UPS電源應(yīng)用分析

1 UPS電源設(shè)備的發(fā)展

 不間斷電源(Uninterruptible Power System簡(jiǎn)稱(chēng)UPS)從60年代的動(dòng)態(tài)UPS到今天的靜態(tài)UPS已走過(guò)了30多年的路程。60年代的UPS是采用柴油機(jī)—電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，平時(shí)由市電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，再由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電。當(dāng)市電停電時(shí)，控制電路切斷市電線路和電動(dòng)機(jī)，利用飛輪的慣性，使發(fā)電機(jī)組繼續(xù)供電，同時(shí)立即啟動(dòng)柴油機(jī)，當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，柴油機(jī)離合器與發(fā)電機(jī)聯(lián)上，完成由市電到柴油發(fā)電機(jī)的切換，這種不間斷電源稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)型不間斷電源，也叫動(dòng)態(tài)不間斷電源或動(dòng)態(tài)UPS。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，1960年以后，采用了大功率逆變技術(shù)和強(qiáng)電流電子開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換。這種電能轉(zhuǎn)換電路，不論是主電路還是其他控制電路，均采用半導(dǎo)體固體器件，故稱(chēng)固態(tài)不停電電源或靜止型不停電電源，簡(jiǎn)稱(chēng)靜態(tài)UPS。

靜態(tài)UPS的歷史雖然不長(zhǎng)，但發(fā)展速度很快，近兩年的UPS比80年代初期的UPS有了很大發(fā)展。在功率結(jié)構(gòu)方面，進(jìn)入90年代，IGBT技術(shù)已成為近幾年UPS的發(fā)展趨勢(shì)。在控制技術(shù)方面，80年代的UPS主要是采用模擬控制，它是利用有限的微處理器技術(shù)，輔助于模擬量的反饋回路，以其采樣值與設(shè)定的參數(shù)值比較而生成一個(gè)誤差信號(hào)，并去周期性修正驅(qū)動(dòng)回路，以求得穩(wěn)定之輸出，這就是最初級(jí)的最簡(jiǎn)單的PWM技術(shù)之功能。進(jìn)入90年代，數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)，即采用軟件編程方式。這種控制方式使元器件更精少，硬件線路更簡(jiǎn)化，可靠性更高，瞬態(tài)反應(yīng)能力更強(qiáng)。而IGBT應(yīng)用于大容量UPS后，使整體系統(tǒng)的效率更高(逆變器效率可達(dá)98％～99％)，開(kāi)關(guān)速度更快，輸出波形更好，諧波更小(小于1％～2％)，噪音降低，控制回路更簡(jiǎn)單。

靜態(tài)UPS的基本框圖如圖1所示。

圖1 靜態(tài)在線式UPS結(jié)構(gòu)框圖

隨著開(kāi)關(guān)器件水平的提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，UPS正在向智能化的方向發(fā)展，也就是借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，充分利用硬件和軟件的各自特點(diǎn)，使UPS智能化。智能化的UPS不僅能夠完成普通UPS所能完成的全部工作，還能對(duì)運(yùn)行中的UPS進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨時(shí)將采樣點(diǎn)的狀態(tài)信息送人計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，一方面獲取UPS運(yùn)行的有關(guān)參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，從中分析電路的工作是否正常。當(dāng)UPS發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行故障診斷，指出故障的部位，給出處理方法，自動(dòng)顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)，自動(dòng)記錄有關(guān)異?；蚬收系男畔ⅰＶ悄芑腢PS除完成正常的控制工作外，還能在UPS發(fā)生故障時(shí)，采取必要的應(yīng)急控制動(dòng)作。智能化的UPS除能按照產(chǎn)品指標(biāo)自動(dòng)定期地進(jìn)行自檢并形成自檢記錄外，還能用程序控制UPS的啟動(dòng)或停止?？梢噪S時(shí)向計(jì)算機(jī)輸入信息或從計(jì)算機(jī)獲取信息。

近10年間，UPS發(fā)展速度很快，應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速擴(kuò)展，已經(jīng)成為“計(jì)算機(jī)的生命線”，“是電腦及其它先進(jìn)儀器不可缺少的電源保護(hù)天使”。

2 UPS在煉油廠的應(yīng)用過(guò)程

我們?cè)邶R魯石化煉油廠應(yīng)用UPS是從三機(jī)、重整等裝置的三端口UPS開(kāi)始的。1989年安裝的意大利siel公司的三端口UPS，其核心部分是有一個(gè)雙向變換器(既逆變又整流)。這種UPS主要由市電、整流／逆變器、蓄電池組、三端口變壓器構(gòu)成，其框圖如圖2所示。

