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浅谈UPS
浅谈UPS
发表时间:
2002-9-20
作者：
何士忠
摘要：
1 热工自动化专业人员也应关注，熟悉UPS
UPS（UninterruptedPowerSystem），不停电（不间断）电源，是一种比较新颖的电源系统设备。
现今新建125（135）MW及以上单元机组的主厂房热工自动化系统都已采用了分散控制系统，为此按每台单元机组集中设置1套UPS单独成系统。
DCS的系统供电及接地成了控制系统非常重要的两个外围设计项目，UPS的选型及其电源系统的设计直接关系到DCS的正常运行。
可以说，随着控制系统的升级，我们认知了UPS；为了保证先进的控制系统发挥其应有的作用，我们应对UPS予以足够的关注。
其次，投运多年的100MW、125MW机组热工自动化DES改造项目正陆续进行，除了—些本体通流面积扩容改造、厂用电部分电气柜盘相应改造外，都足以热工自动化专业为主体开展工作，并为DC5增设UPS。
因此，我们也应关注、熟悉UPS。
另外，对于众多辅助车间及系统的顺序控制、热工检测，一些大型火电机，组已尝试变过去就地分散的控制方式为网络化的集中（或几个集中点的）控制方式，这也为2000年燃煤示范电厂试点工作首肯，而更多的老电厂、老机组也正在进行这方面的改造工程。
无论是用通信网络组成的PLC控制系统，还是用现场总线及主干通信网络组成的FCS控制系统，也无论控制网络分层分布成何种结构以及L／O链路为何种型式，控制系统的处理器模件都以微处理器为基础，工程设计时网络中各站和节点都由UPS供电。
与主厂房不同的是，UPS不再是集中设置，大多按集中点分散设置，更多采用了机箱式装置或置于电源柜（或主机柜）内，或置于机柜外。
因此，我们理应关注、熟悉UPS。
很显然，UPS的设置已与单机容量的大小没有关联，如果再囿于单机容量为200MW及以上的才应按机组设置UPS也不现实。
同时，UPS可每台机组集中设置，也可分散设置。
笔者以为分散设置不仅指主厂房与辅助车间，也包涵了主厂房机、炉分散设置的可能。
采用功能分散与物理分散的仪表与控制系统已成为新世纪在建及投产的火电厂的共识，从而取消传统的大集控楼及其运转层标高下的电缆夹层，大幅度减小单元控制室面积，电子设备间分散布置已成为必然趋势。
UPS系统为顺应这一趋势，极有可能按机炉分散设置。
我们知道，供电设备、系统应尽量靠近控制设备，切忌低压动力电缆长距离传输。
按美国电气及电子工程师学会（IEEE）定义，小于1KV为低压系统，一般认为220V，AC的传输距离应小于100m。
可见，UPS的选型配置、系统设计与热工自动化仪表与控制系统，工艺对象系统的设计及厂房的布置密不可分。
鉴于这样的认识，尽管UPS的选型、系统设计按专业分工属电气专业范畴，热工专业人员还应关注它、熟悉它。
下面仅就交流UPS的一些问题予以阐述。
2 UPS的系统构成及技术指标
2．1 UPS的系统构成
过去相当长一段时间，对UPS有两种选择：
静态逆变装置及逆变机组。
后者是在厂用直流母线上接2台逆变机组一工一备，系统输出母线上又有交流备用电源。
