郭　琳

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

淺析UPS交流不間斷電源系統(tǒng)在西花水電站110kV升壓站中的應(yīng)用

郭琳

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

本文對(duì)組成和交流不間斷電源系統(tǒng)的基本原理（以下簡(jiǎn)稱U PS電源系統(tǒng)）進(jìn)行了分析，并結(jié)合西花水電站工程實(shí)際情況，分析了該水電站110kV升壓站，U PS電源系統(tǒng)的選擇和主要性能指標(biāo)參數(shù)，以期為類似案例提供借鑒。

U PS電源；在線式U PS；帶旁路；模塊化

1　項(xiàng)目概況

西花水電站位于陜西省佛坪縣栗子壩鄉(xiāng)花園壩村下游約250m處，距佛坪縣城約45km。本電站是金水河流域梯級(jí)電站開發(fā)的第一級(jí)電站，該水電站坐落于佛坪縣境內(nèi)的金水河流域，本工程確定的引水水源為岳壩引水和西花水庫(kù)兩個(gè)水源地。

西花水電站為徑流式引水電站，工程的主要任務(wù)是發(fā)電，無綜合利用要求。本項(xiàng)目安裝三臺(tái)立式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量均為9.0MW和額定功率因數(shù)0.8，總裝機(jī)容量為2.7MW，發(fā)電機(jī)額定電壓為10.5kV，發(fā)電機(jī)與變壓器組合方式為單母線接線，升高電壓側(cè)為110kV及35kV二級(jí)電壓，110kV側(cè)采用一回110kV線路接入佛坪110kV變電站，其接線方式為變壓器線路組；35kV側(cè)本期采用一回35kV線路接入沙梁水電站，遠(yuǎn)期為二回出線，其接線方式：本期為變壓器線路組，遠(yuǎn)期為單母線接線。該工程多年平均發(fā)電量6439萬kWh，年利用小時(shí)數(shù)2683h，擔(dān)負(fù)向系統(tǒng)送電和樞紐供電的任務(wù)。

2　UPS電源的組成及基本原理

隨著水電站自動(dòng)化監(jiān)控水平的不斷提高，日前大多數(shù)水電站升壓站系統(tǒng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無人值班少人值守的安全運(yùn)行模式，要使整個(gè)水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)控制設(shè)備、繼電保護(hù)裝置、廠用計(jì)量裝置、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、站內(nèi)外通信系統(tǒng)等設(shè)備能夠安全能夠可靠地運(yùn)行，首先就需要有可靠牢固的電源保證，UPS電源系統(tǒng)作為電站自動(dòng)化系統(tǒng)的重要電源設(shè)備，是整個(gè)電站及升壓站安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

UPS電源系統(tǒng)［1］是一種包含儲(chǔ)能裝置（蓄電池）、整流電路、保護(hù)電路、充電電路以及逆變電路。逆變器作為主體，作為一種具有恒定電壓和頻率的整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)器。UPS電源的基本組成結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示：

圖1.1　UPS基本組成原理圖

在交流輸入電壓正常供電的情況下，整流器一方面可以為逆變器提供直流輸入電壓，另外一方面為蓄電池組充電，使蓄電池組儲(chǔ)存能量；當(dāng)交流輸入電壓斷電或整流器故障時(shí)，蓄電池組提供直流電壓，通過逆變?yōu)樨?fù)載提供不間斷供電。但當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，圖1.1的UPS就不能為負(fù)載提供不間斷供電。通過逆變器的常用備用單元和冷備靜態(tài)旁路輔助電源，解決了因?yàn)槟孀兤鞴收蠠o法提供不間斷供電的問題。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理如下圖1.2所示：

圖1.2　帶旁路輔助電源的UPS基本接線原理圖

3　不間斷電源（UPS）供電形式選擇

UPS電源系統(tǒng)按照常用的工作方式分為：后備式不間斷電源、在線式不間斷電源、在線互動(dòng)式不間斷電源三種。還有一種非靜態(tài)即動(dòng)態(tài)式UPS，在于城市市電不穩(wěn)定有波動(dòng)的情況下，當(dāng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，慣性飛輪在短時(shí)間內(nèi)對(duì)輸出電壓的突然變化沒有直接的響應(yīng)，并且輸出電壓的穩(wěn)定性可以通過這種方式保證；當(dāng)城市市電停電后，依靠飛輪的慣性使其在額定電壓的供電情況下，整個(gè)供電時(shí)間延長(zhǎng)5s，以此來保證計(jì)算機(jī)保存數(shù)據(jù)信息時(shí)間節(jié)點(diǎn)。再后來發(fā)展到了內(nèi)燃機(jī)式不間斷電源系統(tǒng)，但是這類非靜態(tài)即動(dòng)態(tài)式UPS的體積大，噪音大，效率低，目前使用很少［3］。

