重要負荷供電中的UPS配置技術

閆承山 邱明泉 張立軍 楊佳鈺 郭 琦

（國網北京通州供電公司，北京 101149）

1 重要負荷供電設計方案

出于安全因素的考慮，行政辦公區不采用柴油發電機組作為自備電源，建筑當初設計的空間大小與承重能力不具備安裝固定式飛輪儲能裝置的條件。綜合考慮用戶情況，配置靜態儲能不間斷電源（UPS）配合雙電源自動切換開關（ATS），可滿足重要負荷秒級允許斷電時間、兆瓦級應急電源容量以及30min 持續供電時間的供電需求。該文對不同用戶負荷做如下配置，見表1。

表1 各級別負荷的應急配置

普通負荷采用“雙電源+ATS”的應急供電配置。該普通負荷雙電源來自低壓不同母線，在單路故障的情況下通過ATS 切換至另一路供電。

重要負荷的應急供電配置分2 種情況，對供電要求相對較低的重要負荷采用“雙電源+應急母線+ATS+移動應急電源”的應急供電配置。應急母線與普通母線通過ATS 連接，正常情況下ATS 將應急母線與普通母線連通，與外部電源分斷。當普通母線故障，ATS 將應急母線與普通母線分斷，與外部電源連通。應急母線的作用是將重要負荷與普通負荷進行區分，當普通母線段故障時，通過移動應急電源有選擇性地只為重要負荷繼續供電。

為了滿足在線路失電的瞬間能持續供電，同時抵御電壓波動，在應急母線與負荷之間串聯接入UPS，為供電要求相對較高的重要負荷提供“雙電源+應急母線+UPS+ATS+移動應急電源”的應急供電配置，“雙電源+應急母線+UPS+ATS+移動應急電源”的應急供電配置避免了故障下負荷側ATS 電源切換操作，進而解決了電源切換中電壓暫降導致的負荷閃動問題，同時解決了電壓波動問題。

重要載荷中的供電均應采用2 路獨立路由電源供電，并配置主備電源自動和手動切換開關裝置（可用發電設備作為第二路電源）。不同重要級別的供電應由不同的回路供電。重要負荷的一級重要設備應接入UPS 電源，UPS 電池組后備時間應滿足實際負載工作10min 以上。一級活動在符合二級保障要求的基礎上，所有關鍵設備需采用UPS供電并且UPS 電池組后備時間應滿足實際負載工作至少10min。在實際運用中，雙電源自切電源箱和UPS 電源箱是重要負荷供電最頻繁且最重要的供配電設備。該文采用的UPS 配置方案如圖1 所示。其中，自切電源箱一般用于UPS 前端，能夠實現兩路外部電源的自動或手動切換和電源輸出分配。

圖1 重要負荷供電UPS 配置方案

為提高重要用戶停電應急處理能力，必須在電源上增加一道“防線”，即如果出現大面積停電，備用機組同時發生故障，應急發電車必須適用于救援車的配電部門。設計用戶供配電系統時，必須同時制定外部救援電源運行方案，外部供電系統必須注意3 個方面：行車通道、停車位置和線纜接口設置。1）行車車道。由于供電部門內行駛的發電車輛較多，行車道的寬度、高度和轉彎半徑必須滿足要求。發電機房外置發電機本體移動裝置，如果發電機房位于大門側門，發電機車只需停在側門外即可，無須開進大院。2）停車位置。發電機本體出線電纜長度一般為50m，從停車處到接入點的電纜安裝通道總長度不得超過發電機本體電纜長度。3） 線纜接口設置。接入開關的技術數據必須與發電機本體的電纜連接規格相匹配，本地電源的發電機小車配有通用接口電纜，因此工作人員應按“結束”按鈕退出運行過程。

2 分布式UPS 配置

UPS 是解決供電中斷的有效方法，同時也能抑制電壓暫降。分布式不間斷電源系統支持不間斷電源單元和位于互聯電網中的關鍵負載。為了增加系統的可靠性和可擴展性，通常在電力系統中集成冗余和并行的不間斷電源系統，主要包括線分布式系統和線互動分布式系統。采用在線式UPS 可有效抑制電壓暫降，UPS 的保護時間取決于電池的容量，典型設計為10s~3min。采用后備方式的UPS時，只要轉換速度足夠快，當檢測到電壓暫降發生時，切換開關自動切換到UPS 供電，也能夠有效抑制電壓暫降對設備的影響。

因此，在重要負荷的UPS 配置方案中，首選并行冗余結構來提高可靠性。主要采用N+1 或N+X冗余結構，其中N個不間斷電源單元提供負載，1 個或X個額外的單元保持備用，這樣即具有高度的靈活性和可擴展性。冗余結構通過保留一個或多個不間斷電源單元來保護系統，如果剩余的電源模塊中出現故障或者斷路，保留模塊可以自動連接系統來代替原有單元。冗余結構可以減少單點故障。并行冗余系統通?？梢蕴峁┓浅８叩目捎眯浴３擞蓄~外的不間斷電源模塊，并行冗余系統需要給操作員提供系統級功能來實現人為干預。最簡單的冗余不間斷電源系統是1+1 并行冗余，它由一個帶有備用模塊的集中式不間斷電源組成。具有代表性的并行冗余結構是國網北京市電力公司調控中心D5000 機房供電系統，如圖2 所示。它采用的是2 套1+1 并行冗余結構。圖2 中UPS1 和UPS2、UPS3和UPS4 組成2 套1+1 并行冗余結構，2 套UPS 又再次組成并機雙總線結構，為D5000 調度機房核心設備供電，進而使其供電可靠性達到99.99999%。

