檢定控制系統UPS電源優化改造

曹然偉

（中國石化天然氣分公司計量研究中心，湖北 武漢 430073）

0 引 言

為了提高流量計檢定的快速性和數據的準確性，保證操作人員時刻了解場站運行情況，國家石油天然氣大流量計量站武漢分站（以下簡稱武漢分站）建立了一套數字化、信息化，同時可以降低人工成本、節約勞動力和降低安全風險的自動檢定控制系統。UPS不間斷電源是武漢分站的關鍵電源設備，可為檢定控制系統提供穩定、不間斷和高質量的電源，確保武漢分站檢定控制系統安全平穩運行[1-3]。

1 改造前UPS電源概況

UPS電源優化改造前曾發生UPS供電閃斷，導致ESD系統誤觸發事件。經查明情況，原因主要有兩方面：（1）農網供電條件惡劣，隨著安山經濟的發展，大功率設備增加，供電電壓波動較大，原設計UPS電源高頻主機不能滿足電壓變化的需求；（2）原UPS電源功能設計缺陷。GB7260-2008《不間斷電源設備》規定，UPS電源要求輸入電壓在220 V（380 V）±20%。原UPS電源高頻主機抗電壓波動能力較差，當外電供電電壓瞬間過低時，UPS電源主機停機保護，導致供電閃斷，誤觸發ESD系統，造成了安全隱患。

2 改造方案的確定

調研相關輸氣站場UPS電源配置情況發現，均采用工業級雙機冗余UPS電源方案，且組織了設計單位、控制系統開發商召開論證會，認為原高頻單機UPS電源方案已不能滿足安全生產的需求，建議更換為工頻雙機冗余UPS電源方案。該方案抗干擾能力強，可靠性高，按其配置的UPS電源使用中從未發生閃斷停機情況[4-6]。

改造后的UPS電源系統由2臺主機（1#主機柜、2#主機柜）、2個電池柜（1#電池柜、2#電池柜）和1個旁路柜組成。冗余式UPS不間斷電源2×20kVA 380 V/380 V單機后備時間為3 h，整機6 h。此系統供電有三路，分別為1#UPS輸入、2#UPS輸入和旁路輸入，三路電均為380 V供電，如表1所示。

表1 改造后UPS電源配置

2.1 改造后UPS電源工作原理

UPS電源主要由輸入開關、整流器、逆變器、輸出隔離變壓器、靜態開關和輸出開關等多個主要部件組成[7-8]。三路輸入電進到旁路柜且旁路輸入到旁路柜后，分為兩路進入1#主機柜、2#主機柜中UPS的旁路輸入；1#UPS輸入、2#UPS輸入分別進入1#主機柜、2#主機柜中UPS主輸入，經過UPS主機后，到達兩臺主機的輸出，結合后為負載供電，如圖1所示。

圖1 改造后UPS電氣系統

由圖1可知，蓄電池通常處于充電狀態，當外電輸入突然斷掉時，逆變器緊急切換到工作狀態，將電池提供的直流電轉變為穩定的交流電輸出。

2.2 改造后UPS電源性能特點

2.2.1 整流器

改造后的UPS電源整流器由新一代數字IGBT器件組成，基于PFC功率因數較正技術，顯著提高了輸入電壓與頻率的范圍。IGBT具有可靠的高速開關能力，在PWM驅動的作用下，輸入電壓被設定在±20%（滿載）-40～+20%（60%負載），輸入頻率為±10%，減少了直流端的紋波，發揮保護電池的作用。IP+輸入功率因數大于0.99，最大限度減少無功電流，直接降低了傳統UPS因輸入功率因數低下而造成的輸入電纜發熱的故障隱患。

2.2.2 逆變器

改造后的UPS電源采用全數字IGBT逆變器，動態響應好，恢復時間快。對負載來說，UPS是一個穩定的電壓源，需要始終為負載提供標準的正弦波電壓。UPS的輸出電壓波形完美，對于線性負載，畸變率小于1%；對于非線性負載，畸變率小于3%，始終能為負載最優質的電源。

