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中大型UPS在电厂的应用案例

  l.电源配置分析

  交流电源的选取是UPS系统规划设计中的重要一环。优化最佳方案,应从UPS工作原理上进一步分析。UPS蓄电池的充电器与逆变前的整流器同是三相半控桥,其功能是相似的。整流器承担着UPS的经常性负荷。充电器给蓄电池浮充电,且与蓄电池并列作为整流器的后备。旁路电源则是逆变器的后备,检修旁路作为UPS的后备。据此,可以得出UPS系统电源配置的一般原则:

  (1)整流器与充电器的电源应分别接至不同交流母线。

  (2)旁路与整流器电源分开接不同交流母线。

  (3)检修旁路与UPS旁路电源也应错开接不同交流母线。

  当UPS装置故障、逆变器检修或市电系统发生事故,UPS装置静态开关应切换至旁路运行。

  某发电厂用电3台变压器分别接于厂用电6kVA段、6kVB段母线,l#厂用变接于6kVA段、保安A段供电,2#、3#厂用变接于厂用电6kVB段、保安B段供电,3#厂用变还可以自投为l#变压器所接的工作A段、保安A段供电,380V工作A段及保安A段优于工作B段及保安B段。

  鉴于此,充电器接至工作B段;整流器接至保安A段。检修旁路和UPS旁路接至220V保安B段,如图1所示。将UPS和检修旁路的多路电源不重复的更合理的接至本机组不同的变压器和不同的低压母线上,机组事故解列后可能出现不同电源系统的频率不等,为了防止静态开关因不同步不能切换,或UPS与检修旁路的切换因不同步而失败,这些电源应接入本机组同网络低压系统,而不宜接入公用系统或其他机组系统。

  

  图1某发电厂300MW机组UPS系统

  2.UPS输出与旁路电源的相位

  逆变器输出的单相交流电压与旁路电源的单相交流电压应该同步,才能并列转换。不论旁路取自交流的哪一相,逆变器都可以调整输出电压,与旁路电压同频同相。

  发电机组的自动控制系统的通道柜(DPU)及发电机组的计算机监控系统等电子设备由双电源供电,如图2所示。这是晶闸管反向并联而成的二进一出的三端网络,UPS优先供电。UPS母线失电压或欠电压至一定值时,控制回路触发旁路侧的双向晶闸管,便其交替导通,并关断UPS侧的晶闸管,由旁路继续供电。这时的切换是先并后切,UPS电压正常后的自动回切也是先并后切。显然,在电压的相位和频率上,若UPS输出侧与旁路侧不一致,转换瞬间将短路或因差压大而产生很大的冲击电流,导致站内供电中断及元件损坏。

  

  图2双电源供电

  3.检修旁路的两路电源

  检修旁路的两路电源来自不同的变压器,作为检修旁路的备用电源可采用交流接触器联锁自投方式,即可保证供电系统的可靠性,还可以降低DPU和计算机站失电的概率。

  4.UPS装置的冗余配置

  使用UPS的目的主要是为了不中断系统供电和隔离来自电网的各种干扰,UPS装置本身已有蓄电池和充电器冗余备用,旁路电源只是在逆变器输出故障情况下暂时起作用。若计算机系统各站主机硬件,带有自保护功能,旁路电源系统应该简化。

  逆变器是UPS系统的"瓶颈",逆变器的控制部分故障率相对较高。可以考虑一套UPS装置配两套独立的逆变器。双逆变配置比旁路稳压器或两套UPS装置的方案更合理、实用、简单。

  电厂的热控重要负荷需要接入UPS母线,而最重要的负荷(DPU和计算监控系统)则由UPS和旁路双侧电源自动切换供电。

  UPS装置的配置力求科学合理。提高UPS的可靠性不能过多依赖增加备用设备,而要从维护和管理上下工夫。冗余太多令装置复杂化,投资增加,利用效率却很低,故障率也可能更高。

  (1)整流器(充电器)输出容量。UPS容量的优化设计的前提是详细的负荷计算。负荷计算时需要搜集负荷的同时率、功率因数、经常性电流和最大可能的冲击电流等资料。UPS设备的功率关系如图3所示。

  

  图3UPS设备的功率关系

  UPS的逆变器设有过载保护,输出电流超过(1.2~1.25)In时,将自动切换至旁路供电。为了避免多台负载同时启动叠加冲击电流,频频出现切换及回切,而使主回路元件不至于过热而降低可靠性,UPS容量应留有足够的余地是必要的,但容量富裕应适度。逆变器UPS输入功率为

  P2=UDC×IDC

  式中P2——逆变器输入功率,VA;

  UDC——逆变器输入的电压,V;