为了做到不停电的L刀换，切换前都要先并列再退出，系统输出母线上需设置手动同期装置，且其输出电压的谐波失真度无法达到5％，将近10％。
相对前者无多少优势可言，工程设计现在多选用静态逆变装置式的UPS。
静态逆变装置的（Ps通常由整流器、逆变器、静态开关及旁路开关等四部分组成，具体构成如图1、2所示。
图1、2中手动旁路开关触点是在正常运行情况下的状态。
UPS系统正常运行时需要三路输入电源：
主电源、旁路电源及直流电源。
其馈电对象平时即由主电源经过该系统的整流器、逆变器及静态开关供给正常工作电源：
当主电源故障或掉电时，自动改为由蓄电池或直流母线经逆变器及静态开关供电：
当该系统逆变器等或直流电源输入故障时，由切换时间小于5ms的静态开关瞬间转换成旁路电源供电；当UPS需要维修时，又可通过先通后断的手动旁路开关由旁路电源直接向系统的馈电对象供电。
因此，旁路电源与系统输出的电压等级是同一的，图1、2中括弧内、外分别表示了单相、三相UPS。
为保证UPS本身不受外界系统的影响，在整流前及逆变后还应有隔离措施。
与图1、2对应的UPS系统的柜盘及其电缆连接如图3所示。
配电柜可以装设输出馈线装置而成为UB电源的馈电盘，如馈电回路多可以（另外）单独设置馈电盘，或称Um电源分配柜，工程设计中，多半有由热控专业设计的这类分配柜，再以放射形式向各UPS热工负荷馈电。
UPS可以单台及双套设置并联运行，有些进口UPS最多时可四台并联，以提高输出功率及可靠性，但火电厂工程设计并不主张配置备用UPS。
在机组设置交流事故保安电源的工程中，UPS系统的旁路输入电源取自保安段是没有异议的，而系统的整流器输入电源不少工程是取自保安电源的不同段，笔者以为完全可由厂用工作段供给。
交流事故保安电源固然能在厂用电故障（以厂用电失压1秒为标志）时自动投入，但即便进口的快
速起动型柴油发电机组，经过延时确认与15秒的起动时间，通常也要在20秒左右时间里才能带上全部或第一批负荷，而此前UPS系统早巳改由直流逆变供电了。
再说，厂用电因故障不能恢复而要依赖交流事故保安电源供电，与UPS系统改由直流逆变供电且有保安电源作为旁路输入保证不间断投入的目的是—样的，即满足单元机组的安全停机。
既然UPS系统的主电源取自保安段并无什么特殊作用，我们可以把这一供电回路用到其他保安电源负荷上去。
2．2 UPS的技术指标
静态逆变装置式UPS的电压稳定度、频率稳定度及波形失真度，其实均是指UPS系统的逆变器输出而言。
UPS的技术指标主要有：
（1）逆变器输出电压稳定度：
稳态时≯±2％，动态过程（0～100％、100～0％，下同）中≯±10％。
进口UPS稳态时可达±1％，动态过程中可保持±5％的输出（25ms内恢复至1％）。
（2）逆变器输出频率稳定度：
稳态时≯±1％，动态过程中乒≯±2％。
进口UPS本机可达±0．01％，同步频率可达±0．5％。
（3）逆变器输出波形失真度：
≯5％。
进口UPS可≯3％（线性负载）或5％（非线性负载）。
（4）静态开关同步切换时间：
≯5ms。
进口UPS名义上切换时间的数据为Oms。
（5）厂用交流电源中断情况下，UPS应能保证连续供电30min。
这实际上是由输入直流电源的蓄电池组的安时数保证的。
那末，用于机组主要热工监控的DCS对系统供电又有什么要求呢?