與此同時，三十四團還大力發展沙產業。完成了梭梭、肉蓯蓉種植實驗基地建設。2014年，該團引進外資，在九連沙漠地帶，利用地下豐富的水資源，建造梭梭人工林1000畝，在五連荒漠地帶建造梭梭人工林1250畝，截至目前，三十四團在風沙前沿荒漠地區已種植黑枸杞8900畝，梭梭林2250畝。

針對UPS運行過程中出現的意外過載和短路事件，改造后的UPS進一步優化設計了檢測電路、各級保護電路，逆變器具有1.5倍額定電流的過載能力，3.5倍額定容量的故障清除電流。為了嚴格避免短路誤判所引起的負載斷電，在強大的DSP處理器的支持下，診斷分析系統程序會根據輸出電流、電壓和輸出能量的變化，準確區分過載和短路，并在極短的時間內采取相應保護措施，最大限度保護負載運行。

2.2.3 靜態旁路和手動維護旁路

UPS內部，與逆變器并聯安裝了一個靜態旁路，也稱為自動旁路。它的功能是在逆變器過載達到一定時間、逆變器故障或無輸入和溫度過高等情況下，不間斷切換到靜態旁路，保證UPS系統供電的連續性。與逆變器相比，旁路可以提供更高的過載能力和短路故障清除能力。當出現過載或者大電流短路時，為了保護逆變器，需切換到旁路，由旁路處理大短路電流；當過載或者短路消失后，可以自動或者人工切換回逆變器工作。

手動維護旁路與靜態旁路并聯，UPS主機需要維護檢修時可切換到手動維護旁路。當切換到手動維修旁路時，負載直接由市電供電，UPS的整流器、逆變器和靜態旁路都可以脫離。切換到手動旁路和靜態旁路都沒有電源中斷風險，可保證負載正常供電。

2.2.4 輸出隔離變壓器

UPS輸出端有一個內置輸出隔離變壓器，可以達到輸入輸出全隔離的目的，完全避免其相互影響。與傳統UPS不同，此UPS在旁路外端，即使旁路工作時，也可以實現輸入輸出電氣隔離，電網中的浪涌、電壓畸變都不會直接影響到負載。由于隔離變壓器具有衰減高頻諧波的作用，提高UPS的抗諧波能力，降低了UPS的輸出諧波電壓，因此抗干擾能力強。

2.2.5 遠程通信

改造后的UPS可提供多種通信接口，能遠程監控和檢測UPS狀態。此外，當設備發生UPS外部失電、整流器故障、逆變器故障、旁路故障、蓄電池故障、電池檢測故障、通信報警和負載過載短路時，能保護UPS并發出報警。

2.3 改造后UPS電源運行模式

2.3.1 正常運行

正常運行時，每臺UPS主機分別承擔50%負載，輸出同頻、同相、同幅的電壓、電流，如圖2所示。

2.3.2 故障狀態

假設1#UPS電源主機輸入消失或者整流器出現故障，則1#UPS主機自動轉入蓄電池供電，仍然與2#UPS主機分別承擔50%負載，如圖3（a）所示。假設1#UPS電源主機輸入消失，后備蓄電池電量放盡，或者1#UPS電源主機逆變器出現故障，則1#UPS電源主機自動退出并聯冗余系統，由2#UPS電源主機承擔100%負載，如圖（b）所示。

圖2 正常運行電氣系統

圖3 故障狀態下UPS電氣系統

3 結 論

武漢分站檢定控制系統UPS電源采用雙機冗余方案進行改造，解決了之前受外電因素影響導致UPS電源閃斷的問題，且改造至今一直處于安全平穩運行狀態，期間經歷了多次安山電網晃電的考驗。實踐證明，此次雙機冗余UPS電源改造效果良好，提高了武漢分站不間斷電源的穩定性和可靠性，為天然氣流量計檢定工作提供了保障。