功果桥电厂机组UPS优化改造研究

武孔松 黄金亮 冯建伟

[摘    要]  由于功果桥电站原机组UPS系统于2012年投运，使用克劳瑞德有限责任公司开发的Chloride Active A 16 kVA UPS该系统存在主机故障导致交流输出中断、无蓄电池单体电压检测系统、蓄电池充放电试验不合格等诸多问题，因此文章提出了功果桥电站机组UPS改造解决方案，首先执行了原机组UPS负荷统计，确定了新改造的机组UPS交直流电源接取方案，确定新安装机组UPS的配置原则及原理图设计，对新安装后的机组UPS电源进行切换试验验证，并分析了新安装的机组UPS的优点。

[关键词]UPS系统;优化;研究;配置原则;原理图

[中图分类号]TM621 [文献标志码]A [文章编号]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是一種含储能装置，以整流器、逆变器为主要组成部分，为变电站内监控系统、自动化仪表、远方通信系统等设备提供恒压恒频的不间断电源。UPS包含整流器和逆变器，是1种储能装置，同时也是恒压恒频的电源装置。当主电源供电正常时，UPS作为稳压器给负载供电，同时对蓄电池进行充电;当电源供电中断时，UPS作为备用电源，通过蓄电池对负载供电，保证设备维持正常工作。电力UPS系统一般由电力UPS主机、旁路稳压柜、输出馈线柜3个部分组成，UPS提供的是220 V的交流电源，用于DCS、NCS监控用电脑，保护装置的打印机、热工DCS电源柜等重要设备需要的交流220 V持续供电，避免因失电给电厂造成巨大损失。

从图1可以看出，UPS有3种供电电源，即电源1、电源2和蓄电池组。电源1为主电源供电，UPS在正常工作模式下采用电源1供电，电源1经过整流充电器和逆变器对负载进行供电，同时也对蓄电池组进行充电。当电源1供电模式出现故障，如逆变器输出电压故障、整流充电器发生故障等，静态旁路的静态开关自动闭合，电源2通过静态旁路对负载进行供电。如果电源1和电源2同时发生故障，则启用应急供电模式，即蓄电池组供电。一般来说，应急供电模式下所供电的负载是相对重要的计算机及通信设备等，因此需要通过控制负载开关来调整负载的优先级顺序。

功果桥电站原机组UPS系统于2012年投运，使用克劳瑞德有限责任公司开发的Chloride Active A 16 kVA UPS（以下简称“UPS”），安装位于水轮机层机组技术供水控制柜盘旁。原机组UPS为单主机、单电源、单母线运行方式，不满足南方电网调度自动化系统不间断电源配置规范的要求，不满足反措要求。同时系统缺少通讯模块，无法与监控后台及蓄电池进行通讯，监控后台无法采集相关信息。因此需对机组UPS进行改造，完善配置，实现冗余配置要求。

1 功果桥电厂原机组UPS系统存在的问题

功果桥电站原UPS为单主机、单电源、单母线运行方式。市电正常时，整流器启动，同时充电器给电池组充电，在UPS开机前，输出电压为旁路电压，市电通过旁路给负载供电。开机后电子转换开关将负载与逆变输出相连，市电经过整流/PFC电路后输出直流电给逆变电路，经过逆变电路变换输出纯净的正弦波交流电，通过电子转换开关提供给负载。市电异常时，电池电压经过整流/PFC电路升压后输入给逆变电路，经过逆变电路变换输出纯净的正弦波交流电，通过电子转换开关提供给负载。市电恢复正常后，UPS自动从电池模式切换回正常模式，市电仍然经过整流/PFC电路后输出直流电给逆变电路，通过电子转换开关提供给负载。该系统主要存在以下问题：

（1）该UPS为单主机配置，市电旁路输入、蓄电池直流输入、交流输出均必须通过主机，一旦主机故障则交流输出中断，直接影响机组的正常运行。

（2）该UPS使用两组440 V蓄电池组并联输入主机，蓄电池多且蓄电池柜布置不合理，蓄电池层间距过小，在专业人员开展放电试验时需要将手伸入蓄电池间，有触电的风险。

（3）无蓄电池单体电压监测系统，在设备运行过程中无法查看蓄电池单体电压情况，不能满足设备安全稳定运行的要求。

（4）在2018—2019年度检修期，对蓄电池组核对性放电试验不合格，不能满足运行要求。因该UPS系统技术较為落后，主机模块需要输入440 V直流电源才能逆变出380 V交流输出，现场使用两组440 V蓄电池组并联输入主机，机组直流系统为220 V直流系统，不能向UPS主机提供该电压等级的直流输入，所以拆除蓄电池直接从机组直流系统取电并不能解决问题，由于蓄电池价格高，而原UPS主机技术落后，因此对原蓄电池进行全部更换的意义不大。

2 功果桥电厂机组UPS系统解决方案

因原机组UPS存在较多问题，因此对原机组UPS进行更换改造，拆除原机组UPS及蓄电池，安装新的UPS系统，实现冗余配置要求，新系统不再单独配置蓄电池，与目前机组直流系统共用蓄电池。

