UPS負載與選型

喬蘭

(中國石化儀征化纖股份有限公司PTA生產中心，江蘇儀征 211900）

設備改造

UPS負載與選型

喬蘭

(中國石化儀征化纖股份有限公司PTA生產中心，江蘇儀征 211900）

分析所在單位UPS的負載特性、負荷類型，電路中諧波電流產生的原因及對UPS運行的影響，對UPS運行現狀進行分析，提出了改進措施和建議。

不間斷電源諧波濾波器逆變器

UPS是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩壓穩頻輸出的電源保護設備。當市電正常輸入時，UPS就將市電穩壓后供給負載使用，同時對機內電池充電，把能量儲存在電池中;當市電中斷(事故停電）或輸入故障時，UPS將機內電池的能量轉換為220 V交流電繼續供負載使用，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。UPS電源設備種類較多，輸出功率為500 VA～3 000 kVA。

在電力系統中，為了保證對供電可靠性要求較高的重要設備能正常工作，發電廠、變電站均應安裝UPS。隨著電力電子技術的發展，對容量要求也越來越大，大容量的UPS都是三相的，因此對三相UPS的需求也逐漸增多。

筆者根據所在單位負載的具體情況及使用要求對UPS的選型進行了分析。

1 UPS工作原理

1.1 UPS充電電路

大容量UPS的充電電路，一般采用晶閘管作為整流元件，這是因為大容量UPS充電器的輸出電壓一般高達幾百伏，充電電流為幾十安培。在大功率UPS中一般都將充電器和整流器合二為一，雖然這使得其控制電路較為復雜，但由于大功率UPS本身造價較高，控制電路設計得稍微復雜一些并不會明顯增加成本。圖1～3所示為大、中型UPS系統框圖、三相橋式全控整流電路和大功率UPS中的充電器方框圖。

由圖中可以看出，此充電器分為3個主要部分，即三相橋式全控整流器，由V1～V6和濾波電感L1、L2組成;采樣電路，其功能是對三相輸出的充電電壓和電流進行采樣，然后將采樣的結果送到控制電路;控制電路的功能是根據采樣電路送來的電壓和電流信號去控制三相橋式全控整流器，以調整其輸出電壓和充電電流。該電路的充電曲線如圖4所示。為恒壓充電，其充電電流由決定;蓄電池經過一段時間的恒壓充電，當其端電壓上升到某一值時就轉為浮充充電。(式中:IB為充電電流; Uch為恒壓充電期間的充電電壓;UB為電池組端電壓;r為蓄電池組內阻和線路電阻之和。）

圖1 大、中型UPS系統框圖

圖2 三相橋式全控整流電路

圖3 三相橋式全控整流充電電路框圖

圖4 大容量UPS充電曲線

充電初期的充電電流IB，max，對于鉛酸蓄電池為0.1 C，對鎳鎘蓄電池為0.2 C。

1.2 UPS逆變電路

三相橋式逆變電路是中、大容量UPS逆變器的基本電路，這里以三相橋式逆變電路為例，如圖5所示，它是由直流電源E、3塊兩單元晶體管模塊S1～S6、輸出變壓器T組成。市電正常供電時，直流電源E由整流電路提供，市電中斷時，直流電源由蓄電池提供。輸出變壓器初級接成三角形，次級接成星型。

S1～S6的基極b1～b6分別加上正弦脈寬觸發信號，其波形如圖6所示。工作過程如下:

在t0～t1期間，ub1＞0，ub6＞0，ub5＞0，ub2=0，ub4=0，ub3=0，S1，S6，S5導通，S2，S3，S4截止。3個導電臂中均有晶體管導通，二極管不通，負載從直流電源中獲取能量。

在t1～t2期間，ub1＞0，ub3＞0，ub5＞0，ub2=0，ub4=0，ub6=0。3個導電臂中，2個晶體管導通，1個二極管導通。若負載電感L比較大，變壓器儲存能量比較多，維持D3導通時間長;反之，維持D3導通時間短。

在t2～t3期間，ub1＞0，ub5＞0，ub6＞0，ub2=0，ub3=0，ub4=0。3個導電臂中，3個晶體管導通。兩相負載均從電源E獲取能量。

該曲線表明，大功率UPS的充電分為3個階段:初期由于電池放電后損失較大，急需補充，故需充電電流較大，如不限流就會嚴重影響蓄電池的使用壽命，故這一階段為恒流充電;當電壓到達設計值(一般為浮充電壓，每個電池單元為2.25 V）時就轉

圖5 三相橋式逆變電路

輸出波形uAB如圖6所示。由圖看出:

a）變壓器初級、次級輸出三組互差120°的正弦脈寬調制波;

b）輸出u0脈沖頻率是驅動信號脈沖頻率的兩倍;

c）逆變器具有3種工作模式:

第1種工作模式:3個晶體管導通，二極管不導通;

第2種工作模式:2個晶體管導通，1個二極管導通;