圖2 三端口UPS結(jié)構(gòu)框圖

三端口UPS具有市電輸入端口、整流／逆變器輸入端口、輸出端口，俗稱(chēng)三端口。三端口UPS與在線式UPS的工作方式有很大不同。首先是它的整流／逆變器處于同一電路，整流／逆變器既有市電輸入，又有逆變輸出，同時(shí)又給電池充電。從圖1可以看出，在線式UPS要經(jīng)過(guò)二次變換，即交流→直流→交流→負(fù)載。而三端口UPS經(jīng)過(guò)一次變換就供給了負(fù)載。其次，三端口UPS所使用的變壓器，不是一般的穩(wěn)壓變壓器，而是一個(gè)鐵磁諧振變壓器，這樣，當(dāng)初級(jí)電壓變化時(shí)，次級(jí)電壓基本維持不變；逆變器在市電正常情況下也工作，沒(méi)有切換時(shí)間，并在控制電路的作用下，調(diào)整逆變器輸出電壓的幅度與相位，保證逆變器輸出電壓的穩(wěn)定；在市電不正?；虬l(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)由蓄電池作為輸入電源繼續(xù)向負(fù)載供電，保證負(fù)載不間斷地穩(wěn)定工作。三端口UPS逆變器的輸出電壓頻率不夠穩(wěn)定，帶非線性負(fù)載的能力也比較差，但成本較低。從1996年開(kāi)始，煉油廠采用了具有先進(jìn)電子技術(shù)的在線式UPS，如：法國(guó)梅蘭日蘭、德國(guó)Siemens、意大利best等30套。在線式UPS的含義是：即使在電網(wǎng)電壓正常供電時(shí)，UPS的輸出也是將外來(lái)電壓經(jīng)過(guò)本身的加工轉(zhuǎn)換后再供給負(fù)載。也就是說(shuō)，即使是在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，市電也是經(jīng)過(guò)變壓器→整流濾波→逆變器→開(kāi)關(guān)S3(S3閉合，S2斷開(kāi)，見(jiàn)圖1)→輸出。這種UPS將市電隔離。在市電正常時(shí)，過(guò)濾市電，供給負(fù)載純凈的電源。在市電不正?；虬l(fā)生故障時(shí)，UPS以蓄電池組為輸入電源繼續(xù)向負(fù)載供電，保證負(fù)載連續(xù)不斷地穩(wěn)定工作。所以，負(fù)載即使是實(shí)時(shí)控制信號(hào)，也不會(huì)因市電中斷而出現(xiàn)丟失或差錯(cuò)。它之所以具有這樣的性能，其根本原因是：它有一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)和能量的變換裝置，將市電隔離過(guò)濾后再供給負(fù)載純凈的電源。一旦市電異常，依靠這些儲(chǔ)能和能量變換裝置，繼續(xù)向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源，以實(shí)現(xiàn)不間斷供電的要求。

UPS推廣應(yīng)用如此之快，使電腦及其敏感的先進(jìn)設(shè)備有了純凈電源的支持，提高了儀表電源的質(zhì)量，保證了電源的穩(wěn)定、不間斷、無(wú)干擾。

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3 UPS應(yīng)用新思路

在UPS設(shè)備更新?lián)Q代、電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的同時(shí)，對(duì)UPS的應(yīng)用目的也在發(fā)生變化，這是隨著供電質(zhì)量的提高悄悄進(jìn)行的。由于當(dāng)時(shí)的電網(wǎng)技術(shù)不成熟，停電事故經(jīng)常發(fā)生，最初的UPS主要是作為后備電源，通過(guò)增大蓄電池容量的方法，延長(zhǎng)UPS后備時(shí)間達(dá)1～2h。從1994年開(kāi)始，供電質(zhì)量有了明顯提高，大面積的全停電事故基本杜絕。這時(shí)，UPS的主要任務(wù)是克服電源電壓波動(dòng)及凈化儀表電源，其后備時(shí)間規(guī)定為15min(滿負(fù)載狀況下維持后備時(shí)間15min，一般地，UPS的負(fù)荷率在30％左右，后備時(shí)間還要長(zhǎng)些)。這樣，對(duì)UPS的要求更高，不僅要達(dá)到后備電源的基本作用，還要在穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、去除諧波、抗干擾等方面發(fā)揮積極作用。

4 提高UPS供電可靠性的措施

目前，UPS設(shè)備質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到令人滿意的程度，因UPS本身質(zhì)量原因?qū)е碌耐ｋ娛鹿试絹?lái)越少?，F(xiàn)在的主要課題就是搞好UPS的外圍配置和及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。在這方面，電氣分廠做了一些有益的嘗試，取得了比較理想的結(jié)果。

齊魯石化煉油廠的裝置都是雙回路供電，單獨(dú)某一回路的異常不會(huì)引起裝置大的波動(dòng)。由于UPS是有后備時(shí)間的，特別在UPS后備時(shí)間減少的情況下，必須保證UPS有比較可靠的輸入電源。因此，我們將UPS的輸入電源改為雙電源互投方式，電源的切換是自動(dòng)完成的，保證把正常的一路電源送給UPS。充分利用UPS先進(jìn)的自檢、報(bào)警及通訊功能，把報(bào)警信號(hào)輸人操作室DCS，任何異常情況都可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在事故擴(kuò)大之前就可以采取相應(yīng)措施。

