UPS原理论文(自己)

中国海洋石油丽水作业公司 UPS 原理与应用 中国海洋石油丽水作业公司 前言 由于应用领域中关键设备的急剧增加 使得与电力质量和可用性密切相关 的问题变得前所未有的重要了 配电系统中的干扰 间断 停电 电压跌落 等 等 会造成设备在运行中的重大损失或带来安全上的危险 为了避免重要设备在 电能质量问题的骚扰下造成的损失 不间断电源 UPS 当然地成为了电力保护 系统中解决方案的核心部分 它们提供高质量 高可用性的电力 并且融入了 既与电力环境兼容 又与计算机环境兼容的先进的通信系统 本文主要对 UPS 的基本应用原理做了一个分析讲解 其中包括 UPS 基本构 式 基本技术指标 PW 系列 UPS 的操作以及日常故障维护等内容 第一章 电网的质量问题 1 1 国家电网质量标准 中国海洋石油丽水作业公司 随着工业水平的不断发展 生产中的工业设备对供电可靠性的要求越来越 高 表 1 中为国家对电网质量定出的一个标准 表表 1 1 2 常见的电网干扰 标准编号标准编号标准名称标准名称允许限值允许限值说明说明 GBGB 1252512525 9090 供电电压允许偏差供电电压允许偏差 1 1 35KV35KV 及以上为正负偏差之和不超过及以上为正负偏差之和不超过 10 10 2 2 10kV10kV 及以下三相供电为及以下三相供电为 7 7 3 3 220V220V 单相供电为单相供电为 7 7 10 10 衡量点为供用电权分界处或电能计量点衡量点为供用电权分界处或电能计量点 电压变动电压变动 d d 的限值和变动频度的限值和变动频度 r r h 1h 1 有关 当 有关 当 r 1000r 1000 时 对于低压时 对于低压 LV LV 和中压和中压 MV MV d 1 25d 1 25 4 4 对于高压 对于高压 HV HV d 1d 1 O O 3 3 对于 对于 随机不规则的变动 随机不规则的变动 d 2d 2 LV LV MV MV 和和 d 1 5d 1 5 HV HV 闪变限值如下表 闪变限值如下表 系统电压等级系统电压等级 LVLVMVMVHVHV PstPst1 10 9 1 0 0 9 1 0 0 80 8 P1tP1t0 80 80 7 0 8 0 7 0 8 0 60 6 GBGB 23262326 20002000 电压波动和闪变电压波动和闪变 注注 1 1 括号中的值仅适用于所有用户为同电压级场合 括号中的值仅适用于所有用户为同电压级场合 2 2 PstPst 为短时间闪变 为短时间闪变 P1tP1t 为长时间闪变 为长时间闪变 此标准为此标准为 GBGB 1232612326 9090 修订版修订版 1 1 衡量点为电网公共连接点衡量点为电网公共连接点 PCC PCC 2 Pst 2 Pst 每次测量周期每次测量周期 10min10min 取实测 取实测 9595 概率值 概率值 几每次测量周期几每次测量周期 2h2h 不得超标 不得超标 3 3 规定限值分三级处理原则 提供预测计算方法 规定限值分三级处理原则 提供预测计算方法 规定测量仪器并给出典型分析实例 规定测量仪器并给出典型分析实例 各级电压谐波电压限值 各级电压谐波电压限值 电压 电压 kVkV THDTHD 奇次奇次偶次偶次 0 380 385 54 42 2 6 6 1010 4 43 23 21 61 6 3535 6666 3 32 42 41 21 2 1101102 21 61 60 80 8 GB TGB T 1454914549 9393 公用电网谐波公用电网谐波 注注 1 1 220kV220kV 电网参照电网参照 110kV110kV 执行 执行 2 2 表中 表中 THDTHD 为总谐波基变率为总谐波基变率 1 1 衡量点为衡量点为 PECPEC 取实测 取实测 9595 概率值 概率值 2 2 对用户允许产生的谐波电流提供计算方法 对用户允许产生的谐波电流提供计算方法 3 3 对测量方法和测量仪器作出对测量方法和测量仪器作出 基本规定 基本规定 4 4 对同次谐波随机性合成提供对同次谐波随机性合成提供 算法算法 GB TGB T 1554315543 19951995 三相电压允许不平三相电压允许不平 衡度衡度 1 1 正常允许 正常允许 2 2 短时不超过 短时不超过 4 4 2 2 每个用户一般不超过 每个用户一般不超过 1 3 1 3 1 1 各级电压要求一样 各级电压要求一样 