第3種工作模式:1個晶體管導通，2個二極管導通。

圖6 三相橋式逆變電路主要波形

2 負載類型

大型UPS中廣泛應用三相橋式全控整流電路，如圖2所示。內取平均值即可。在三相星形接法的電路中，線電壓較其相應的相電壓超前30°。現將線電壓Uab的零點作為新坐標的原點，即比原來以相電壓Ua零點的坐標提前30°。因此在新坐標上，自然換相點的位置在ωt=π/3處。

2.1 電阻性負載

a）當0≤α≤π/3時，Ud=2.34U2cosα=1.35 U2Lcosα

式中:U2—變壓器T次級相電壓;

U2L—次級線電壓。

b）當π/3＜α＜2π/3時，整流只能在正半周進行，故

Ud=2.34U2［1+cos(π/3+α）］

當α=2π/3時，Ud=0，從公式亦可看出電阻負載的最大移相范圍是120°。

2.2 電感性負載

對于電感性負載，由于電流是連續的，晶閘管的導通角總是2π/3，上式的積分上限可以超過π，仍為(2π/3）+α，故

Ud=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα

可見電感性負載時的最大移相范圍為90°。

當控制角α=0時，其工作過程與三相橋式不控整流電路相同，在自然換相點換相。當控制角α＞0時，每個晶閘管都從自然換相點向后移α角開始換相。不管α為何值，電壓Ud都是線電壓的一部分。所以，從線電壓入手計算Ud更簡單，由于Ud波形每隔60°重復一次，Ud的計算只要在π/3范圍

3 筆者單位UPS類型

筆者單位原采用的是梅蘭日蘭生產的GALAXY-1000PW在線式單相UPS電源，容量80 kVA，交流380 V輸入(In=131 A），交流220 V輸出(In= 365 A）。

圖7 UPS系統圖

整流/充電器模塊(A）將電源1(Mains 1）提供的三相交流電變換成直流電用于逆變器的正常輸入和給電池進行浮充電或強充電，電池單元(D）在電源1超限或停電情況下為逆變器提供后備電源，逆變器模塊(B）將整流/充電器或電池單元提供的直流電變換成交流電輸出供給負載，靜態旁路模塊(C）保證在逆變器停機(由用戶操作或保護裝置引起）或突然過載的同時將負載切換到電源2(Mains 2），維修旁路用于維修時將UPS進行隔離，并將負載無間斷切換到電源2的旁路輸入。只有系統安裝了電源2才可能進行維修旁路的操作。它將通過維修旁路開關Q3BP直接將電源2供給負載，從而保證在系統功能故障時的高度安全性。開關的操作步驟必須嚴格按照以下的步驟進行操作:

a）停止所有正在運行的逆變器;

b）閉合維修旁路開關Q3BP;

c）斷開逆變器輸出開關Q5N;

d）斷開電源2的輸入開關Q4S。

要回到正常狀態，必須按照相反的步驟操作以上開關。維修旁路通過3個手動開關(Q3BP、Q4S和Q5N）實現負荷供電不間斷切換。

當UPS的逆變器輸出電壓與市電交流旁路電源電壓處于鎖相同步工作狀態時，在需要執行從交流旁路供電至逆變器供電切換操作前，用戶可通過仔細調節UPS逆變器的輸出電壓，使它的輸出電壓值等于交流旁路電源電壓或者使逆變器的輸出電壓稍高于交流旁路電源電壓(一般控制在5～10 V左右）。主控板首先向逆變器的輸出接觸器發出閉合操作命令，在此階段將會出現由交流旁路電源和逆變器同時向負載供電的狀況，以確保對負載的不間斷供電。在執行上述同步切換操作時，很難滿足這兩種交流電源間的瞬態電壓差一直為零。因此，總會有一個或大或小的環流在這兩種電源之間流動，該環流的大小可通過專門的電流檢測電路來進行實時監控。控制電路是在電流過零點上將處于交流旁路通道上的靜態開關中的晶閘管關斷，然后UPS才進入由逆變器供電的正常工作狀態。采用這種“先合后斷”的切換控制方式，可以確保上述兩種交流電源產生重疊向負載供電的最長時間，被控制在50 Hz的半個周波之內(即小于10 ms）。當UPS在運行過程中，如果遇到輸出過載、短路、逆變器故障或用戶人為地關閉逆變器情況之一時，由控制電路在向逆變器本身及位于逆變器供電通道上的輸出接觸器發出“關斷”命令信號的同時，也向位于交流旁路通道上的靜態開關發出“閉合”命令。此時，由于輸出接觸器的關斷響應時間較慢(大約為80～100 ms），而靜態開關中的快速晶閘管開通時間很短(幾微秒至十幾微秒）的緣故，當靜態開關閉合時，接觸器尚未真正釋放，所以此時向負載提供能量的電源有逆變器輸出濾波電容上的殘余電壓(因為此時的逆變器已處于自動關機狀態之中）及市電交流旁路電源。這段時間大約要持續20 ms左右。此后，負載則完全由市電交流旁路電源供電了。

