大機組UPS電源系統常見問題分析

　　逆變器輸出的單相交流電壓與旁路電源的單相交流電壓應該同步，才能并列轉換。不論旁路取自交流的那一相，逆變器都可以調整輸出電壓，與旁路電壓同頻同相。

　　機組WDPF控制系統的DPU柜及計算、存儲、記錄站等電子設備由雙電源供電，如圖2所示。這是可控硅反向并聯而成的二進一出的三端網絡，UPS優先供電。UPS母線失壓或欠壓至一定值時，控制回路觸發APS側的雙向可控硅，使其交替導通，并關斷UPS側的可控硅，由APS繼續供電。這時的切換是先并后切，UPS電壓正常后的自動回切也是先并后切。顯然，在電壓的相位和頻率上，若UPS旁路側與APS側不一致，轉換瞬間將短路或因差壓大而產生很大的沖擊電流，導致站內掉電及元件損壞。

　　圖2　雙電源供電

　　1991年，黃埔發電廠6號機組于UPS安裝后期進行切換試驗時，跳了許多開關，才第一次發現了相位不符、切換短路問題。其他電廠也有類似接錯相位的情況。

　　必須指出，安裝時接錯了相位，不遇到UPS電壓異常情況下的切換或回切，是不會覺察的。甚至許多開關跳閘了，若恢復時從UPS側先送電(一般均如此)，APS側后送電，此時不會短路，仍掩蓋了這個極大的隱患。

　　我們希望設計和施工部門，注意這一問題，圖紙上標明相位，正確接線，防止類似現象重演。

　　2.3　APS的兩路電源

　　APS1，APS2電源來自不同的變壓器，不允許長期并列。如圖1，一般應合上Q1，Q2，斷開Q3。如果將Q1，Q2由手動操作改換為電動操作，或者加串交流接觸器，聯鎖自投，還可以降低DPU和計算機站失電的概率。

　　2.4　UPS裝置的冗余配置

　　有的電廠工程，制造廠商在旁路電源上加配了一套交流穩壓器。有的技改工程，在APS側另加1套UPS，1臺機組用2套UPS裝置。

　　看來UPS電源的配置方案，值得商榷。筆者認為：

　　a)使用UPS的目的，并非發電廠的電壓質量不能滿足計算機系統的要求，而主要是為了不停電。1套UPS裝置，本身已有電池和充電器冗余備用，旁路電源只是在逆變器輸出故障情況下暫時起作用。計算機系統有時發生“掉站”和芯片元件損壞事件，非旁路電壓波動所致。計算機系統各站主機硬件，帶有自保護功能。旁路電源系統應該簡化，而且可以簡化。

　　b)逆變器是UPS系統的“瓶頸”。從多年的運行經驗看，逆變器的控制部分故障率相對較高。有條件的工程，可以考慮1套UPS裝置配2套獨立的逆變器。雙逆變配置，比旁路穩壓器或2套UPS裝置的方案，更合理、實用、簡單。

　　c)熱控重要負荷才需要接入UPS母線，而最重要的負荷(DPU和計算機站)則由UPS和APS雙側電源自動切換供電。APS側再加1套UPS裝置的方案是不可取的。如果硬要雙UPS，其輸出均應接UPS母線。

　　d)UPS裝置的配置，力求科學合理。提高UPS的可靠性，不能過多依賴增加備用設備，而要從維護和管理上下功夫。冗余太多令裝置復雜化，投資增加，利用效率卻很低，故障率也可能更高了。

　　3　系統容量估算選配

　　3.1　UPS的輸出容量

　　欲使UPS的容量確定得比較恰當，須進行詳細的負荷統計，并搜集同型運行機組的實際資料。

　　負荷統計，需要搜集負荷的同時率、功率因數、經常性電流和最大可能的沖擊電流等資料。

　　UPS的逆變器設有過載保護，輸出電流超過(1.2～1.25)In時，將自動切換至旁路供電。為了避免多臺負載同時啟動迭加沖擊電流，頻頻出現切換及回切，而且主回路元件不至于過熱，UPS容量留有足夠的余地是必要的，但容量富裕應有度。

　　黃埔發電廠300 MW機組UPS的輸出容量，初擬30 kVA,136 A。與美國西屋公司洽談后改為50 kVA,227 A。投產后的實際負荷，交流側一般為90～100 A(直流側約125 A)，偶而達110～120 A。如選30 kVA,136 A，負荷率為110 A／136 A=0.73，容量有點偏小。如選40 kVA,182 A，負荷率為100 A／182 A=0.55，低于規程推薦值0.6，裕度系數為182 A／100 A=1.82，高于推薦值1.6，才是比較恰當的。

　　3.2　整流器(充電器)輸出容量

　　UPS設備的功率關系見圖3。

　　圖3　UPS設備的功率關系

　　黃埔發電廠300 MW機組逆變器輸入功率為

　　P2=UDC×IDC=280 V×245 A=68.6 kW.

　　以SCI公司推薦的公式計算整流器輸入視在功率，

　　S1=Uex×Iex×Ce／(kPF×η1).

　　式中　S1——整流器輸入視在功率，VA；

　　Uex——整流器輸出電壓，V；

　　Iex——整流器輸出電流，A；

　　Ce——整流器過負荷因數(1.2～1.5)；

　　kPF——波峰因數(一般為0.8)；

　　η1——整流器效率(0.92～0.94)。

　　可得：

　　S1=210 V×245 A×1.2×／（0.8×0.93)=82.9 kVA.

　　整流器輸入功率因數

　　λ1=P2／(S1×η1)=68.6／(82.9×0.93)=0.889，

　　UPS效率

　　η=S3／S1=50／82.9=0.603.

　　假定UPS負荷的功率因數λ=0.7，則逆變器輸出有功功率

　　P3=S3×λ=50 kVA×0.7=35 kW，

　　逆變器效率

　　η2=P3／P2=35／68.6=0.51.

　　可見，整套UPS的效率是比較低的，這是由于各環節存在損耗。如果UPS的容量選擇過大，實際負荷偏低，利用率低，效率則更低。

　　在充電器已選定輸出功率65 kW情況下，參照上述公式，計算得整流變輸入容量為87.3 kVA。國產充電器的整流變原設計選配輸入容量140 kVA，偏大了。

　　鑒于整流、逆變各環節交直流側P，U，I等參數換算與整流、逆變的方式、線路及負荷等有關，準確計算比較復雜，我們期待設計規程提供一套UPS系統適用的基本公式，作為容量選擇估算的依據。