2 2 衡量点为衡量点为 PCCPCC 取实测 取实测 9595 概率值或日累计超 概率值或日累计超 过不超过过不超过 72min72min 且每 且每 30min30min 中超标不超过中超标不超过 5min5min 3 3 对测量方法和测量仪器作出对测量方法和测量仪器作出 基本规定 基本规定 4 4 提供不平衡度算法 提供不平衡度算法 GB T15945GB T15945 19951995 电力系统频率允许电力系统频率允许 偏差偏差 1 1 正常允许 正常允许 0 2Hz 0 2Hz 根据系统容量可以放宽到根据系统容量可以放宽到 0 5Hz 0 5Hz 2 2 用户冲击引起的频率变动一般不得超过 用户冲击引起的频率变动一般不得超过 0 2Hz 0 2Hz 对测量仪器提出了基本要求对测量仪器提出了基本要求 中国海洋石油丽水作业公司 在电力供应中 电网的干扰各式各样并且时有发生 下面对各种干扰以及 其主要起因 特征以及造成的后果做一个简单地描述 1 频率波动 造成频率的不稳定的原因主要有 发电机组的调整 发电机组的运行失调 频率不稳定的电源 主要的扰动偏差为 5 6 10s 时间间隔的平均值 这些变化超出了某些仪表和计算机的容限范围 通常为 1 因此 可能会 导致数据的错误或丢失 2 间断 电源的间断主要表现为电压完全消失 且电压消失的时间在 10ms 之内 主要可能是由于大气条件 切换 故障 电网施工等原因引起 电压的间断可 能会导致运行故障和数据的丢失 计算机系统 或者生产中断 连续处理过程 3 停电 停电事故在我们日常生活中时有发生 它主要是由于大气条件 切换 故 障 意外事故 电网施工的造成电压在一个周期以上的完全消失 这样会造成 机器停机并危及人身安全以及数据的丢失或生产中断 4 电压跌落 电压的有效值下降至低于额定值的 90 以下 但大于 0 并且持续 10ms 1min 之内恢复到大于 90 主要由负载波动造成 同样也可能造成机 器停机 数据丢失等事故 5 欠电压 电压下降持续几分钟到数天 造成数据等的丢失以及设备的老化停机 1 3 UPS 对于电网稳定的重要作用 随着工业水平的不断发展 生产中的工业设备对供电可靠性的要求越来越 高 然而 一般的供电方式很难满足其要求 供电线路 供电设备以及供电系 统中的任何器件的故障都可能导致电压的不稳定或者断电 而这种临时性的电 压不稳定或者停电 往往会对设备以及生产质量造成很大的损害 甚至可能会 中国海洋石油丽水作业公司 造成人员的伤亡 例如 敏感工业处理过程 其中控制监视系统中的任何一个 故障可能就可能导致停产 机场和医院 设备的故障或不正常运行可能意味着 严重的生命威胁 我们海上石油生产过程中 如果断电 大部分的控制系统将 会面临失控的危险 从而无法保障各个设备在安全可控的条件下运行 进一步 加大了安全事故的发生率以及事故的危险性 为了保障电能质量的不间断性以及稳定性 不间断电源 UPS 就成为了 电力保护系统中解决电源稳定性方案中的核心部分 UPS 常常与其它的电源产品配套使用 例如 有源谐波调节器 静态切换 开关 智能配电盘等等 它们组合在一起对敏感性电气装置中面临的各种电源 保护的问题提供了完整和有效的方案 也正因为这些电源产品的配套使用 使 得 UPS 能够提供高质量 高可用性的电力供应 并且同时融入了既能与电力环 境兼容 又能与计算机环境兼容 进而被广泛应用于各大工业生产中 极大程 度上的保障了生产过程中人以及设备的安全可控 近年来 因为 UPS 系统故障导致机组停电的事故屡有发生 例如 2006 年 1 月 28 日 兰州石化公司石油化工厂 1 台 UPS 控制板故障停电造成裂解 装置停运 而后整个石化厂生产停运 并因突然停车造成裂解气压缩机故障 损失 重大 由此可见 UPS 在工业生产中扮演着不可或缺的角色 尤其对于像油气化 工这些重要的能源行业 因为工业自动化程度高 所以大量使用的 DCS 控制系 统及仪表系统等 而这些系统对电源的连续性要求特别高 因此 拥有一个稳 定的电源系统对其生产意义非常重大 1 4 UPS 改善电能质量 UPS 不间断电源 是专门设计用来满足敏感型负载供电需求的电力装置 自二十世纪七十年代首次推出以来 它的重要性与数字化技术的发展保持着同 步的增长 UPS 是位于电力系统和敏感负载之间的电力装置 它提供的电力比电力系 统提供的电力可靠得多 并能满足于敏感型负载对电力质量和可用性方面的要 求 中国海洋石油丽水作业公司 