王付鋼

（華潤(rùn)電力（海豐）有限公司，廣東 深圳 516468）

0 引 言

UPS全稱是交流不間斷電源（Uninterruptible Power Systems，UPS）[1]，在發(fā)電廠中的主要作用是給機(jī)組計(jì)算機(jī)、電氣自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)組控制系統(tǒng)和儀表等重要負(fù)荷提供不間斷的恒壓、穩(wěn)頻交流電源。隨著機(jī)組容量的增大和自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)于UPS的供電可靠性要求也越來(lái)越高。UPS故障導(dǎo)致的機(jī)組跳閘屢有發(fā)生，嚴(yán)重威脅電力生產(chǎn)及設(shè)備的安全運(yùn)行。分析原因，固然有設(shè)備質(zhì)量、環(huán)境及維護(hù)質(zhì)量的問(wèn)題，但UPS系統(tǒng)配置及設(shè)備電源配置是否合理也是重要因素。因此，如果能夠從提高UPS單機(jī)可靠性及優(yōu)化UPS供電系統(tǒng)、負(fù)荷電源配置兩方面入手，可大大提高系統(tǒng)供電的可靠性，避免UPS故障對(duì)電力生產(chǎn)及設(shè)備安全運(yùn)行造成較大危害。

1 UPS系統(tǒng)簡(jiǎn)述

1.1 單機(jī)UPS設(shè)備構(gòu)成

目前，電力系統(tǒng)中廣泛使用的UPS設(shè)備均為逆變式。它的組成大體相同，主要由以下3個(gè)部分組成：

（1）UPS電源本體，包括輸入隔離變壓器、輸出隔離變壓器、整流器、逆變器、自動(dòng)靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)、手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)以及隔離二極管等；

（2）旁路隔離穩(wěn)壓柜包括旁路隔離變壓器、旁路穩(wěn)壓調(diào)壓器以及補(bǔ)償變壓器等；

（3）配電柜包括饋線開(kāi)關(guān)、控制儀表等。

另外，現(xiàn)在的UPS電源一般采用廠用直流系統(tǒng)，不自帶蓄電池組。

通常UPS工作電源取自機(jī)組PC段，而旁路電源取自機(jī)組保安段。正常運(yùn)行時(shí)，UPS三相交流電源由機(jī)組PC段工作電源提供。當(dāng)工作電源失去或故障時(shí)，工作電源由蓄電池經(jīng)逆變器毫不間斷地提供。在電壓超限、負(fù)荷過(guò)載或逆變器、整流器等故障停止工作時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)迅速切換，負(fù)荷轉(zhuǎn)由旁路供電。檢修時(shí)，由手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)對(duì)設(shè)備隔離并直接供電。UPS原理如圖1所示。

1.2 電廠中UPS運(yùn)行方式

電廠中UPS的運(yùn)行方式主要有單機(jī)運(yùn)行和并機(jī)運(yùn)行方式。

1.2.1 UPS單機(jī)運(yùn)行方式

UPS單機(jī)運(yùn)行方式是指每臺(tái)機(jī)組的一套或多套（通常是2套）UPS單機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，其輸出之間沒(méi)有聯(lián)系，由單臺(tái)UPS負(fù)擔(dān)全部負(fù)載或每臺(tái)UPS各帶一部分負(fù)載。如果用戶選用單機(jī)性能穩(wěn)定、安全、可靠的UPS，且考慮設(shè)備成本，單機(jī)可以滿足用戶運(yùn)行要求。

