发电企业是技术密集型企业,有着庞大复杂的控制系统和自动调节装置。为了保证机组的安全、稳定及经济运行,要求高质量的供电电源并保证其可靠性。不间断电源装置(UPS)是一种向负载提供优质、高效、可靠交流电源并具有保护、检测和控制功能的供电设备。UPS对于各专业领域的计算机及其网络、通信系统、电力系统、工业控制系统、医疗设备、电子仪器、国防和科研部门等起着关键作用。虽然目前大型UPS单机的平均无故障工作时间已高达20～25万小时,但对于发电企业来说,这样的可靠性仍不能满足其采集、监控及通信系统不间断安全运行的要求。为保证供电系统的高可靠性,近年来发展了多机冗余并联UPS系统。与单机UPS供电系统相比,该系统具有很高的可靠性和十分方便的可维护性,因此在各个领域得到了广泛地应用。浙能北仑发电有限公司厂用电系统UPS就是利用该技术进行了改造,将单机UPS系统改造为“1+1”并联冗余型UPS供电系统,取得了圆满成功。
1.UPS系统改造的必要性
浙江浙能北仑发电有限公司机组配置的交流不间断电源系统UPS，是为计算机监控系统、数据采集系统、重要机、电、炉保护系统、除灰系统及重要电磁阀等符合提供可靠的不间断交流电源。老式的UPS采用单台供电，经过10多年的运行，已经暴露出许多问题，如“瞬时切至旁路电源后又自行恢复至逆变器供电”,“晶闸管绝缘下降导致直流熔丝熔断，UPS停运”等异常现象，严重威胁到机组的安全运行。随着多机冗余并联UPS供电技术的发展和日益成熟，同时为了提高UPS供电的可靠性，公司对原单机供电的UPS进行改造，更换为双机并联冗余UPS供电系统。
2.双机冗余UPS系统的主要功能特点及构成
2.1主要功能特点
两台UPS完全相同,相当于二个UPS模块并联,100%互为备用冗余,大大提高了系统的可靠性。可共用旁路电源,保证在大冲击负载下无扰动切换。每台UPS采用高速DSP数字技术精确计算并联环流,应用快速调节控制逆变器电压和频率使稳态环流保证在1%以内、允许瞬态扰动环流在10%以内的算法,保证并联在一起的逆变器稳态环流很小、发热很少、可靠性很高,又可以承受负载启动变化时瞬态环流的变化而不退出并联运行,即保证在小环流条件下使得并联UPS的电压幅值和频率相同;正常工作时,每台UPS只承担50%的负载电流,它有利于降低单台UPS的故障率。此外,它还具有优良的容错特性:如果在UPS运行中,其中一台UPS出现故障,在并机逻辑控制电路的作用下,它在向用户发出故障信号的同时,自动将故障UPS断开,同时另一台UPS自动承担100%的负载,无需切换至旁路供电,安全可靠性得到了很大的提高,如图1所示。
基于上述分析和大量运行统计资料证明:双机并联冗余供电系统的可靠性要比单机UPS的可靠性提高4～5倍。
2.2主要构成
(1)整流器
整流器的主要功能就是将交流电源转换为直流电源提供给逆变器,逆变器再将直流电源转换为交流电源输出给负载。UPS使用12脉冲的全控整流器,如图2所示。另装有移相变压器,电压总谐波失真可以大大的减少,并且增加了输入功率因数;另增加输入电感器以增强可靠度、降低输入功率和减少谐波电流,大大减少电压总谐波失真。该UPS还加装了额外的低压及高压保护装置，以便于提高可靠性并且在不正常状况发生时关闭整流器。当输入中断或者整流器发生故障而没有直流电源输出给逆变器时，电厂提供的直流电源将为逆变器提供直流输入，并由逆变器提供给负载。
(2)逆变器
逆变器负责将整流器或者电厂直流屏提供的直流电转换为电压幅度和频率精确稳定的交流电以满足电力设备的需要,如图3所示。
逆变器输出电压通过脉宽调制技术产生。逆变器主要由IGBT、电感、电容、缓冲电路、控制电路和保护电路等组成。它能将直流电转换为交流电供负载使用。该UPS采用电压限制电路以保证电压在1%范围内变化。特别是安装了补偿电路以消除输出波形失真。逆变器的每一个组件均能接受(165～285VDC)大范围输入电压,使输出保持在要求范围内的正弦波。此外,由于动态反馈电路的存在,逆变器可以在连接非线性负载的情况下保持正弦波输出。
(3)静态转换开关静态转换开关由晶闸管构成，它可以在极短的时间将负载由旁路电源供给转为由逆变器供给，或由逆变器供给转换为备用旁路供给,如图4所示。
由于在控制电路中增加了检测电路,因此可以完成零时间静态切换。而检测逻辑主要用于控制静态开关何时进行转换。例如,当正常操作模式下输出短路时,UPS将检测到短路信号使逆变器停止工作,静态开关不转换;如果过载在UPS的允许范围内逆变器将转换至旁路供电,这是因为静态开关承受过载的能力强于逆变器。
(4)维修旁路开关
UPS已经把维修旁路开关安装在UPS内部。在正常工作模式下,它是断开的;仅当需要进行设备维修时才接通。为了保障维修人员的安全,在维修UPS内部时,要切断所有的电源才能触碰UPS内部组件进行维修工作。假如在正常工作情况下,激活旁路空气开关,逆变器会自动停止,负载自动转换由旁路电源供应,防止交流电源直接和逆变器相连。此外,请不要在维修旁路开关断开之前将逆变器激活。
3.双机冗余UPS系统在线运行方式按照技术要求设计双机并联运行,每台UPS自带静态旁路开关和手动维修旁路开关,在UPS输出端直接并联输出到负载。每台UPS直流连接到自带220VDC电池组。
(1)当两台UPS主输入电源正常时,整流器提供直流电给逆变器,两台UPS逆变器并联输出,平分负载电流各50%。供电方式如图5所示。
(2)当两台UPS主输入电源故障时,由220VDC蓄电池组向逆变器供电,两台UPS逆变器并联输出,平分负载电流各50%。
(3)当任意一台UPS故障时,该UPS自动退出并联运行状态,其静态旁路开关将其从输出母线隔离,另一台UPS逆变器继续输出,承担全部负载电流。该过程是全自动完成的,对负载无任何扰动。当检修任意一台故障UPS时,并不需要转手动维修旁路,只需要将该UPS的输入、旁路输入、内部直流电池开关、输出开关都打开就可以对该UPS内部进行检修,此时负载仍由另一台正常的UPS供电。
(4)当两台UPS因故退出运行时,负载才转由静态旁路电源供电,逆变器转旁路的时间小于0.5ms,对负载基本无扰动。
(5)当两台UPS同时需要维护检修时,才需要操作转手动维修旁路,保证旁路供电给负载,然后将两台UPS的输入、旁路输入、内部直流电池开关、输出开关都打开就可以对该UPS内部进行检修,此时负载由手动旁路供电,如图6所示。
4.改造效果
此次将原单机UPS系统改造为双机冗余系统,解决了元器件老化容易导致故障的问题,同时,较单UPS系统而言,双机冗余UPS系统的可靠性大幅提升,更可靠地保证DCS等重要负载的不间断供电。双机冗余UPS系统投入运行两年来,一直保持无故障运行,达到了预期的效果。
作者简介
黄斌，男。浙江浙能北仑发电有限公司工程师。毕业于武汉大学电气系统及自动化专业硕士研究生。