按照设计 双转换式静态 UPS 为负载提供的正弦波电压应具有 1 高质量 因为它是经过再生和调节的 幅值 1 频率 0 5 2 排除了电力系统的所有骚扰 由于两次电力形式的转换 特别是市电 中的间断和停电 由于电池的存在 第二章 UPS 的原理 UPS 主要由电池 充电器 逆变器 静态开关 手动旁路维修开关组成 1 整流 充电器 由可控硅三相全控整流桥功率电路和相应的控制电路组成 它将电源 1 输 入的交流电变换成直流电 供给电池组充电及逆变器的输入 2 逆变器 由 IGBT 逆 变功率电路和相应的控制电路组成 它将整流 充电器输入的 直流电 变换为正弦交流电供给负载 3 旁路静态开关 由反并联的可控硅功率电路和相应的控制电路组成 它实现负载在逆变器 与旁路电源 2 之间的不间断切换 4 电池电路 由可充电的电池组组成 将直流能量贮存在电池组中 当电源 1 停 电或超 限时 向逆变器电路释放能量 以对负载进行后备式的供电 5 手动旁路维修开关 当逆变器 整流器等 UPS 故障需要停机维修时 就可以闭合旁路维修开关 隔离 UPS 进行检修 2 1UPS 的工作原理 这里 我们主要对一种最常用的方式 双转换方式做一个介绍 其原理图 如图 2 1 所示 双转换式 Double Conversion 又称为在线式 On Line 其主 要有三种运行方式 中国海洋石油丽水作业公司 图图 2 1 1 正常运行方式 正常运行方式 提供给负载的所有电力都经过整流 充电器和逆变器的双重 转换 AC DC AC 双转换模式因此而得名 整流器 充电器对电池进行浮充 电以保持电池处于满充状态 图图 2 2 中国海洋石油丽水作业公司 2 电池后备运行方式 市电停电或超限 电池放电工作方式 当交流输入电压超出 UPS 允许的容 限范围或市电中断时 逆变器和电池无间断地投入 继续为负载供电 UPS 将 持续运行直到电池放电时间终止 或在市电恢复正常时回到正常运行方式 图图 2 3 3 旁路运行方式 当停止逆变器时 负载可以无间断地切换到旁路交流输入 根据安装方式的 不同由市电或后备电源供电 引起旁路运行的原因可能是 UPS 内部故障 负 载电流瞬变电流尖峰 冲击电流或故障电流 人为停止逆变器 图图 2 4 中国海洋石油丽水作业公司 4 维修运行方式 UPS 维修时 通过手动的方式将负载无间断地切换到维修旁路 这样可以 将 UPS 的内部进行隔离 在不中断负载的运行的情况下对 UPS 进行维护和维修 整流器 充电器 逆变器和静态开关被关闭并从主电源隔离出来 电池被其 保护性断路器隔离 图图 2 5 第三章 丽水 36 1 平台 UPS 简介 丽水 平台 我们平台使用的 UPS 是梅兰日兰公司 GALAXY 1000PW 系列三进单出单相 电源输出型设备 额定功率 32KW 容量 视在功率 40KVA 共两台 主要给 平台中控 通讯报房 火气系统 电网跳闸保护回路等重要设备供电 目前平 台 2 台 UPS 都在使用共同带载 采用单机并联冗余在线运行的方式 输出交流 230V 和 115V 两种电压等级供用户使用 我们平台 UPS 系统包括一台主电源进线隔离变压器柜 两台 UPS 柜 一台 旁路电源柜 一台配电输出柜 一套蓄电池组组成 Galaxy 1000PW 不间断电源 UPS 主要性能 中国海洋石油丽水作业公司 1 电压稳定 稳态条件下为 0 5 在负载由 0 跃增至 100 或由 100 跃减至 0 的瞬变条件下为 2 2 频率稳定 没有电源 2 Mains 2 时为 0 05Hz 或者与电源 2 的频率在 0 5Hz 到 2 0Hz 的范围内同步 3 在电池供电期间 30 分钟 没有任何间断和中断 4 在各种系统配置情况下带线性负载时的失真度小于 1 5 线电压 5 带 80 的峰值因数高达 3 0 的非线性负载时的失真度小于 2 线电压 如下图所示 为平台 的单机简图 负 载 Q5N 电 池 主 电源 输 入 旁 路电 源 输入 QF1 Q4S Q3BP Q1 UPS 图图 其中 Q1 整流器输入开关 QF1 电池电路保护开关 Q4S 电源 2 或 静态旁路输入开关 Q5N 逆变器输出开关 Q3BP 手动维修旁路开关 我们平台 UPS 采用直接并联在线运行方式 有两台单机型 UPS 组成 共同 带载一台出现故障检修 另一台继续 运行向负载供电 提高了系统的可靠性 每台 UPS 具有各自的静态旁路 实现了并联冗余和并联增容 