1.2.2 UPS并機(jī)運(yùn)行

UPS的并機(jī)運(yùn)行主要有主從熱備份方案、“1+1”并機(jī)方案和“N+1”并機(jī)方案3種方式。主從熱備份方案受早期并機(jī)技術(shù)的制約，采用主機(jī)帶負(fù)載、備機(jī)空載、備機(jī)接入主機(jī)的BYPASS（旁路）輸入端的方式，設(shè)備使用率很低，安全性、可靠性不足，無(wú)法滿足用戶更高的安全要求，目前幾乎很少用戶采用這種并機(jī)方案?！癗+1”并機(jī)方案主要用于解決當(dāng)負(fù)載功率大于UPS單機(jī)功率時(shí)的帶載問(wèn)題。當(dāng)前，工業(yè)用戶（特別是發(fā)電廠）的負(fù)載一般不會(huì)超過(guò)現(xiàn)有UPS的單機(jī)功率，所以基本上用不到本方案。目前，在電廠中應(yīng)用較廣的主要是“1+1”并機(jī)方案。

目前，發(fā)電廠主要采用“1+1”并機(jī)方案。隨著并機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，2臺(tái)UPS在同一控制程序下可以實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定、協(xié)調(diào)工作，這種方式稱為“1+1”并機(jī)。當(dāng)2臺(tái)UPS正常工作時(shí)，每臺(tái)UPS各承擔(dān)50%負(fù)載。如果其中任何一臺(tái)UPS發(fā)生停運(yùn)或故障，另一臺(tái)UPS自動(dòng)承擔(dān)100%負(fù)載，故障UPS會(huì)自動(dòng)退出并機(jī)模式；當(dāng)故障UPS恢復(fù)正常后又可直接投入并機(jī)模式，2臺(tái)UPS自動(dòng)各帶50%負(fù)載；如果2臺(tái)UPS都發(fā)生停運(yùn)或故障，此時(shí)將自動(dòng)切換至旁路運(yùn)行模式；當(dāng)2臺(tái)故障UPS恢復(fù)正常后，2臺(tái)UPS又可投入到“1+1”并機(jī)工作模式，如圖2所示。

2 目前UPS供電可靠性方面存在的主要問(wèn)題

2.1 UPS本身存在的問(wèn)題

目前，大容量UPS仍存在一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)或質(zhì)量問(wèn)題，如UPS使用的各種元器件存在的質(zhì)量問(wèn)題、絕大多數(shù)UPS的控制回路缺乏冗余通道等。

2.2 UPS配置及負(fù)荷設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題

2.2.1 單臺(tái)機(jī)組單臺(tái)UPS配置方案

該方案系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資少。當(dāng)UPS故障或檢修時(shí)，在旁路運(yùn)行的情況下，一旦保安段母線失壓，UPS負(fù)荷母線就會(huì)失電，可靠性不高。

2.2.2 UPS并聯(lián)冗余運(yùn)行方案

本方案系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，做到了UPS裝置的并聯(lián)冗余。但是，當(dāng)母線系統(tǒng)故障時(shí)，首先會(huì)影響本機(jī)組安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)對(duì)并聯(lián)的其他機(jī)組的UPS造成沖擊。另外，采用這種配置并不節(jié)約投資。

2.2.3 “N+1”配置方案

圖1 UPS原理示意圖

圖2 “1+1”UPS并機(jī)方案

UPS“N+1”配置原理，如圖3所示。該方案實(shí)現(xiàn)了UPS備用冗余，即當(dāng)一臺(tái)機(jī)組UPS故障時(shí)，備用UPS自動(dòng)投入，實(shí)現(xiàn)不間斷供電。即使UPS負(fù)荷母線故障，也不影響其他機(jī)組安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。但是，這種方式增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.2.4 單臺(tái)機(jī)組多臺(tái)UPS配置，每臺(tái)UPS各帶一部分負(fù)荷并互備冗余方案

這種配置方式的供電可靠性是4個(gè)方案中最高的，既綜合了各方案的優(yōu)點(diǎn)，又避免了各方案的缺點(diǎn)。但是，考慮互相備用冗余，UPS容量必須相應(yīng)增加，將大大增加設(shè)備投資。

