浅谈UPS电源系统在热电厂的应用

2021-09-29合肥热电集团有限公司安能分公司杨光涛

电子世界 2021年14期

合肥热电集团有限公司安能分公司杨光涛

UPS电源系统是一种不间断供电的电源设备，具有对各类供电的零时间切换，自身供电时间的长短可选，并具有稳压、稳频、净化的特点。当UPS电源系统本身出现故障时有自动旁路功能，当需要检修时可采用手动旁路，使检修、供电互不影响。结合它在安能热电厂的应用，本文阐述UPS不间断电源的设备组成及工作原理，探讨提高热电厂中控制电源的可靠性。

在热电厂中，UPS不间断电源的持续供电功能被普遍应用于许多重要设施，如DCS、汽轮发电机组TSI、ETS、高压变频器等重要设施，同时提高电源品质，解决电源干扰、浪涌、波动、突波、交换瞬变等造成的危害。

1 UPS分类

目前，市场上UPS品牌和种类繁多，但可从电路主结构、后备时间、输入/输出方式、输出波形和输出容量等五个方面对其进行分类，其中按电路主结构进行分类是目前最常用的分类方法。

1.1 按电路主结构分类

（1）后备式UPS

早期的后备式UPS，在市电供电正常时，市电直接通过交流旁路和转换开关向负载供电，交流旁路相当于一条供电回路，逆变器不工作，此时供电效率高但质量差。近年出台的后备式UPS，往往在交流旁路上配置了交流稳压电路和滤波电路加以改善。当市电异常(市电电压、频率超出后备式UPS允许的输入范围或市电中断)时，后备式UPS通过转换开关切换到由蓄电池提供电能的状态，逆变器进入工作状态，此时输出波形为交流正弦波或方波。后备式 UPS存在切换时间，一般为4～10ms，但对一般的计算机设备的工作不会造成影响。

（2）在线式UPS

在线式UPS一般采用双变换模式。当市电正常时，在线式UPS输入交流电，通过充电电路对蓄电池进行充电；同时，AC/DC电路将交流电转换为直流电，然后通过脉冲宽度调制技术，由逆变器再将直流电逆变成正弦波交流电供给负载，起到无级稳压的作用。而当市电中断时，后备蓄电池开始工作，此时蓄电池储存的电能通过逆变器变换成交流正弦波或方波并供给负载，因此，无论是在市电供电正常时还是在市电中断由蓄电池逆变供电期间，逆变器始终处于工作状态，这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响，真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频以及零转换时间。

（3）串并联调式UPS

串并联调整式UPS多采用双逆变电补偿技术中称为Deta技术，它成功地将交流稳压技术中的电压补偿原理运用到UPS的主电路中。当市电正常时，两组逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿，逆变器承担的最大功率仅为输出功率的20%，所以功率强度很小、功率余量大，这就增强了UPS的输出能力和过载能力，不再对负载电流波峰系数予以限制，可从容地对付冲击性负载，也不再对负载功能因数进行限制，输出有功功率可以等于标定的KVA值。

（4）在线互动式UPS

在线互动式UPS是介于后备式UPS和在线式UPS工作方式之间的UPS设备,它集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点。在线互动式UPS的逆变器一直处于工作状态，具有双向功能：在市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作状态，给蓄电池组充电，起充电器的作用；在市电异常时，逆变器立刻转入逆变工作状态，将蓄电池组的直流电转换为交流正弦波输出。在线互动式UPS也有转换时间，但比后备式UPS短，保护功能较强。另外，它还采用了铁磁谐波变压器，抽头调压在市电供电时具有较好的稳压功能。

1.2 按后备时间分类

（1）标准机

配备有内置蓄电池组的UPS称为标准机。一般配置蓄电池容量较小，用于短时间供电(如5-15min)，使用户及时保存数据和系统正常关机。由于受体积和重量的限制，标准机仅局限于中、小功率的UPS。

（2）长效机

需外接蓄电池组的UPS称为长效机，长效机的容量从几百伏安到几十千伏安可供选择。在实际应用中,长效机有着很大的机动性，用户可以根据自己所需后备时间的长短来确定采用何种容量的蓄电池。

1.3 按输入/输出方式分类

根据输入/输出方式，可分为单相输入/单相输出UPS、三相输入/单相输出UPS和三相输入/三相输出UPS。

小功率UPS都采用单相输入/单相输出方式，而中、大功率UPS多采用三相输入/单相输出和三相输入/三相输出方式。对于用户来说，采用三相供电时市电配电和负载配电比较容易，每一相都承载一部分负载电流。

1.4 输出形分类

按输出波形，可分为输出波形为正弦波的UPS和输出波形为方波的UPS。输出波形为方波的UPS不适合带感性负载，因为感性负载会使方波产生瞬态尖波，从而给UPS和负载设备造成破坏。大多数后备式UPS的输出波形为方波。

