重要负荷供电中的UPS配置技术

闫承山 邱明泉 张立军 杨佳钰 郭 琦

（国网北京通州供电公司，北京 101149）

1 重要负荷供电设计方案

出于安全因素的考虑，行政办公区不采用柴油发电机组作为自备电源，建筑当初设计的空间大小与承重能力不具备安装固定式飞轮储能装置的条件。综合考虑用户情况，配置静态储能不间断电源（UPS）配合双电源自动切换开关（ATS），可满足重要负荷秒级允许断电时间、兆瓦级应急电源容量以及30min 持续供电时间的供电需求。该文对不同用户负荷做如下配置，见表1。

表1 各级别负荷的应急配置

普通负荷采用“双电源+ATS”的应急供电配置。该普通负荷双电源来自低压不同母线，在单路故障的情况下通过ATS 切换至另一路供电。

重要负荷的应急供电配置分2 种情况，对供电要求相对较低的重要负荷采用“双电源+应急母线+ATS+移动应急电源”的应急供电配置。应急母线与普通母线通过ATS 连接，正常情况下ATS 将应急母线与普通母线连通，与外部电源分断。当普通母线故障，ATS 将应急母线与普通母线分断，与外部电源连通。应急母线的作用是将重要负荷与普通负荷进行区分，当普通母线段故障时，通过移动应急电源有选择性地只为重要负荷继续供电。

为了满足在线路失电的瞬间能持续供电，同时抵御电压波动，在应急母线与负荷之间串联接入UPS，为供电要求相对较高的重要负荷提供“双电源+应急母线+UPS+ATS+移动应急电源”的应急供电配置，“双电源+应急母线+UPS+ATS+移动应急电源”的应急供电配置避免了故障下负荷侧ATS 电源切换操作，进而解决了电源切换中电压暂降导致的负荷闪动问题，同时解决了电压波动问题。

重要载荷中的供电均应采用2 路独立路由电源供电，并配置主备电源自动和手动切换开关装置（可用发电设备作为第二路电源）。不同重要级别的供电应由不同的回路供电。重要负荷的一级重要设备应接入UPS 电源，UPS 电池组后备时间应满足实际负载工作10min 以上。一级活动在符合二级保障要求的基础上，所有关键设备需采用UPS供电并且UPS 电池组后备时间应满足实际负载工作至少10min。在实际运用中，双电源自切电源箱和UPS 电源箱是重要负荷供电最频繁且最重要的供配电设备。该文采用的UPS 配置方案如图1 所示。其中，自切电源箱一般用于UPS 前端，能够实现两路外部电源的自动或手动切换和电源输出分配。

图1 重要负荷供电UPS 配置方案

为提高重要用户停电应急处理能力，必须在电源上增加一道“防线”，即如果出现大面积停电，备用机组同时发生故障，应急发电车必须适用于救援车的配电部门。设计用户供配电系统时，必须同时制定外部救援电源运行方案，外部供电系统必须注意3 个方面：行车通道、停车位置和线缆接口设置。1）行车车道。由于供电部门内行驶的发电车辆较多，行车道的宽度、高度和转弯半径必须满足要求。发电机房外置发电机本体移动装置，如果发电机房位于大门侧门，发电机车只需停在侧门外即可，无须开进大院。2）停车位置。发电机本体出线电缆长度一般为50m，从停车处到接入点的电缆安装通道总长度不得超过发电机本体电缆长度。3） 线缆接口设置。接入开关的技术数据必须与发电机本体的电缆连接规格相匹配，本地电源的发电机小车配有通用接口电缆，因此工作人员应按“结束”按钮退出运行过程。

2 分布式UPS 配置

UPS 是解决供电中断的有效方法，同时也能抑制电压暂降。分布式不间断电源系统支持不间断电源单元和位于互联电网中的关键负载。为了增加系统的可靠性和可扩展性，通常在电力系统中集成冗余和并行的不间断电源系统，主要包括线分布式系统和线互动分布式系统。采用在线式UPS 可有效抑制电压暂降，UPS 的保护时间取决于电池的容量，典型设计为10s~3min。采用后备方式的UPS时，只要转换速度足够快，当检测到电压暂降发生时，切换开关自动切换到UPS 供电，也能够有效抑制电压暂降对设备的影响。

因此，在重要负荷的UPS 配置方案中，首选并行冗余结构来提高可靠性。主要采用N+1 或N+X冗余结构，其中N个不间断电源单元提供负载，1 个或X个额外的单元保持备用，这样即具有高度的灵活性和可扩展性。冗余结构通过保留一个或多个不间断电源单元来保护系统，如果剩余的电源模块中出现故障或者断路，保留模块可以自动连接系统来代替原有单元。冗余结构可以减少单点故障。并行冗余系统通常可以提供非常高的可用性。除了有额外的不间断电源模块，并行冗余系统需要给操作员提供系统级功能来实现人为干预。最简单的冗余不间断电源系统是1+1 并行冗余，它由一个带有备用模块的集中式不间断电源组成。具有代表性的并行冗余结构是国网北京市电力公司调控中心D5000 机房供电系统，如图2 所示。它采用的是2 套1+1 并行冗余结构。图2 中UPS1 和UPS2、UPS3和UPS4 组成2 套1+1 并行冗余结构，2 套UPS 又再次组成并机双总线结构，为D5000 调度机房核心设备供电，进而使其供电可靠性达到99.99999%。