4 存在問題

a）UPS有2路電源進線均來自G3站，2路進線開關型號均為NZMS6-160/ZM6-160，其中電源2進線開關整定值100 A，單相輸出，該開關在當初選型時存在失誤，容量遠小于UPS額定電流365 A。DCS UPS靜態旁路隔離空開Q4S、負載空開Q5N、維修旁路空開Q3BP均為250 A空開，均為4極開關采用兩極并聯輸出AC220 V。

2007年UPS逆變器輸出側電容曾發生短路，逆變器顯示故障，UPS電源自動切靜態旁路供電。電源2通過630 A快速熔斷器仍與短路的電容處于連通狀態，因短路故障點未消除，UPS逆變器與靜態旁路之間來回切換2次失敗后，短路電流將630 A快速熔斷器燒斷后，又自動切換到電源2供電，因電源2進線開關已受到2次短路電流沖擊，且逆變器單相輸出銘牌額定值為365 A，帶負載切換時瞬間峰值電流達400 A，遠超過電源2進線開關整定值，當再次熱態啟動帶負載2 s后電源2進線開關AA-52-C過載跳開，造成UPS所帶負載全部失電。

b）筆者單位UPS所帶負載為工藝控制室操作臺、DCS電源，因DCS負荷特性不好，電流諧波很高，峰值因素達4.2～4.8，UPS逆變器額定值為365 A，正常運行電流為100 A左右，在負載發生瞬間較大過載的情況下，多次導致整個UPS跳停、裝置停車。

5 原因分析及改進

在理想的供電系統中，電流和電壓都是正弦波的。在實際的供電系統中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不成線性關系時，就形成非正弦電流。負載電流由高次諧波疊加合成，諧波頻率是基頻的整倍數，例如基頻為50 Hz，二次諧波為100 Hz，三次諧波則為150 Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……又由于整流性負載的電流波形是以Y軸對稱，所以諧波電流只有奇次分量。

負載類型一般可分為電阻性、電感性、電容性等線性負載與內含整流電路的非線性負載(又稱整流性負載）。電腦及其外圍設備多為非線性負載。UPS適用于電阻性負載及帶容性的整流性負載。

感性、容性負載等非線性負載啟動都有沖擊電流，電腦等整流性負載即使是在正常運行時，其峰值因數也有2～3，即電流的峰值為其有效值的2～3倍，因此在選用UPS時應考慮到這一特性，應給UPS留一定的余量。對于某些功率因數較低的感性負載如空調機等，因其啟動電流相當大，可達其額定值的5～7倍，并且頻繁啟動，因此一般中小型UPS不適用，除非留有足夠的余量。

為避免越級跳閘以及高次諧波電流的影響，筆者認為UPS需作如下改進:

a）電源2進線空開選型過小，因受開關柜空間限制，將160 A空開單相輸出改為160 A空開三相并聯輸出，增加其承載能力;

b）電容的壽命為5～7年，因筆者單位負載特性不好影響電容壽命，現定為4～5年定期更換電容，具體時間間隔取決于停車時間;

c）將UPS控制柜由單相80 kVA改為三相120 kVA，并將負荷平衡分配，降低電流諧波的影響，保證生產安全穩定;

d）完善UPS失電預案，盡量縮短DCS恢復時間。

6 結語

用戶可根據負載的具體情況及使用要求進行選擇，通常大功率的UPS(100 kVA以上）都是三相輸入/三相輸出;中、小功率的UPS(30 kVA以下）均為單相輸入/單相輸出。三相輸出電源設備結構復雜，價格較高，因此在滿足負載要求的情況下(通常情況下負載均為單相），宜優先選擇單相輸出的UPS;對三相輸入來說，有些負載的工作電流較大，且要求電流波動小，這時可選擇三相電源輸入的UPS，可使系統工作狀態更加穩定。采用三相輸出時，UPS必須具備在短期內各相100%不平衡情況下正常工作的能力。筆者單位PTA2#裝置DCS-UPS容量屬于大功率范疇，且負荷特性不好，電流諧波很高，峰值因素達4.2～4.8，宜選用三相UPS輸出。

現采用梅蘭日蘭三相120 kVA UPS，運行至今已有3年，運行平穩，未再發生任何故障，確保了現場的安全生產。

［1］王林兵，何湘寧.UPS逆變器控制方法比較分析［J］.電源技術應用，2005，1:45－50.

［2］陳一逢.三相大功率UPS系統諧波分析、調查及治理［J］.電源技術應用，2008，5.

UPS load and selection

Qiao Lan

(The PTA production center of Yizheng Chemical Fiber，SINOPEC，Yizheng Jiangsu 211900，China）

Analysis the characteristics of UPS load，and the load type in the PTA production center，analysis harmonic current in the circuit causes and impact of the UPS running，describe the status of the UPS operation，provide the proposed improvements and recommendations

UPS;harmonic;filter; inverter

TP303.3

B

1006-334X(2012）01-0056-05

2011－12－28

喬蘭(1970－），江蘇泰興人，工程師，主要從事電氣技術管理工作。