“蓄電池是UPS的心臟”。據(jù)統(tǒng)計(jì)：由于蓄電池故障引起UPS不能正常工作的比例幾乎超過(guò)70％。在正常情況下，蓄電池處在浮充狀態(tài)，UPS檢測(cè)直流環(huán)節(jié)的電壓，并與負(fù)荷電流比較，計(jì)算出實(shí)際的后備時(shí)間。但蓄電池電壓與直流環(huán)節(jié)并聯(lián)在一起，直流電壓正常并不表示蓄電池完好，比如，蓄電池開(kāi)路或某一節(jié)蓄電池內(nèi)阻增大等故障現(xiàn)象，依靠UPS內(nèi)部軟件就不能判斷。針對(duì)這種情況，我們?cè)诼?lián)合裝置UPS上安裝了“蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)儀”，實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池內(nèi)阻，因?yàn)殡姵厝萘坎蛔慊蛸|(zhì)量變壞，最可靠的檢測(cè)辦法就是檢查其內(nèi)阻值的大小。如2001年4月三機(jī)UPS在電網(wǎng)出現(xiàn)瞬間停電時(shí)，就是因?yàn)槠潆姵亟M中有一節(jié)電池出現(xiàn)問(wèn)題，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)瞬間為逆變器供電，導(dǎo)致主風(fēng)機(jī)及煙機(jī)和汽輪機(jī)停機(jī)。事后檢查該節(jié)電池嚴(yán)重虧容，內(nèi)阻很大，對(duì)于電池組而言相當(dāng)于開(kāi)路。內(nèi)阻檢測(cè)儀設(shè)定為每天檢測(cè)一遍所有電池的內(nèi)阻，同時(shí)還針對(duì)所用電池的規(guī)格型號(hào)設(shè)定了內(nèi)阻范圍，如出現(xiàn)電池內(nèi)阻增大，超過(guò)設(shè)定的范圍則會(huì)發(fā)出報(bào)警信息；不僅如此，檢測(cè)儀還可以檢查電池的其它運(yùn)行參數(shù)，如浮充電流、電壓、放電電流、單節(jié)電池電壓等，可以幫助我們很好的了解運(yùn)行電池組的狀態(tài)，其效果比較理想。如2002年2月，檢測(cè)儀檢測(cè)出聯(lián)合裝置1號(hào)UPS的電池組中的5號(hào)電池內(nèi)阻超標(biāo)，當(dāng)時(shí)測(cè)量值為22MΩ，而其它電池的內(nèi)阻在17MΩ左右，于是我們便開(kāi)始注意此節(jié)電池的運(yùn)行情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此電池的內(nèi)阻不斷變大，最后達(dá)到25MΩ，于是我們將其進(jìn)行了更換。通過(guò)放電試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其容量確實(shí)不足。另外，我們每季度還用便攜式儀器復(fù)試數(shù)據(jù)，通過(guò)前后數(shù)據(jù)比較，確定UPS是否正常。

對(duì)于特別重要的裝置采用雙機(jī)并聯(lián)方式，當(dāng)一臺(tái)UPS故障時(shí)，另一臺(tái)可以繼續(xù)擔(dān)負(fù)全部負(fù)載的供電，以實(shí)現(xiàn)更高一級(jí)的不間斷供電要求。

5 待進(jìn)一步完善的措施

不間斷并不意味著UPS沒(méi)有故障或絕對(duì)的不間斷供電，但它可以將重要負(fù)載因供電中斷造成的停機(jī)率下降到設(shè)備所能允許的程度。在目前情況下，已能使平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)，甚至5a以上。

為了達(dá)到不間斷供電的目的，還可以從設(shè)備裝置上采取措施。如圖3，聯(lián)合裝置UPS是雙機(jī)并聯(lián)，DCS所用24 V直流電源也是多電源互備方式，這兩個(gè)環(huán)節(jié)的供電都是非?？煽康模珒刹糠值慕Y(jié)合點(diǎn)處卻是單回路，是一瓶頸點(diǎn)，故障機(jī)率比較大，影響裝置正常生產(chǎn)。

圖 3 現(xiàn)在運(yùn)行電路

如果改為圖4所示的供電方式，整個(gè)供電途徑都是雙回路，很明顯，供電可靠性大大提高。

圖4 修改后的電路

另外，上海石化、金陵石化等公司采取的“UPS風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)”模式也是一種提高安全供電的措施。其實(shí)質(zhì)就是減少單臺(tái)UPS的供電范圍，用多臺(tái)UPS分別承擔(dān)供電任務(wù)，在故障機(jī)率相等的情況下，某一臺(tái)UPS故障所導(dǎo)致的停電范圍減小，不致引起整個(gè)裝置全部癱瘓。

參考文獻(xiàn)

（1） 王其英.不間斷電源UPS剖析與應(yīng)用 北京：科學(xué)出版社

（2） 郁百超.不間斷電源領(lǐng)域的新突破第十四屆全國(guó)電源技術(shù)年會(huì)論文集