2.1 原机组UPS柜负荷功率

对原机组UPS柜负荷功率进行统计，约为5 kW，见表1。

2.2 确定新安装UPS交直流输入电源接取方案

考虑负荷主要为工控机等电子设备功率因素取0.6，则实际负载P=5/0.6=8.3 kW，UPS容量S=P/0.8=10.5 kV·A，因此新安装的机组UPS系统容量选取为15 kV·A，由整流器、逆变器、静态旁路切换开关、手动维修旁路开关、监控单元、通信接口设备组成。

经核实机组直流系统实际负荷电流为15 A，机组直流系统额定输出电流60 A，完全满足机组UPS取电需求，因此机组UPS直流电源取自机组直流系统，不需要单独再配置蓄电池，节约了改造成本。

UPS电源的交流电源输入和旁路电源输入应采用两路电源经自动切换装置切换的供电方式，两路交流输入电源应分别来自400 V机组自用电a、b段交流母线。

2.3 确定新安装机组UPS的配置原则及原理图设计

（1）UPS由在线式不间断电源和交/直流输入单元、交流输出单元等设备组成。

（2）在线式UPS由整流器、逆变器、静态旁路切换开关、手动维修旁路开关、监控单元、通信接口组成。

（3）交/直流输入单元由交流输入自动切换装置、交流输入断路器、旁路输入断路器、直流输入断路器、防雷器等组成。

（4）交流输出单元由交流输出断路器、交流馈线开关、测量表计等组成。

（5）UPS采用多模块带旁路设计，构成冗余供电系统。

（6）手动维修旁路开关QF6正常在分闸位置，不能合闸，设置了防误操作的闭锁措施（上锁）。

（7）设计新安装UPS原理图如图2所示。

2.4 新安装机组UPS的电源切换试验验证

（1）模拟交流输入电源故障（断开机组UPS交流输入电源QF1开关），UPS由交流输入电源供电切换至由直流系统经逆变器供电，切换时间应为0ms;模拟交流输入电源恢复正常（合上机组UPS交流输入电源QF1开关），UPS自动由直流系统供电切换至由交流输入电源供电，切换时间应为0 ms。

（2）模拟交流输入电源及直流输入电源均故障（同时断开机组UPS交流输入电源QF1开关、直流电源输入QF2开关），UPS电源旁路静态切换开关IPB自动切换至交流旁路输入电源供电（QF3为旁路电源输入开关），切换时间小于4 ms;模拟电源故障恢复后，UPS电源自动切换至逆变器IPM输出供电，切换时间小于4 ms。

2.5 改造后机组UPS优点

（1）改造后的UPS应采用多模块带旁路设计，构成冗余供电系统。

（2）改造后的UPS设置了手动维修旁路QF6开关，在机组UPS停电检修时（断开QF1、QF2、QF3、QF5开关），合上手动维修旁路QF6开关后，机组UPS所带负荷不会因检修而失电，负荷供电可靠性得到了很大的提高。

（3）改造后的UPS的交流电源输入和旁路电源输入采用两路电源经自动切换装置切换的供电方式，两路交流输入电源分别取自机组自用电a、b段交流母线，即使一路交流电源失电后，另外一路交流电源也能正常供电运行。

（4）改造后的UPS电源在机组直流系统取了一路直流电源，即使两路交流电源同时消失的情况下，也能通过直流电源逆变后输出交流电源，正常为机组UPS所带负荷供电。

（5）改造后的UPS不需要配置蓄电池组，直流输入电源取自机组直流系统，从相对来说更为经济。同时因为没安装蓄电池，因此不用再开展机组UPS蓄电池充放电试验、检修、维护工作，解放了人力资源，达到了经济、省心、省时、省力的效果。

（6）改造后的UPS配置了智能型监控器，能够对逆变器实现自动监测和控制。监控器还能与电站监控后台进行通信，及时将机组UPS报警信息上送监控后台，有利于运行人员及时发现运行问题并安排人员处理。

（7）改造后的UPS配置液晶显示屏，人机界面好，可以触屏操作，可通过LCD实时监控系统运行状态、设置系统运行参数、查询当前及历史告警信息，模块提供干接点、RS232、RS485、以太网口等通讯方式。

（8）逆变器IPM采用模块式设计，支持自主均流、支持模块并联运行及同步运行控制要求，满足并实现6模块并联系统的冗余设计方案，支持带电热插拔，当单个模块故障时，可以直接取下故障模块进行故障处理，其余模块正常运行，对负荷供电不会造成影响。

（9）当交流输入电源故障时，UPS由交流输入电源供电切换至由蓄电池组经逆变器供电，切换时间为0 ms;当交流输入电源恢复正常后，UPS自动由蓄电池组供电切换至由交流输入电源供电，切换时间应0 ms，由此说明新安装的机组UPS系统有很好的供电连续性，切换过程中不会出现电源中断的现象，切实保障了机组UPS所带重要设备的安全稳定运行。

3 结语

本次功果桥电站机组UPS优化改造后，解决了原UPS主机故障导致交流输出中断、无蓄电池单体电压检测系统、原UPS无冗余配置等问题。并且新改造的机组UPS不需要加装蓄电池，直流输入电源取自机组直流系统，达到了经济、省心、省时、省力的效果。经过2年的运行检验，新安装的机组UPS运行可靠。

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