3 從UPS單機(jī)可靠性和合理配置UPS供電系統(tǒng)入手提高供電可靠性

3.1 提高UPS單機(jī)可靠性

目前，除廠家通過(guò)技術(shù)改進(jìn)提高UPS單機(jī)可靠性外，用戶可以采取以下措施：

（1）選取運(yùn)行業(yè)績(jī)好、質(zhì)量過(guò)硬、信譽(yù)度高、售后服務(wù)穩(wěn)定的大品牌產(chǎn)品，在關(guān)注主機(jī)質(zhì)量的同時(shí)，重視其他元件、附件的質(zhì)量，提高整機(jī)壽命；

（2）明確UPS專業(yè)管理歸口，同時(shí)充分依托廠家的技術(shù)力量，加強(qiáng)設(shè)備定期工作和維護(hù)管理，確保設(shè)備不失修，在設(shè)備異常初期即能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理；

（3）備有足夠數(shù)量的備件，尤其是控制部分，縮短裝置異?；蚬收咸幚頃r(shí)間；

（4）改善UPS運(yùn)行環(huán)境，避免溫度、濕度、粉塵濃度以及電磁干擾等環(huán)境原因造成電子線路板出現(xiàn)問(wèn)題。

3.2 合理配置UPS系統(tǒng)，提高供電可靠性

通過(guò)分析可知，采用單臺(tái)機(jī)組多臺(tái)UPS配置，每臺(tái)UPS各帶一部分負(fù)荷并互備冗余方案的安全性、可靠性最高。隨著發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷提高，目前一般設(shè)計(jì)為單臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)UPS。因此，可采用單臺(tái)機(jī)組2臺(tái)UPS各帶一部分負(fù)荷并互備冗余方案。

同時(shí)，為了降低機(jī)組UPS故障或UPS負(fù)荷開(kāi)關(guān)回路故障造成的影響，UPS的所有重要負(fù)荷電源均按照相互備用冗余方案設(shè)計(jì)，且要求兩路互備冗余電源取自不同的電源系統(tǒng)。實(shí)踐證明，采取這一措施非常有效。當(dāng)一路電源故障時(shí)，備用電源自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不間斷（＜5 ms）切換投入供電[2]。需要注意的是，必須保證切換裝置的可靠性，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、維護(hù)并定期試驗(yàn)，避免由于切換不成功造成機(jī)組停機(jī)。

在具體設(shè)計(jì)時(shí)，有以下兩種方式。

（1）單臺(tái)機(jī)組2臺(tái)UPS獨(dú)立運(yùn)行，輸出之間無(wú)聯(lián)系。UPS的所有重要負(fù)荷電源均按照相互備用冗余設(shè)計(jì)，且要求兩路互備冗余電源分別取自2臺(tái)UPS（如圖4所示）。

（2）單臺(tái)機(jī)組2臺(tái)UPS采用“1+1”并機(jī)方案，帶所有的負(fù)荷。UPS的所有重要負(fù)荷電源按照相互備用冗余設(shè)計(jì)，一路取自UPS并機(jī)輸出，另一路電源取自機(jī)組保安電源。相對(duì)于單機(jī)運(yùn)行，并機(jī)系統(tǒng)的可靠性要高。隨著并機(jī)技術(shù)的發(fā)展，若能徹底解決并機(jī)的環(huán)流問(wèn)題，不失為一種理想的選擇方式。

4 結(jié) 論

圖3 UPS“N+1”配置原理示意圖（以2臺(tái)機(jī)組為例）

圖4 重要熱工負(fù)荷雙路互相備用冗余電源示意圖

提高UPS供電可靠性最根本的是提高單機(jī)運(yùn)行的可靠性，在此基礎(chǔ)上合理配置UPS系統(tǒng)及重要負(fù)荷的電源系統(tǒng)，才能從根本上解決整個(gè)系統(tǒng)的供電可靠性問(wèn)題。另外，有些重要負(fù)荷的電源采用并列運(yùn)行的交直流雙電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)有完善的電源監(jiān)視。由于直流系統(tǒng)的供電可靠性較高，能夠減輕對(duì)UPS供電可靠性的依賴，可以為重要負(fù)荷的供電提供借鑒。