  IDC——逆变器输入电流,A。

  整流器输入视在功率为

  

  由于各环节存在损耗,整套UPS的效率是比较低的。如果UPS的容量选择过大,实际负荷偏低,利用率低,效率则更低。

  在充电器己选定输出功率65kW情况下,参照上述公式,计算得整流变输入容量为87.3kVA。鉴于整流、逆变各环节交直流侧P,U,I等参数换算与整流、逆变的方式、线路及负荷等有关,准确计算比较复杂,作为容量选择应采用工程计算法。

  (2)UPS蓄电池的选择。以日本汤浅公司生产的QFD-250型,250Ah,碱性蓄电池为例,180节蓄电池的浮充电压为1.35V×l80二243V,均充电压为1·47VXI80=264.6V。对于一般直流系统其直流电压偏高,会缩短继电器、信号灯等元件寿命,应减少蓄电池。

  在蓄电池放电试验中,电荷量Q=250Ah蓄电池,以2h率电流放电(Q/2h=125A),有时放电不到0.5h电压就跌至210V,主要原因是蓄电池个数偏少。逆变器输入210V跳闸时,单个蓄电池电压为210V/171=1.23V。蓄电池以0.5Q/h电流放电,允许终止电压为l.05V,l.23V以下的有效容量未充分利用。查QFD蓄电池放电系数k=0.5h-1的放电电压曲线,当蓄电池降至1.23V的时间约2Omin,与前述试验结果相符。为此蓄电池加装至186个。验算其放电至210V时,单个蓄电池仍有210V/186=1.13V,查k=0.5h-1放电电压曲线,放电可持续约1.5h。

  设计计算逆变器输入电流,即蓄电池放电电流计算值应为245A,考虑UPS蓄电时间0.5h,此时的电压1.17V不是蓄电池的终止放电电压。蓄电池放电系数为

  k=IDC/Q=245/250=0.98h-1

  查0.98h-1≈h-1放电电压曲线,得终止放电电压为1.03V。防止个别落后蓄电损坏,留有余地,终止放电电压取Upn=1.03V×l.04=1.07V。蓄电池个数n最低输入电压UDCmin与蓄电池终止放电电压Upn之比,即

  n=210/1.07=196

  验算应满足条件:

  1)放电0.5h后的单个蓄电池电压应不小于蓄电池的终止放电电压。

  2)放电0.5h后的整组蓄电池电压应不小于逆变器最低输入电压。

  3)放电至逆变器最低输人电压时单个蓄电池电压应不小于蓄电池的终止放电电压。

  4)放电时间不小于3Omin。

  经验算,n=196满足上述条件。

  由于UPS的逆变器设置了低电压保护,为了充分发挥蓄电池容量,希望UPS蓄电池的个数多一点,放电至逆变器低电压跳闸时的单个蓄电池电压低一点,以延长放电时间;而为了保护蓄电池,蓄电池个数应少一点,放电后期单个蓄电池的电压才不至于过低,以防止过放电。设计中应适当地处理这一矛盾。

  蓄电池放电时间与蓄电池个数密切相关。在输出电流245A,选定25OAh蓄电池条件下,若选196只,可以放电46min,单个蓄电池电压至1.07V时放出76%容量(190Ah);若选186只,至210V/186=1.13V时,放出49%容量(122.5Ah),可以放电30min;若选180只,单个蓄电池电压至1.17V时只能放出28%容量(70Ah),持续时间仅有17.Zmin,达不到期望值30min。由此可见,充分的容量还要搭配足够的个数,才能发挥蓄电池应有的效能。

  (3)逆变器输入电压的选择。逆变器输入电压的范围与蓄电池、充电器的选型有关。逆变器输入端与蓄电池及充电器的输出端连接,中间一般设隔离二极管。逆变器正常输入电压应高于蓄电池正常浮充和均衡充电时的整组电压,蓄电池才不会轻易放电。

  为了防止蓄电池过放电,逆变器必须有低电压保护。这一保护定值就是逆变器输入电压的下限,它直接决定着蓄电池个数及直流系统电压,也影响着蓄电池容量。

  逆变器输入电压的上限制约着蓄电池的初充电和均衡充电。如选QFD型蓄电池196只,长期浮充电压为1.35V×l96=264.4V,超过了220V×(1+10%)的范围,元件寿命大降;均充电压为1.47V×196=288V,初充电压为1.63V×196=319V,已高于逆变器输入电压的上限280V,初充和均充时必须退出蓄电池,而且也超出了GZKC2型充电器输出电压的上限310V。此外,整流器输出电压实际值只有278V,有时还出现波动。基于上述考虑,蓄电池仅加装至186只是比较合适的。

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