图2 D5000 机房2 套1+1 接线系统图

3 UPS 配置控制技术

3.1 主动负载分配技术

主动负载分配技术可分为4 种不同的类型，即集中控制、主从控制、平均负载分配以及循环链控制。使用这些技术可以生成每个模块的电流或功率参考值，这很容易根据其额定功率进行控制。

集中控制技术的每个模块j的电流基准Ij是由总负载电流iL除以模块数N来获得，电流参考值减去每个模块的电流得到电流误差ΔIj，通过电流控制回路进行处理。集中控制系统通常用于多个输出逆变器并联的普通不间断电源设备。使用这种方法必须要测量总负载电流iL，因此该技术无法应用于大型分布式系统。除此之外还需要配置中央控制板。

主从控制技术由主模块调整负载电压，因此主机充当电压源逆变器（VSI），而从机充当电流源逆变器（CSI）。在这种配置中，如果主单元发生故障，另一个模块将充当主单元，以避免系统发生整体性故障。根据需要实现的功能，这种控制方案有不同的变体。可以将主模块确定为固定模块，或者可以通过以最大均方根或峰值电流的模块来固定主电流。用于并联直流/直流转换器在第二种情况下通过使用最高的P和Q平均值，可以获得类似于高峰值电流控制策略的方案。

平均负载分配技术的每个模块跟踪所有活动模块产生的平均电流。该方案通过调整电阻可以并联不同额定功率的转换器。这种控制技术源于一种应用于并联直流转换器的思想，即使用连接到公共电流总线的电流共享电阻。所有模块的电流通过公共电流总线进行平均，所有模块的平均电流是每个单独模块的参考。这种控制方案是高度可靠的。此外该方法还具有高度模块化和可扩展特性。

循环链控制由每个模块的电流基准组成，并形成控制环。第一个单元的当前参考是从最后一个单元的当前参考获得的，以形成循环链连接。为了实现双向通信和提高系统可靠性，采用并行线路结构。在这种结构下，负载电压由主模块控制，而从模块仅用于分配负载电流。除了主模块之外，从模块的当前命令由其前一个模块生成并且幅度有限。在该方案中任何模块都可以是主模块。所有控制电路的连接可以形成循环链连接，使每个模块都可以成为主模块。

3.2 下垂控制技术

在并联不间断电源逆变器的情况下，提供给交流母线的有功和无功功率进行检测并平均，产生的信号用于调节不间断电源逆变器输出电压参考的频率和幅度。下垂控制在模块的物理位置上实现了更高的可靠性和灵活性，因为它只使用本地功率测量。通常情况下，由于线路阻抗的高电感成分和大电感滤波器，因此逆变器输出阻抗被认为是电感性的。在这种情况下，通过考虑逆变器输出电压E和公共交流母线电压V之间的小相位差φ，可以导出并简化如公式（1）所示的有功和无功功率表达式。

式中：X 为逆变器的输出电抗。

从公式（1）可以得出结论，相位角越大，振幅差越大。如果想要负反馈，当P和Q增加时，需要减少φ和E。一种解决方案是在输出电压基准中引入下垂参数。通常采用P-ω和Q-V作为下垂参数。实现下垂控制的最简单表达形式如公式（2）所示。

式中：ω*和E*为空载时的输出电压频率和幅度；m和n为压降频率和幅度系数；P*和Q*为有功和无功功率参考。

当并联UPS 单元时，一般都设置为零（P*=0 和Q*=0）。如果想配置一个恒定的电源共享电力系统，就应该固定从该单元提取的有功和无功功率。公式（1）中显示了φ和P之间的关系，但在公式（2）中使用的是频率（ω）而不是φ，这是因为模块的初始相位值是未知的。使用这种方法时如果压降系数增加，则以降低电压调节为代价来实现良好的功率共享。例如，如果频率和幅度偏差大多分别为2%和5%，这是可以接受的。

4 结论

针对供用电压暂降和短时供电中断给重要活动带来重大影响的问题，该文研究了分布式不间断电源系统。为提高其可靠性，分布式不间断电源系统通常采用冗余和并行结构并联不间断电源系统的控制方案，具体包括主动负载分配技术和下垂控制方法。一般来说，主动负载分配控制可以分为两大类，即电流分配控制和功率分配控制。主动均流控制实现了良好的均流和输出电压调节，然而它需要高性能的通信技术。通过使用有功功率分配技术，平均有功和无功功率信息必须在本地控制器之间共享。基于下垂的控制技术避免了对关键通信链路的需要，还能使不间断电源系统与外部电压源同步。

最后，该文提出了重要负荷供电中的UPS 配置技术，并详细阐述了该技术在重要负荷供电中的具体控制方案，对特别重要负荷采用“双电源+应急母线+UPS+SSTS+移动应急电源”的应急供电配置，使分布式不间断电源系统能够替代大型传统电源系统，成为微电网储能的合适解决方案。