首先，DCS对交流供电电源品质（电压稳定度、频率稳定度及波形失真度）要求并不苛刻。
各个品牌的DCS均能在电源额定电压（如120、220或240V）的：
+10%-15%、工频50Hz±1％及波形失真度≤5％的情况下正常工作，有些DCS，如FOXBORO的I／A系统更能在47～63Hz范围的交流电源下工作，可见UPS这方面的指标是绰绰有余的。
其次，DCS对系统供电的连续性，即不间断供电上却有着非常高的要求。
我们虽然还不能说出确切的数据，但当电源中断时间达到数十毫秒的数量级（有人以为50ms是其下限。
因对需要快速处理的控制回路，最短的数字量输入信号扫描间隔时间、最快的顺序处理执行间隔时间均不得超过50ms），这一计算机系统对热工自动化过程已非实时控制的概念。
DCS分散处理单元一旦全部失电，其处理器模件及I／O模件也都失电。
重新受电后，分散处理单元固然能复位——自动恢复工作而无需任何人工干予，但这已是重新初始化后的自动（再）启动。
这一过程简单描述之是这样的：
I／O模件，即使是配置冗余电源的I／O模件在总电源丧失时也将进入存贮状态，输出的NO接点会断开，NC接点会闭合，而1--5V或4--20mA的模拟输出则变会0V或OmA。
相对于正常运行时处理器模件对I／O模件看门狗电路的定时周期刷新，因电源失而复得再工作可以称作超时复位。
另一种情况，则在电源丧失时使输出状态或输出模拟量保持其故障前的最终状态或数值（非零值），执行机构也因此保持系统失电前的最终驱动位置，电源恢复再工作可以称作跳步复位。
这两种复位功能可以在操作员站／工程师站上予先设置。
但不管设定何种复位功能，恢复电源后，分散处理单元的自动再启动都会从第一步，初始化全部输出——达到由当前输入值所规定的输出状态或数值——重新开始执行其全部监控功能。
这一过程当然不能被实时控制系统所接受。
尽管各个品牌的DCS都有自身的电源柜（配电柜），对要求来自UPS及保安段的两路电源作自动切换，为模件供电有些还有自己的UPS（如ABB的PROCONTROLP）或采用整流后直流侧切换方式（如HITACHl6的HIACS-5000）等等，仍要求其主电源由因电源切换的中断时间不大于5ms的UPS供给。
要做到5ms的切换时间，根据现有情况，唯有静态开关。
另外，DCS要求系统供电的是与其他用电负荷的电源系统相隔离的独立电源，UPS正能做到这一点。
综上所述，对用于DCS的UPS，我们更注意UPS在切换时间及隔离措施上的可靠性。
3 UPS系统设计的若干问题
3．1 直流电源输入方式
图1、2的区别在于UPS系统的直流电源输入方式不同：
前者是直接挂在公用直流母线上，需在其直流电源输入端加接隔离二极管（其电流可按最大输出负载及最低直流电压计算得出的电流值的5倍选取，其耐压如直流220V可选1KV，直流400V则选1．6KV），后者则接自专用的蓄电池组。
如果接在厂用直流母线，则一般只能是一组无备用的220V蓄电池组的母线，母线上还会有其他直流负载：
而接人专门配置的阀控蓄电池组（免维护），却使电源系统更具独立性，配置的蓄电池组考虑30分钟的容量以及充电器的动态变化在±10％以内也能满足要求了。
目前工程中选用较多的还是后一种。
无论哪种方式的直流电源输入，以进口UPS为例，UPS系统稳压工作时，逆变器前的直流电源输入一般要求为Ue+20%-15%，极限工作时为Ue+25%-25%，即165～275V。
3．2 旁路电源输入方式
工程设计中，UPS系统的旁路电源输入侧要不要加设隔离措施，要不要稳压柜呢?
我们知道，若旁路电源电压超出标准．UPS的静态开关则会拒绝旁路电源向负载供电，势必造成供电中断，因此旁路电源的质量对LIPS系统来说是至关重要的。
就其系统输入，各UPS厂商均有一定的要求。
还以进口UPS为例，交流（主、旁路）电源输入一般要求为Ue+10%-15%之间不等。
从系统工作的可靠性、安全性及其输出电源的品质来看，旁路
电源侧加设隔离、稳压设施均是有利的。
同时，作为UPS最主要的供电对象——DCS需要的正是隔离变压器或UPS这样的提供良好隔离设备的电源，能有效地把控制系统与非控制系统的负载隔离，免除控制系统电源的“污染”而确保控制系统的性能。