其中后備式UPS一般應(yīng)用在一些對(duì)供電質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。本次工程中，經(jīng)過原理比較，以及可參考工程現(xiàn)狀分析，西花水電站110kV升壓站采用在線式UPS電源系統(tǒng)。下面就幾種工作原理作比較分析：

（1）后備式不間斷電源（UPS）［2］工作原理：當(dāng)城市市電電網(wǎng)正常時(shí)，后備式不間斷電源開關(guān)的轉(zhuǎn)換開關(guān)將負(fù)載轉(zhuǎn)換成城市電網(wǎng)，此時(shí)逆變器不工作，而同時(shí)城市電網(wǎng)通過充電器充電到蓄電池組。當(dāng)城市市電突然中斷或電網(wǎng)欠壓畸變失常狀態(tài)（欠壓值約為170V）時(shí)，本系統(tǒng)通過切換開關(guān)將負(fù)載連接逆變器系統(tǒng)。同時(shí)，逆變器將原蓄電池中的能量經(jīng)過逆變處理后，轉(zhuǎn)換成需求的電源級(jí)別向負(fù)載供電。缺點(diǎn)，蓄電池需求量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制復(fù)雜，而且經(jīng)濟(jì)型不高，故不選用。

圖2.1　后備式UPS原理圖

（2）在線式不間斷電源（UPS）［2］工作原理：當(dāng)城市市電電網(wǎng)正常時(shí)，在線式不間斷電源（UPS）將城市市電變化為直流后，經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化為交流供負(fù)載使用。當(dāng)市電出現(xiàn)異常時(shí)，轉(zhuǎn)為蓄電池供電，有蓄電池逆變成交流向負(fù)載供電，當(dāng)逆變器故障時(shí)，市電由旁路直接向負(fù)載供電。最大優(yōu)點(diǎn)交直流切換方式簡(jiǎn)單、控制性強(qiáng)、模塊簡(jiǎn)單岔?yè)Q方便，經(jīng)濟(jì)性高，故選用此接線方式。

圖2.2　在線式UPS原理圖

（3）在線互動(dòng)式不間斷電源（UPS）［2］工作原理：當(dāng)城市市電正常時(shí)，城市市電通過穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路向負(fù)載供電，同時(shí)在線互動(dòng)式不間斷電源將輸入的城市電交流電源轉(zhuǎn)化為直流電流后，向直流充電系統(tǒng)蓄電池充電；而當(dāng)城市市電異常時(shí)，在線互動(dòng)式不間斷電源開始向直流蓄電池供電，通過交直流雙向逆變器轉(zhuǎn)化后，將其為交流電源后，向所帶負(fù)載供電。缺點(diǎn)：在線式電能消耗大、監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)壓裝置要求高，造價(jià)高經(jīng)濟(jì)型低一下，故不選用。

圖2.3　在線互動(dòng)式不間斷電源（UPS）原理圖

4　西花水電站110kV升壓站UPS電源的選擇

4.1升壓站UPS電源容量的計(jì)算與選擇［4］

UPS的容量的大小由各類負(fù)載的大小決定，按單臺(tái)容量不小于1.2倍全部負(fù)載額定功率總和計(jì)算，功率因數(shù)一般取0.8［4］。西花水電站110kV升壓站UPS實(shí)際負(fù)荷如下：

監(jiān)控主機(jī)2臺(tái)共計(jì)600W；電能遠(yuǎn)方終端1臺(tái)共計(jì)30W；數(shù)據(jù)通信網(wǎng)管4臺(tái)共計(jì)800W；綜合應(yīng)用服務(wù)器1臺(tái)共計(jì)300W；縱向加密認(rèn)證2臺(tái)共計(jì)120W；防火墻2臺(tái)共計(jì)300W；隔離裝置共計(jì)100W；輔助控制系統(tǒng)（火災(zāi)報(bào)警等）共計(jì)1300W。

上述負(fù)荷合計(jì):∑P=600W+30W+800W +300W+120W+300W+100W+1300W=3550 W，SC=KrelP∑/cosΦ=5.325kVA，（取cosΦ= 0.8，Krel=1.2）。經(jīng)計(jì)算，UPS實(shí)際負(fù)荷所需容量為6kVA。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，110kV變電站配置的單臺(tái)UPS電源容量一般為3 kVA～7.5kVA，220kV變電站單臺(tái)UPS電源容量一般為5kVA～10kVA，500（330）kV變電站單臺(tái)UPS電源容量一般為6kVA～15kVA。

