

曹然伟

（中国石化天然气分公司计量研究中心，湖北武汉 430073）

0 引言

为了提高流量计检定的快速性和数据的准确性，保证操作人员时刻了解场站运行情况，国家石油天然气大流量计量站武汉分站（以下简称武汉分站）建立了一套数字化、信息化，同时可以降低人工成本、节约劳动力和降低安全风险的自动检定控制系统。UPS不间断电源是武汉分站的关键电源设备，可为检定控制系统提供稳定、不间断和高质量的电源，确保武汉分站检定控制系统安全平稳运行[1-3]。

1 改造前UPS电源概况

UPS电源优化改造前曾发生UPS供电闪断，导致ESD系统误触发事件。经查明情况，原因主要有两方面：（1）农网供电条件恶劣，随着安山经济的发展，大功率设备增加，供电电压波动较大，原设计UPS电源高频主机不能满足电压变化的需求；（2）原UPS电源功能设计缺陷。GB7260-2008《不间断电源设备》规定，UPS电源要求输入电压在220 V（380 V）±20%。原UPS电源高频主机抗电压波动能力较差，当外电供电电压瞬间过低时，UPS电源主机停机保护，导致供电闪断，误触发ESD系统，造成了安全隐患。

2 改造方案的确定

调研相关输气站场UPS电源配置情况发现，均采用工业级双机冗余UPS电源方案，且组织了设计单位、控制系统开发商召开论证会，认为原高频单机UPS电源方案已不能满足安全生产的需求，建议更换为工频双机冗余UPS电源方案。该方案抗干扰能力强，可靠性高，按其配置的UPS电源使用中从未发生闪断停机情况[4-6]。

改造后的UPS电源系统由2台主机（1#主机柜、2#主机柜）、2个电池柜（1#电池柜、2#电池柜）和1个旁路柜组成。冗余式UPS不间断电源2×20kVA 380 V/380 V单机后备时间为3 h，整机6 h。此系统供电有三路，分别为1#UPS输入、2#UPS输入和旁路输入，三路电均为380 V供电，如表1所示。

表1 改造后UPS电源配置

2.1 改造后UPS电源工作原理

UPS电源主要由输入开关、整流器、逆变器、输出隔离变压器、静态开关和输出开关等多个主要部件组成[7-8]。三路输入电进到旁路柜且旁路输入到旁路柜后，分为两路进入1#主机柜、2#主机柜中UPS的旁路输入；1#UPS输入、2#UPS输入分别进入1#主机柜、2#主机柜中UPS主输入，经过UPS主机后，到达两台主机的输出，结合后为负载供电，如图1所示。

图1 改造后UPS电气系统

由图1可知，蓄电池通常处于充电状态，当外电输入突然断掉时，逆变器紧急切换到工作状态，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出。

2.2 改造后UPS电源性能特点

2.2.1 整流器

改造后的UPS电源整流器由新一代数字IGBT器件组成，基于PFC功率因数较正技术，显著提高了输入电压与频率的范围。IGBT具有可靠的高速开关能力，在PWM驱动的作用下，输入电压被设定在±20%（满载）-40～+20%（60%负载），输入频率为±10%，减少了直流端的纹波，发挥保护电池的作用。IP+输入功率因数大于0.99，最大限度减少无功电流，直接降低了传统UPS因输入功率因数低下而造成的输入电缆发热的故障隐患。

2.2.2 逆变器

改造后的UPS电源采用全数字IGBT逆变器，动态响应好，恢复时间快。对负载来说，UPS是一个稳定的电压源，需要始终为负载提供标准的正弦波电压。UPS的输出电压波形完美，对于线性负载，畸变率小于1%；对于非线性负载，畸变率小于3%，始终能为负载最优质的电源。

与此同时，三十四团还大力发展沙产业。完成了梭梭、肉苁蓉种植实验基地建设。2014年，该团引进外资，在九连沙漠地带，利用地下丰富的水资源，建造梭梭人工林1000亩，在五连荒漠地带建造梭梭人工林1250亩，截至目前，三十四团在风沙前沿荒漠地区已种植黑枸杞8900亩，梭梭林2250亩。

针对UPS运行过程中出现的意外过载和短路事件，改造后的UPS进一步优化设计了检测电路、各级保护电路，逆变器具有1.5倍额定电流的过载能力，3.5倍额定容量的故障清除电流。为了严格避免短路误判所引起的负载断电，在强大的DSP处理器的支持下，诊断分析系统程序会根据输出电流、电压和输出能量的变化，准确区分过载和短路，并在极短的时间内采取相应保护措施，最大限度保护负载运行。

2.2.3 静态旁路和手动维护旁路

UPS内部，与逆变器并联安装了一个静态旁路，也称为自动旁路。它的功能是在逆变器过载达到一定时间、逆变器故障或无输入和温度过高等情况下，不间断切换到静态旁路，保证UPS系统供电的连续性。与逆变器相比，旁路可以提供更高的过载能力和短路故障清除能力。当出现过载或者大电流短路时，为了保护逆变器，需切换到旁路，由旁路处理大短路电流；当过载或者短路消失后，可以自动或者人工切换回逆变器工作。

手动维护旁路与静态旁路并联，UPS主机需要维护检修时可切换到手动维护旁路。当切换到手动维修旁路时，负载直接由市电供电，UPS的整流器、逆变器和静态旁路都可以脱离。切换到手动旁路和静态旁路都没有电源中断风险，可保证负载正常供电。

2.2.4 输出隔离变压器

UPS输出端有一个内置输出隔离变压器，可以达到输入输出全隔离的目的，完全避免其相互影响。与传统UPS不同，此UPS在旁路外端，即使旁路工作时，也可以实现输入输出电气隔离，电网中的浪涌、电压畸变都不会直接影响到负载。由于隔离变压器具有衰减高频谐波的作用，提高UPS的抗谐波能力，降低了UPS的输出谐波电压，因此抗干扰能力强。

2.2.5 远程通信

改造后的UPS可提供多种通信接口，能远程监控和检测UPS状态。此外，当设备发生UPS外部失电、整流器故障、逆变器故障、旁路故障、蓄电池故障、电池检测故障、通信报警和负载过载短路时，能保护UPS并发出报警。

2.3 改造后UPS电源运行模式

2.3.1 正常运行

正常运行时，每台UPS主机分别承担50%负载，输出同频、同相、同幅的电压、电流，如图2所示。

2.3.2 故障状态

假设1#UPS电源主机输入消失或者整流器出现故障，则1#UPS主机自动转入蓄电池供电，仍然与2#UPS主机分别承担50%负载，如图3（a）所示。假设1#UPS电源主机输入消失，后备蓄电池电量放尽，或者1#UPS电源主机逆变器出现故障，则1#UPS电源主机自动退出并联冗余系统，由2#UPS电源主机承担100%负载，如图（b）所示。