再者，UPS系统输出多为中性点接地的380V三相四线制系统或一线接地的220V两线制系统，如果与低压厂用电系统一致的交流保安电源的中性点非直接接地而以三相三线制供电时，un系统旁路电源输入侧的这个隔离变压器将非设不可，以使二次侧中性点直接接地，满足绝大多数DCS需要的接地交流220V电源。
当然隔离变压器与交流稳压器的设置将削口一些投资（约占UPS的15％），但这可以通过采用国产的稳压柜、配电柜来控制投资的过份增加
3．3 逆变器结构型式及控制方式
从图1、2的构成示意图中不难看出，逆变器在UPS系统里是一个十分关键的部件，UPS更新换代很突出的即是演绎在逆变器结构型式的变革上。
其型式从过去使用相当长时间的可控硅，到先前的大功率晶体管，再到新近推出的绝缘栅双极型晶体管（1GBT）。
下面简述后两种器件工作原理上的差别，再定性地推导出IGBT的主电路（SPWM）如何使UPS的性能会有明显的提高。
图4、5是这两种器件组成逆变器主电路的示意。
这两种电路的主要区别在于所采用的开关器件：
大功率晶体管乃是电流型器件，当be极段间有电流通过，则ce间导通，反之则断开。
这一导通到断开需要一定的时间，影响了这种开关器件的工作速度，令逆变器主电路的工作速度仅1．6KHz。
而IGBT是电压型器件，它是典型的数字控制器件，当Uge=1（5V）时ce间导通，Uge=0时ce间截止。
由于没有电流流过ce间，这种开关器件的工作速度大为提高，令逆变器主电路的工作速度达9KHz。
工作频率的大为提高，具有明显的优点：
第一，逆变器体积减小。
从理论上说，工作频率提高与逆变主变压器体积减小成正比，体积在同等情形下因此可以缩小至1／5。
同时，由于工作频率提高，使逆变主变压器输出波形的高次谐波分量大大减小，从而令LC滤波器体积减小。
第二，对提高UPS动态特性有利。
我们知道，系统的动态特性与该系统中的惰性环节有关，而作为隋性环节主体的变压器、电抗器及电容器由于工作频率提高而使其参数量值在同等情形下减小，必然大大提高整个系统的动态特性。
第三，噪音减小，效率提高。
逆变主变压器、滤波器量值变小以及驱动电路简化，减小了噪音，柜前1m处噪音指标〈60db；又提高了效率，有些品牌UPS在100％满负载时≥95％，而且SPWM逆变器的UPS都变模拟控制为数字控制，通过其RS232和RS485接口可实现通信和远程监视。
3．4 单相及三相UPS的选择
火力发电厂UPS系统的供电对象无论电气还是热控几乎全是单相负载，然而过去工程中也常有选用三相输出的UPS（以下简称三相UPS），近期则普遍选用单相UPS。
前述可知，作为UPS的主要组成部分的逆变器，其结构型式随着电力半导体设备的发展在不断的变革。
早先UPS的电力半导体部件采用的还是可控硅，由于其输出容量小，为了满足负荷要求选用了三相UPS。
在同样容量的情况下．负荷可以增加3倍。
而当时能选用的单相UPS标称容量只有50--60KVA，其内部元器件也都使用至规格的极限，若要再增大容量的话，UPS的成本将成几何级数递增。
三相UPS有其自身不足之处：
其一，三．相负荷不容易平衡。
某相负荷过大，会导致整个UPS的过负荷，而使其退出正常工作。
所以，一般三相UPS对负荷不平衡系数（率）都有指标要求（当然现在也有一些制造厂商推出了自称负荷不平衡系数接近100％的产品）。
于是，为了防止UPS单相过负荷，势必要增加设备容量选择的裕度，也就增加了UPS的容量及投资。
再说，三相UPS的负荷不平衡系数即使得以保证，在控制系统电源
中若使用多个不同相的单相电源，稍有不慎就会发生误将380V引入控制盘（柜）内等事故，陡增电源系统的不安全性。
其二，三相UPS的控制系统比单相UPS复杂。
加上其它因素，三相与同容量单相UPS相比，价格要高。
其三，三相UPS体积大，增加现场布置难度及相应上建费用。
随着逆变器的主要部件——电力半导体设备的发展，现在更有绝缘栅双极型晶体管替代大功率晶体管，单相UPS的容量可以做得更大，工程设计时按负荷需要选择的自由度大为增加，用户日益普遍。
4 单元机组UPS的容量需求
UPS系统热工自动化用电负荷的最大对象是机组的分散控制系统。
根据控制系统的功能规模、I／O及硬件配置，以及以往工程的实践，一艘地说，对DCS的UPS电源负荷可以作出一个比较确切的估计。
