某船集控室UPS设计缺陷优化方案

2022-05-05沈小波孟海辉

船舶标准化工程师 2022年2期

王永，沈小波，孟海辉

（中国卫星海上测控部，江苏无锡 214431）

0 引言

随着船舶自动化程度的不断提高，计算机及信息处理技术在各类船舶上应用广泛，这对电网供电质量提出了更高的要求：1）要解决船舶电力网突然发生故障造成电力短缺的问题；2）要保证输出优质的正弦波电源；3）要保证船舶临时应急电源具备在紧急逃生情况下对船舶应急照明和应急设备进行供电的能力。在此情况下，不间断电源（Uninterrupted Power Supply，UPS）应运而生。UPS是一种含有储能装置的不间断电源，主要用于给部分对电源稳定性要求较高的设备提供不间断的电源。当船电输入正常时，UPS将船电稳压后供应给负载使用，此时的UPS可视为交流式电稳压器，同时其还向机内电池充电；当船电中断（事故停电）时，UPS立即将电池的直流电能通过逆变器切换转换的方法向负载继续供应220 V交流电，使负载维持正常工作并保护负载的软件和硬件不受损坏。

1 某船集控室UPS问题描述

某船的集控室电源系统组成部分包括正常电源（主电源）、应急电源和8台独立的UPS。正常情况下，UPS始终处于浮充状态。该船经历了几次突然断电的情况，检查发现集控室的2个重要负载处于失控和黑屏状态，这表明UPS没有发挥不间断供电的作用。检查集控室的UPS，发现集控室2台独立式UPS电源放电时间均较短，其电池容量处于实质性失效状态。在查阅集控室电器设备图纸的基础上，推断出集控室UPS的工作电路存在重大设计缺陷。

2 机理分析

2.1 集控室UPS电源的重要性

该船UPS使用量相对较高，集控室UPS是集控室电源系统最后一道屏障，主要为集控室功率管理系统、监测报警系统、机舱监控系统、辅助决策系统和船舶配载系统供电。在失电情况下，保证集控室还能在短时间内启停发电机。

图1所示为集控室供电情况，集控室的设备和系统由正常电源、应急电源和UPS 3种电源保障供电。一般情况下，集控室电源系统主要由正常电源供电，应急电源和UPS均作为备用切换供电。

图1 集控室供电情况

2.2 UPS的组成结构

UPS主要由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成，其最主要的部分是蓄电池。

2.3 UPS的工作原理及分类

UPS的工作原理图见图2。

图2 风力发电驱动船舶的结构示意图

正常情况下，船舶用电经整流器变为直流电，对蓄电池进行浮充。与此同时，通过逆变器向重要负载输出高质量的交流电。在因故停电时，集控室电源系统自动切换到UPS对重要负载供电。当船电输入正常时，UPS可将船电稳压后提供给负载使用，此时UPS可视为交流电稳压器；当船电中断时，UPS立即将机内电池的电能向负载供电，使负载保持正常工作状态，并保护负载、软件和硬件不被损坏。

UPS通常可分为后备式、在线式和在线互动式3种类型。

1）后备式UPS

后备式UPS具备自动稳压和断电保护等功能，转换时间仅需10 ms左右，逆变输出交流方波，由于后备式UPS输出的交流电为方波，所以只能供电给电脑和监视器等电容型负载。

2）在线式UPS

在线式UPS结构较为复杂，其性能完善，能够持续零中断地输出纯净的正弦波交流电，能够解决尖峰、浪涌和频率漂移等电源问题。由于在线式UPS输出的交流电为正弦波，故可供电给任何使用船电的设备，包括电脑和监视器等电容性负载以及打印机和复印机等电感性负载。

3）在线互动式UPS

在线互动式UPS是一种智能化UPS，可自动侦测外部输入电压是否处于正常工作范围之内，如有偏差可由稳压电路升压或降压，提供比较稳定的正弦波输出电压，可供给一些精密设备。

2.4 故障分析

该船经历了几次突然断电的情况，检查发现集控室的2个重要负载处于失控和黑屏状态，这表明UPS没有发挥不间断供电的作用，本小节对此故障进行排查和分析。首先考虑是否为蓄电池选型出现错误，蓄电池容量过小，不足以带动用电设备。在选择蓄电池容量时，需要先计算出放电的电流大小，然后根据放电特性曲线和用户要求的备用时间进行选择，蓄电池最大放电电流的计算公式为

式中：为蓄电池最大放电电流；为UPS的额定输出功率；cos为UPS负载功率因数；为UPS逆变器的效率；为蓄电池组中单体蓄电池的个数；为单体蓄电池的临界放电电压。

经计算，集控室UPS容量选型足以满足设备的需求。UPS故障的原因为电解质变质，浮充时间过长，导致供电不足。

UPS的蓄电池需要定期进行充放电维护保养，否则会严重影响蓄电池的使用寿命，甚至造成UPS直接损坏不能正常工作。查阅集控室设计图纸资料发现，现有设计电路存在问题，只能对UPS进行在网浮充，无法实现充放电维护保养。经过电路分析和检查，发现集控室UPS没有单独的放电回路，也没有电池容量检测单元和放电时间监测系统，长期处于浮充状态，导致电解液干涸，UPS蓄电池性能变差。在某些紧急情况下，UPS失效，导致设备处于失控状态。

3 解决方案

针对UPS设计电路存在的问题，解决方案如下：

1）恢复8台UPS的性能。拆解UPS，更换其蓄电池部分。此方法技术难度不大，且能够满足装备可靠性的要求，但不能解决实质性问题。

2）在保证正常供电电路不变的情况下，设计加装专门的UPS断电后放电电路，通过2条回路互补来实现可靠供电。此外，加装100 W放电电阻箱，电池容量检测单元和放电时间监测系统，以保护UPS的蓄电池不会因过度放电而损坏。

改装后的UPS工作流程图见图3。一条电源回路供集控室重要设备正常工作使用，另一条电源回路能实现一键式放电。放电开始时，放电时间监测系统开始计时，电池容量检测单元时时检测电池容量。当放电达到相关要求后，自动断开放电电路，放电时间监测系统停止工作，电池容量检测单元记忆此时电池容量，而后联锁开关实现自动联锁，给UPS蓄电池进行浮充，从根本上解决了UPS电路问题。