1.5 按输出容量分类

按输出容量，可分为微型UPS（输出功率小于或等于1kVA）、小型UPS（输出功率大于1kVA而小于5kVA）、中型UPS（输出功率大于5kVA而小于或等于30kVA）以及大型UPS（输出功密大于30kVA而小于或等于100kVA）。

2 UPS设备组成

UPS电源系统组成：输入隔离变压器；整流器、逆变器、静态开关；储能电池、电池开关；旁路隔离变压器、调压器、旁路开关；维修开关；输出隔离变压器、输出开关及相应的交流配电柜组成。

2.1 输入隔离变压器

输入隔离变压器的输出端跟输入端是完全“断路”隔离，能起到保护、防雷、滤波作用，有效的对变压器的输入端（电网供给的电源电压）起到了一个良好过滤的作用，从而给用电设备提供了稳定的电源电压。

2.2 整流器

采用可控硅整流器，输出幅度基本不变的整流电压。

2.3 逆变器

逆变器就是把直流电变换成交流电。通常逆变器应与主线同步操作，但是如果主线不可靠或主线频率与额定值偏离太大，输出频率应由内部振荡器自动产生。在主线电压供给恢复时，它的频率返回到预定的限度内后，逆变器再与主线同步。

2.4 静态开关

如果整流器、逆变器故障或如果电压/电流值（动态条件）超出数据表中指定的限度（例如：一个负载的短路），输出将由静态开关自动转换到旁路供电，以降低电压供给负载的缺乏。

2.5 旁路

旁路在主路电源及电池故障、主机故障情况下，保障电源供应。旁路应包含隔离变压器及调压器，在隔离变压器旁增设一个旁路开关。

2.6 储能电池

储能电池除可存储直流电能的功能外，当供电电源欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。一般采用阀控密封铅酸蓄电池。

3 UPS不间断电源的原理

UPS不间断电源其基本原理是将交流电变为直流电，然后再把直流电转变为交流电，供给负载。

3.1 AC-DC变换

将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。

3.2 DC-AC逆变电路

采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。

3.3 控制驱动

控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成SPWM正弦脉宽调制的控制。

3.4 运行模式

（1）正常工作模式。UPS一方面通过整流器将交流电源转换为直流电源输出至逆变器，再由逆变器转换成交流电源输出，供负载使用。在将交流电源转换为直流电源时，UPS输入隔离变压器、整流滤波装置及各种保护装置将消除市电中异常突波、杂讯干扰和由于频率不稳或电压波动等各种因素造成的影响，从而确保逆变器能够提供稳定且纯净电源输出给负载。另一方面，通过整流器将交流电源转换为直流电源为蓄电池组充电，将能量储存在蓄电池中。

（2）直流供电模式。由于UPS设备直接和直流电源相连接，当交流电源异常或整流器发生故障停止运行时，将转由直流电源输出至逆变器以替代中断的整流器输出电源。交流电源恢复后系统恢复到正常工作模式。在转换的过程中，输出无任何中断。

（3）旁路供电模式。当逆变器处于不正常状况，诸如逆变器未开启、过温、短路、输出电压异常或者负载超出逆变器承受范围等，逆变器将自动停止运行以防损坏，此时静态开关由交流电源经旁路输出给负载使用。

（4）维修旁路模式。在UPS设备需进行维护、维修时，可将UPS切换至“维修旁路模式”下运行，即可保证UPS设备在维护、维修时仍然对负载的持续、稳定供电。

4 UPS电源在热电厂DCS系统等重要设备的配置

为了方便供电线路检修，热电厂DCS系统等主要设备控制电源采用双电源输入。采用一路厂用电、一路UPS的冗余方式。供给DCS的路UPS电源接至DCS的电源分配柜，由电源分配柜将电源分配给各机柜和设备。电源分配柜还配有快速电源切换装置，将输入电源切换为一路后，供给操作员站和工程师站等设备使用，保证DCS系统内的任何设备在一路失电的情况下仍能正常工作。其他设备电源由热工电源分配，配有快速电源切换装置，采用一路厂用电、一路UPS的冗余方式。通常负载功率应小于UPS电源70%的额定功率；热电厂中UPS电源系统的容量为电源失电，工作4h；储能电池满容量时为4h。

三相输入/三相输出在线UPS电源，容量为40kvA，如图1所示。

图1 三相输入/三相输出在线UPS电源

5 UPS不间断电源维护

5.1 环境要求

UPS电源主机对环境温度要求不高，+5℃～+40℃都能正常工作；但要求室内清洁、少尘，否则灰尘加上潮湿会引起主机工作紊乱。储能蓄电池则对温度要求较高，标准使用温度为25℃，平时不能超过+15℃～+30℃。温度太低，会使储电池容量下降，温度每下降1℃，其容量下降1%。其放电容量会随温度升高而增加，但寿命降低。如果在高温下长期使用，温度每高10℃，电池寿命约降低一半。