对4功能（DAS、MCS、SCS及FSSS）的DCS，其UPS的负荷容量大体如表1所示。
其次，LIPS系统的热工自动化用电负荷还有未被分散控制系统涵盖的DEH、MIEH等机柜以及ETS、TSI柜盘，单元控制室的炉机监控盘、火灾报警盘等及炉机就地热工自动化仪表装置设备。
这部分负荷容量大体如表2所示。
除此之外，UPS还有一些电气负荷。
所以，目前工程中UPS的容量配置如表3所示。
所列部分柜盘及就地设备的UPS负荷数据，均是以DCS及相关厂商系统设计部门提出的电源负荷为依据。
占UPS容量很大比重 的DCS负荷，DCS厂商对其设备供电要求中几乎都有“每一路供电容量最小为其最大负载的166％”，一说，而一些电厂的DCS投运后，据测算系统实际稳态负荷约为标称负荷的60％左右，似乎也在印证这一说法。
《火力发电厂分散控制系统技术规范书》中也明确，系统正式投运时的最终容量应使电源尚有30～40％的余量。
试分析这一供电负荷余量存在的必要，无外乎内外部这样两重主要因素：
外部是应系统以后扩展之需，DCS本身的机柜槽位及UO测点，再有模件柜及操作员站的处理器处理能力就都留有各自相应的余量。
内部则出于承受供电对象故障时的冲击负载及切换时的冲击电流的考虑。
DCS在我国火电厂热工自动化领域的应用经过二十年的实践，已经取得十分可贵的成功经验，特别是在300MW机组上。
就系统范围、硬件配置、功能扩展（目前又集中在电气纳入及SIS的建立上）及其他而言，这在新建工程DCS设计上也并非不可子期的。
这一外部因素明朗了，对由于内部原因可能出现的问题的把握也就透彻了。
因此，上述DCS硬件及电源配置上余量的取值也会更趋合理，向最佳的技术经济比靠近。
综上所述，为DCS配置的UPS容量，现今还应有30～40％的电源余量。
5 UPS选型简介
下面试从两个方面简单介绍UPS的选型：
一是多用于主厂房的UPS系统，二是多用于辅助车间及系统的小型机箱式UPS装置。
5．1 UPS系统
作为系统的UPS，除了国产的尚有一些制造厂引进生产的产品，如青岛整流器厂引进丹麦SILCON（秀康）系列的。
火电厂大型发电机组工程的UPS系统设计时选用更多的是进口系列产品，可选的有美国BESTPOWER集团的BORRIE2001／E3001、美国EXIDE-IPM以及美国新普利斯公司、爱德华公司等产品，还有新加坡SAFTNIFE、以色列C且MATRONIC公司、英国F．C．WLLSON司、法国SOCOMEC公司及日本三菱重工株式会社等产品。
表4以BOILRIE2001／E3001、SAFTNDE及EXIDE—IPM产品为例，对UPS的主要技术性能指标作一比较。
美国BESTPOWER集团是世界著名的UPS制造跨国公司，也是目前世界上UPS电源技术最为领先的三大企业巨头之一。
它的产品以技术先进、操作简便、可靠性高（MTBF>2X105小时）而被广泛选用。
它的产品型号命名如下：
表5是其产品规格表。
柜体型号相应的柜体外形尺寸如表6所示。
5．2 小型机箱式UPS装置
这类电源装置一般有在线式、后备式及 在线互动式之分：
在线式含义与UPS系统相似，负载始终由UPS装置供电；后备式的负载平时由输入的市电供电，只是在输入电源故障时才由UPS装置供电；而在线互动式则介于上述两者之间，负载平时也由输入的市电供电，但当其电源品质（如电压）不符要求时，改由UPS装置供电。
价格上，在线式最贵，在线互动式次之，后备式最便宜。
工程设计用于辅助车间顺序控制系统的电源装置时，建议选用在线式，至少是在线互动式的UPS装置。
目前这类电源装置厂商还为在绌式、在线互动式推出电源监控软件，在CRT上图形显示即时的UPS状态，可以根据工程实际需要选择合适版本的软件。
表7是SANTAK公司的CASTEL（城堡，系列在线式UPS装置产品的技术性能规格。
表8是PCM公司KING（PRO）（王牌）系列 在线互动式UPS装置产品的技术性能规格。
以上两种系列的在线式、在线互动式UPS装置均可依实际需要外接电池箱，延长供电时间。
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