功果橋電廠機組UPS優化改造研究

武孔松 黃金亮 馮建偉

[摘 ? ?要] ?由于功果橋電站原機組UPS系統于2012年投運，使用克勞瑞德有限責任公司開發的Chloride Active A 16 kVA UPS該系統存在主機故障導致交流輸出中斷、無蓄電池單體電壓檢測系統、蓄電池充放電試驗不合格等諸多問題，因此文章提出了功果橋電站機組UPS改造解決方案，首先執行了原機組UPS負荷統計，確定了新改造的機組UPS交直流電源接取方案，確定新安裝機組UPS的配置原則及原理圖設計，對新安裝后的機組UPS電源進行切換試驗驗證，并分析了新安裝的機組UPS的優點。

[關鍵詞]UPS系統;優化;研究;配置原則;原理圖

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Research on Optimum Transformation of UPS System of Gongguoqiao Power Plant

Wu Kong-song，Huang Jin-liang，Feng Jian-wei

[Abstract]Since the UPS system of the original unit of Gongguoqiao Power Station was put into operation in 2012， the Chloride Active A 16 kVA UPS （hereinafter referred to as UPS） system developed by Cloride Co.， Ltd. was used. There are many problems such as the battery cell voltage detection system and the unqualified battery charge and discharge test. Therefore， a solution for the transformation of the UPS system of the Gongguoqiao power station is proposed. DC power supply access plan， determine the configuration principle and schematic design of the UPS system of the newly installed unit， carry out the switching test verification of the UPS power supply of the newly installed unit， and analyze the advantages of the UPS system of the newly installed unit.

[Keywords]UPS; system; optimization; research; configuration principle; schematic diagram

UPS是一種含儲能裝置，以整流器、逆變器為主要組成部分，為變電站內監控系統、自動化儀表、遠方通信系統等設備提供恒壓恒頻的不間斷電源。UPS包含整流器和逆變器，是1種儲能裝置，同時也是恒壓恒頻的電源裝置。當主電源供電正常時，UPS作為穩壓器給負載供電，同時對蓄電池進行充電;當電源供電中斷時，UPS作為備用電源，通過蓄電池對負載供電，保證設備維持正常工作。電力UPS系統一般由電力UPS主機、旁路穩壓柜、輸出饋線柜3個部分組成，UPS提供的是220 V的交流電源，用于DCS、NCS監控用電腦，保護裝置的打印機、熱工DCS電源柜等重要設備需要的交流220 V持續供電，避免因失電給電廠造成巨大損失。

從圖1可以看出，UPS有3種供電電源，即電源1、電源2和蓄電池組。電源1為主電源供電，UPS在正常工作模式下采用電源1供電，電源1經過整流充電器和逆變器對負載進行供電，同時也對蓄電池組進行充電。當電源1供電模式出現故障，如逆變器輸出電壓故障、整流充電器發生故障等，靜態旁路的靜態開關自動閉合，電源2通過靜態旁路對負載進行供電。如果電源1和電源2同時發生故障，則啟用應急供電模式，即蓄電池組供電。一般來說，應急供電模式下所供電的負載是相對重要的計算機及通信設備等，因此需要通過控制負載開關來調整負載的優先級順序。

功果橋電站原機組UPS系統于2012年投運，使用克勞瑞德有限責任公司開發的Chloride Active A 16 kVA UPS（以下簡稱“UPS”），安裝位于水輪機層機組技術供水控制柜盤旁。原機組UPS為單主機、單電源、單母線運行方式，不滿足南方電網調度自動化系統不間斷電源配置規范的要求，不滿足反措要求。同時系統缺少通訊模塊，無法與監控后臺及蓄電池進行通訊，監控后臺無法采集相關信息。因此需對機組UPS進行改造，完善配置，實現冗余配置要求。