圖2 D5000 機房2 套1+1 接線系統圖

3 UPS 配置控制技術

3.1 主動負載分配技術

主動負載分配技術可分為4 種不同的類型，即集中控制、主從控制、平均負載分配以及循環鏈控制。使用這些技術可以生成每個模塊的電流或功率參考值，這很容易根據其額定功率進行控制。

集中控制技術的每個模塊j的電流基準Ij是由總負載電流iL除以模塊數N來獲得，電流參考值減去每個模塊的電流得到電流誤差ΔIj，通過電流控制回路進行處理。集中控制系統通常用于多個輸出逆變器并聯的普通不間斷電源設備。使用這種方法必須要測量總負載電流iL，因此該技術無法應用于大型分布式系統。除此之外還需要配置中央控制板。

主從控制技術由主模塊調整負載電壓，因此主機充當電壓源逆變器（VSI），而從機充當電流源逆變器（CSI）。在這種配置中，如果主單元發生故障，另一個模塊將充當主單元，以避免系統發生整體性故障。根據需要實現的功能，這種控制方案有不同的變體?？梢詫⒅髂K確定為固定模塊，或者可以通過以最大均方根或峰值電流的模塊來固定主電流。用于并聯直流/直流轉換器在第二種情況下通過使用最高的P和Q平均值，可以獲得類似于高峰值電流控制策略的方案。

平均負載分配技術的每個模塊跟蹤所有活動模塊產生的平均電流。該方案通過調整電阻可以并聯不同額定功率的轉換器。這種控制技術源于一種應用于并聯直流轉換器的思想，即使用連接到公共電流總線的電流共享電阻。所有模塊的電流通過公共電流總線進行平均，所有模塊的平均電流是每個單獨模塊的參考。這種控制方案是高度可靠的。此外該方法還具有高度模塊化和可擴展特性。

循環鏈控制由每個模塊的電流基準組成，并形成控制環。第一個單元的當前參考是從最后一個單元的當前參考獲得的，以形成循環鏈連接。為了實現雙向通信和提高系統可靠性，采用并行線路結構。在這種結構下，負載電壓由主模塊控制，而從模塊僅用于分配負載電流。除了主模塊之外，從模塊的當前命令由其前一個模塊生成并且幅度有限。在該方案中任何模塊都可以是主模塊。所有控制電路的連接可以形成循環鏈連接，使每個模塊都可以成為主模塊。

3.2 下垂控制技術

在并聯不間斷電源逆變器的情況下，提供給交流母線的有功和無功功率進行檢測并平均，產生的信號用于調節不間斷電源逆變器輸出電壓參考的頻率和幅度。下垂控制在模塊的物理位置上實現了更高的可靠性和靈活性，因為它只使用本地功率測量。通常情況下，由于線路阻抗的高電感成分和大電感濾波器，因此逆變器輸出阻抗被認為是電感性的。在這種情況下，通過考慮逆變器輸出電壓E和公共交流母線電壓V之間的小相位差φ，可以導出并簡化如公式（1）所示的有功和無功功率表達式。

式中：X 為逆變器的輸出電抗。

從公式（1）可以得出結論，相位角越大，振幅差越大。如果想要負反饋，當P和Q增加時，需要減少φ和E。一種解決方案是在輸出電壓基準中引入下垂參數。通常采用P-ω和Q-V作為下垂參數。實現下垂控制的最簡單表達形式如公式（2）所示。

式中：ω*和E*為空載時的輸出電壓頻率和幅度；m和n為壓降頻率和幅度系數；P*和Q*為有功和無功功率參考。

當并聯UPS 單元時，一般都設置為零（P*=0 和Q*=0）。如果想配置一個恒定的電源共享電力系統，就應該固定從該單元提取的有功和無功功率。公式（1）中顯示了φ和P之間的關系，但在公式（2）中使用的是頻率（ω）而不是φ，這是因為模塊的初始相位值是未知的。使用這種方法時如果壓降系數增加，則以降低電壓調節為代價來實現良好的功率共享。例如，如果頻率和幅度偏差大多分別為2%和5%，這是可以接受的。

4 結論

針對供用電壓暫降和短時供電中斷給重要活動帶來重大影響的問題，該文研究了分布式不間斷電源系統。為提高其可靠性，分布式不間斷電源系統通常采用冗余和并行結構并聯不間斷電源系統的控制方案，具體包括主動負載分配技術和下垂控制方法。一般來說，主動負載分配控制可以分為兩大類，即電流分配控制和功率分配控制。主動均流控制實現了良好的均流和輸出電壓調節，然而它需要高性能的通信技術。通過使用有功功率分配技術，平均有功和無功功率信息必須在本地控制器之間共享。基于下垂的控制技術避免了對關鍵通信鏈路的需要，還能使不間斷電源系統與外部電壓源同步。

最后，該文提出了重要負荷供電中的UPS 配置技術，并詳細闡述了該技術在重要負荷供電中的具體控制方案，對特別重要負荷采用“雙電源+應急母線+UPS+SSTS+移動應急電源”的應急供電配置，使分布式不間斷電源系統能夠替代大型傳統電源系統，成為微電網儲能的合適解決方案。