优点 并联简单 不增大占地面积 价格适当 负载均分 缺点 两台 UPS 的旁路必须是同一路电源 简图如图 所示 中国海洋石油丽水作业公司 图图 静态开关原理 为防止切换时间造成瞬间供电中断并产生继电器触点拉弧打火等现象 在 大功率 UPS 供电系统及切换过程中 采用静态开关作为切换元件 UPS 供电系统中常用的两种连接方式 即转换型和并机型 目前单机型的 UPS 静态开关一般采用转换型 而可并机 UPS 的静态开关有的采用并机型 图图 在上图中 继电器作为逆变的切换开关 交流旁路用静态开关作为切换器 件 在由交流旁路供电切换为逆变器供电时 先吸合继电器然后封锁晶闸管的 中国海洋石油丽水作业公司 触发信号 此时由交流旁路和逆变器并联向负载供电 当晶闸管支路电流为 0 时 晶闸管关断而断开市电供电电路 当由逆变器供电切换为交流旁路供电时 在发出继电器关断信号的同时 触发晶闸管导通 由于晶闸管导通时间为 s 级 而继电器释放时间较长 因 此也存在同时供电的情况 图图 在图 b 中 交流旁路与逆变器都采用静态开关作为切换开关 当执行切换 时 封锁脉冲并检测流过静态开关的电流 当电流为零时触发另一静态开关的 晶闸管 实行二者的转换 在采用并联供电的系统中 当电压处于正半周或负半周时 同时触发处于 正向阳极电压的两个晶闸管使之导通 由于晶闸管电流为零时关断使反向并联 的两只晶闸管切换导通 使之并联负载供电 与市电切换条件 UPS 在正常运行情况下都是由逆变器产生的交流电给负载供电 但由于逆变 器是由 IGBT 组成 IGBT 本身的过载能力是有限的 对于较小的过载 1 6In 逆 变器是可以承受的 但对于较大的过载或是某一部分负载的短路则是不能承受的 但 UPS 本身又是一种电源 它不能象一般负载那样一旦过载就保护停电 这 样就失去电源意义了 所以通常是在较大过载发生的时候将负载从逆变器切换到 旁路市电上供电 因为市电的内阻较小 可以允许充分大的电流 提供足够的承受 时间使过载部分的电路开关跳闸断电以保护其它路的负载能继续工作 中国海洋石油丽水作业公司 为保证逆变器向市电的切换或反向是不间断的 逆变器就应与市电进行为保 证逆变器向市电的切换或反向是不间断的 逆变器就应与市电进行重迭切换 Overlap 由于两个正弦交流电进行重迭是有条件的 必须是电压幅值 频率 相 位在切换过程中始终保持一致 否则任意一个参数的差别都会造成切换瞬间的电 位差 u 形成两个电源之间的环流 如果电位较大 则环流也较大 势必引起逆变器 的严重过载 甚至损坏逆变器的功率器件 因此 逆变器与电源 2 之间进行不间断切换的条件是电压幅值 频率 相位 必须一致 而电源 2 静态旁路电源 是市电的电网电压 它受当地供电情况及负载特性 的影响 幅值 频率 相位 波形 时时刻刻都在变化 为了保证在随机的任意时刻 逆变器与电源 2 之间的切换总能成功 逆变器产生的正弦波就应与电源 2 同步 即 每时每刻都随着电源 2 的变化而变化 但如果电源 2 变化的范围过大 逆变器提供 的电源质量和精度就较差 不能被负载所接受 因此根据一般计算机类负载的要求 将 这种变化范围定义在 电压幅值 10 额定电压 380V 400V 415V 即 U 10 频率幅度 0 5 4 额定频率 50Hz 或 60Hz 可按用户要求设定 即 F 0 5 4 相位差 3 即 3 当电源 2 静态旁路电源 电压满足上述条件时 就可以实现逆变器和电源 2 之间的不间断切换 即重迭切换 当电源 2 不满足上述条件时 则逆变器和电源 2 之间的切换是有间断的 这个间断设计为 800 毫秒 以避免形成切换环流 或禁止 切换 因此上述的三个条件就称之为切换条件 常用的技术指标 旁路交流输入 旁路输入电压 U2 380V 10 旁路输入频率 F2 50Hz 10 输入范围越宽 要求负载的输入范围也越宽 中国海洋石油丽水作业公司 短路电流 ISC2 xxKA 表示静态旁路的短路承受能力 对下线的保护装置很重要 给出下游故障电 路开关动作跳闸时间 以免影响下游其他负载的正常使用 UPS 交流输出 稳态输出电压稳态输出电压 380V 0 5 到 3 输出电压越精确 对计算机的供电越稳定 但 IEC 标准仅要求小于 5 计算 机即可接受 同步跟踪速率同步跟踪速率 0 5Hz 秒到 2Hz 秒 同步速率越快 输出电压的波动也越大 有利于热备份联结 同步速率越 慢 对输出电压的波动也越小 有利于直接并联 动态响应动态