1 功果橋電廠原機組UPS系統存在的問題

功果橋電站原UPS為單主機、單電源、單母線運行方式。市電正常時，整流器啟動，同時充電器給電池組充電，在UPS開機前，輸出電壓為旁路電壓，市電通過旁路給負載供電。開機后電子轉換開關將負載與逆變輸出相連，市電經過整流/PFC電路后輸出直流電給逆變電路，經過逆變電路變換輸出純凈的正弦波交流電，通過電子轉換開關提供給負載。市電異常時，電池電壓經過整流/PFC電路升壓后輸入給逆變電路，經過逆變電路變換輸出純凈的正弦波交流電，通過電子轉換開關提供給負載。市電恢復正常后，UPS自動從電池模式切換回正常模式，市電仍然經過整流/PFC電路后輸出直流電給逆變電路，通過電子轉換開關提供給負載。該系統主要存在以下問題：

（1）該UPS為單主機配置，市電旁路輸入、蓄電池直流輸入、交流輸出均必須通過主機，一旦主機故障則交流輸出中斷，直接影響機組的正常運行。

（2）該UPS使用兩組440 V蓄電池組并聯輸入主機，蓄電池多且蓄電池柜布置不合理，蓄電池層間距過小，在專業人員開展放電試驗時需要將手伸入蓄電池間，有觸電的風險。

（3）無蓄電池單體電壓監測系統，在設備運行過程中無法查看蓄電池單體電壓情況，不能滿足設備安全穩定運行的要求。

（4）在2018—2019年度檢修期，對蓄電池組核對性放電試驗不合格，不能滿足運行要求。因該UPS系統技術較為落后，主機模塊需要輸入440 V直流電源才能逆變出380 V交流輸出，現場使用兩組440 V蓄電池組并聯輸入主機，機組直流系統為220 V直流系統，不能向UPS主機提供該電壓等級的直流輸入，所以拆除蓄電池直接從機組直流系統取電并不能解決問題，由于蓄電池價格高，而原UPS主機技術落后，因此對原蓄電池進行全部更換的意義不大。

2 功果橋電廠機組UPS系統解決方案

因原機組UPS存在較多問題，因此對原機組UPS進行更換改造，拆除原機組UPS及蓄電池，安裝新的UPS系統，實現冗余配置要求，新系統不再單獨配置蓄電池，與目前機組直流系統共用蓄電池。

2.1 原機組UPS柜負荷功率

對原機組UPS柜負荷功率進行統計，約為5 kW，見表1。

2.2 確定新安裝UPS交直流輸入電源接取方案

考慮負荷主要為工控機等電子設備功率因素取0.6，則實際負載P=5/0.6=8.3 kW，UPS容量S=P/0.8=10.5 kV·A，因此新安裝的機組UPS系統容量選取為15 kV·A，由整流器、逆變器、靜態旁路切換開關、手動維修旁路開關、監控單元、通信接口設備組成。

經核實機組直流系統實際負荷電流為15 A，機組直流系統額定輸出電流60 A，完全滿足機組UPS取電需求，因此機組UPS直流電源取自機組直流系統，不需要單獨再配置蓄電池，節約了改造成本。

UPS電源的交流電源輸入和旁路電源輸入應采用兩路電源經自動切換裝置切換的供電方式，兩路交流輸入電源應分別來自400 V機組自用電a、b段交流母線。

2.3 確定新安裝機組UPS的配置原則及原理圖設計

（1）UPS由在線式不間斷電源和交/直流輸入單元、交流輸出單元等設備組成。

（2）在線式UPS由整流器、逆變器、靜態旁路切換開關、手動維修旁路開關、監控單元、通信接口組成。

（3）交/直流輸入單元由交流輸入自動切換裝置、交流輸入斷路器、旁路輸入斷路器、直流輸入斷路器、防雷器等組成。

（4）交流輸出單元由交流輸出斷路器、交流饋線開關、測量表計等組成。

（5）UPS采用多模塊帶旁路設計，構成冗余供電系統。

（6）手動維修旁路開關QF6正常在分閘位置，不能合閘，設置了防誤操作的閉鎖措施（上鎖）。

（7）設計新安裝UPS原理圖如圖2所示。

2.4 新安裝機組UPS的電源切換試驗驗證

（1）模擬交流輸入電源故障（斷開機組UPS交流輸入電源QF1開關），UPS由交流輸入電源供電切換至由直流系統經逆變器供電，切換時間應為0ms;模擬交流輸入電源恢復正常（合上機組UPS交流輸入電源QF1開關），UPS自動由直流系統供電切換至由交流輸入電源供電，切換時間應為0 ms。