4.2升壓站UPS電源系統(tǒng)接線形式的選擇

當(dāng)交流輸入正常供電時(shí)，交流輸入電壓由整流器把交流電整流為直流電，再由逆變器把直流電逆變?yōu)榻涣麟娸敵鼋o負(fù)載，當(dāng)交流輸入電源發(fā)生故障時(shí)，不間斷電源由交流輸入電源供應(yīng)，在轉(zhuǎn)換為升壓站直流系統(tǒng)的直流輸入電源由逆變器供電，切換時(shí)間為0s；當(dāng)交流輸入電源恢復(fù)正常供電，不間斷電源提供的直流輸入電源通過逆變器電源交流輸入供電，切換時(shí)間應(yīng)該是0s。當(dāng)不間斷電源逆變輸出端發(fā)生故障時(shí)，通過不間斷電源旁路靜態(tài)轉(zhuǎn)換為開關(guān)自動(dòng)切換成交流旁路輸入提供供電，切換時(shí)間應(yīng)小于0.005s；當(dāng)逆變輸出恢復(fù)正常后，不間斷電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換成逆變輸出供電，切換時(shí)間應(yīng)小于0.005s。

整個(gè)設(shè)計(jì)緊緊圍繞這三個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行的：

（1）蓄電池（包括充電器）是供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)為負(fù)載供電的能量來源；

（2）逆變器是不間斷電源（UPS）輸出電壓調(diào)節(jié)穩(wěn)壓及穩(wěn)頻的交流電流的核心組成，也是整個(gè)不間斷電源（UPS）的關(guān)鍵核心部件，使用冗余備用單元也是為了保證負(fù)載供電的不間斷輸出供應(yīng)；

（3）旁路電源一個(gè)輔助電源接線形式，是為維修、檢修UPS方便；同時(shí)，它也用于在逆變器的情況下，實(shí)現(xiàn)不間斷電源的輔助電源。

根據(jù)以上所述，提出如下設(shè)計(jì)原理框圖（圖3.1）：

圖3.1　升壓站系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖

各個(gè)組成部分的作用：站內(nèi)供電系統(tǒng)為負(fù)載提供電能，整流電路將交流電轉(zhuǎn)變成直流電；逆變電路是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電；靜態(tài)開關(guān)決定了整個(gè)系統(tǒng)的斷電連接能力，即切換速度；蓄電池組是作為當(dāng)供電系統(tǒng)不正常或發(fā)生故障時(shí)的工作電源。

4.3升壓站UPS電源系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

（1）輸入交流電壓幅值［5］。其目的是為了保證升壓站UPS不接入電池逆電源電壓范圍，輸入電壓范圍更廣，UPS所選蓄電池上電的可能性概率越小，與此同時(shí)蓄電池的壽命就會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)，一般范圍為：220V±10%。

（2）輸入頻率范圍［5］是指不間斷電源UPS能自動(dòng)跟蹤市電、保持同步的頻率范圍，一般范圍為：50Hz±5%。

（3）輸入直流電壓。直流輸入（110V直流系統(tǒng)）：110V±15%。

直流輸入（220V直流系統(tǒng)）：220V±15%。

（4）輸出電壓調(diào)節(jié)范圍，一般范圍為：220V±3%。

（5）切換時(shí)間。靜態(tài)旁路開關(guān)切換時(shí)間：≤0.004s；備用電源切換時(shí)間：≤0.004s。

（6）過載能力［6］。125%額定值可以保持在10min，150%等級(jí)可以保持在1min，200%等級(jí)可以保持在20s。

5　結(jié)語(yǔ)

西花水電站工程目前正在建設(shè)期，不間斷電源設(shè)備配置足夠滿足要求。隨著變電站自動(dòng)化水平的提高，對(duì)升壓站內(nèi)UPS電源系統(tǒng)的性能參數(shù)、可靠性要求、節(jié)能環(huán)保等要求越來越高，本文通過分析UPS電源系統(tǒng)的原理、組成，結(jié)合西花水電站實(shí)際應(yīng)用，提出了110kV升壓站UPS電源系統(tǒng)容量的選擇以及主要性能參數(shù)，為選用水電站升壓站UPS設(shè)備提供參考。陜西水利

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［2］WilliamsJ.B.Design of feedback l9-966

［3］張乃國(guó).UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用手冊(cè).

［4］110KV變電站UPS不間斷電源通用技術(shù)規(guī)范.2009.

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（責(zé)任編輯：暢妮）

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