（2）模擬交流輸入電源及直流輸入電源均故障（同時斷開機組UPS交流輸入電源QF1開關、直流電源輸入QF2開關），UPS電源旁路靜態切換開關IPB自動切換至交流旁路輸入電源供電（QF3為旁路電源輸入開關），切換時間小于4 ms;模擬電源故障恢復后，UPS電源自動切換至逆變器IPM輸出供電，切換時間小于4 ms。

2.5 改造后機組UPS優點

（1）改造后的UPS應采用多模塊帶旁路設計，構成冗余供電系統。

（2）改造后的UPS設置了手動維修旁路QF6開關，在機組UPS停電檢修時（斷開QF1、QF2、QF3、QF5開關），合上手動維修旁路QF6開關后，機組UPS所帶負荷不會因檢修而失電，負荷供電可靠性得到了很大的提高。

（3）改造后的UPS的交流電源輸入和旁路電源輸入采用兩路電源經自動切換裝置切換的供電方式，兩路交流輸入電源分別取自機組自用電a、b段交流母線，即使一路交流電源失電后，另外一路交流電源也能正常供電運行。

（4）改造后的UPS電源在機組直流系統取了一路直流電源，即使兩路交流電源同時消失的情況下，也能通過直流電源逆變后輸出交流電源，正常為機組UPS所帶負荷供電。

（5）改造后的UPS不需要配置蓄電池組，直流輸入電源取自機組直流系統，從相對來說更為經濟。同時因為沒安裝蓄電池，因此不用再開展機組UPS蓄電池充放電試驗、檢修、維護工作，解放了人力資源，達到了經濟、省心、省時、省力的效果。

（6）改造后的UPS配置了智能型監控器，能夠對逆變器實現自動監測和控制。監控器還能與電站監控后臺進行通信，及時將機組UPS報警信息上送監控后臺，有利于運行人員及時發現運行問題并安排人員處理。

（7）改造后的UPS配置液晶顯示屏，人機界面好，可以觸屏操作，可通過LCD實時監控系統運行狀態、設置系統運行參數、查詢當前及歷史告警信息，模塊提供干接點、RS232、RS485、以太網口等通訊方式。

（8）逆變器IPM采用模塊式設計，支持自主均流、支持模塊并聯運行及同步運行控制要求，滿足并實現6模塊并聯系統的冗余設計方案，支持帶電熱插拔，當單個模塊故障時，可以直接取下故障模塊進行故障處理，其余模塊正常運行，對負荷供電不會造成影響。

（9）當交流輸入電源故障時，UPS由交流輸入電源供電切換至由蓄電池組經逆變器供電，切換時間為0 ms;當交流輸入電源恢復正常后，UPS自動由蓄電池組供電切換至由交流輸入電源供電，切換時間應0 ms，由此說明新安裝的機組UPS系統有很好的供電連續性，切換過程中不會出現電源中斷的現象，切實保障了機組UPS所帶重要設備的安全穩定運行。

3 結語

本次功果橋電站機組UPS優化改造后，解決了原UPS主機故障導致交流輸出中斷、無蓄電池單體電壓檢測系統、原UPS無冗余配置等問題。并且新改造的機組UPS不需要加裝蓄電池，直流輸入電源取自機組直流系統，達到了經濟、省心、省時、省力的效果。經過2年的運行檢驗，新安裝的機組UPS運行可靠。

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