淺析UPS交流不間斷電源系統在西花水電站110kV升壓站中的應用

郭　琳

（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

淺析UPS交流不間斷電源系統在西花水電站110kV升壓站中的應用

郭琳

（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

本文對組成和交流不間斷電源系統的基本原理（以下簡稱U PS電源系統）進行了分析，并結合西花水電站工程實際情況，分析了該水電站110kV升壓站，U PS電源系統的選擇和主要性能指標參數，以期為類似案例提供借鑒。

U PS電源；在線式U PS；帶旁路；模塊化

1　項目概況

西花水電站位于陜西省佛坪縣栗子壩鄉花園壩村下游約250m處，距佛坪縣城約45km。本電站是金水河流域梯級電站開發的第一級電站，該水電站坐落于佛坪縣境內的金水河流域，本工程確定的引水水源為岳壩引水和西花水庫兩個水源地。

西花水電站為徑流式引水電站，工程的主要任務是發電，無綜合利用要求。本項目安裝三臺立式水輪發電機組，單機容量均為9.0MW和額定功率因數0.8，總裝機容量為2.7MW，發電機額定電壓為10.5kV，發電機與變壓器組合方式為單母線接線，升高電壓側為110kV及35kV二級電壓，110kV側采用一回110kV線路接入佛坪110kV變電站，其接線方式為變壓器線路組；35kV側本期采用一回35kV線路接入沙梁水電站，遠期為二回出線，其接線方式：本期為變壓器線路組，遠期為單母線接線。該工程多年平均發電量6439萬kWh，年利用小時數2683h，擔負向系統送電和樞紐供電的任務。

2　UPS電源的組成及基本原理

隨著水電站自動化監控水平的不斷提高，日前大多數水電站升壓站系統都已經實現了無人值班少人值守的安全運行模式，要使整個水電站的計算機監控系統、遠動控制設備、繼電保護裝置、廠用計量裝置、火災報警系統、站內外通信系統等設備能夠安全能夠可靠地運行，首先就需要有可靠牢固的電源保證，UPS電源系統作為電站自動化系統的重要電源設備，是整個電站及升壓站安全穩定運行的基礎。

UPS電源系統［1］是一種包含儲能裝置（蓄電池）、整流電路、保護電路、充電電路以及逆變電路。逆變器作為主體，作為一種具有恒定電壓和頻率的整個系統的電源供應器。UPS電源的基本組成結構如下圖1.1所示：

圖1.1　UPS基本組成原理圖

在交流輸入電壓正常供電的情況下，整流器一方面可以為逆變器提供直流輸入電壓，另外一方面為蓄電池組充電，使蓄電池組儲存能量；當交流輸入電壓斷電或整流器故障時，蓄電池組提供直流電壓，通過逆變為負載提供不間斷供電。但當逆變器發生故障時，圖1.1的UPS就不能為負載提供不間斷供電。通過逆變器的常用備用單元和冷備靜態旁路輔助電源，解決了因為逆變器故障無法提供不間斷供電的問題。系統整體設計原理如下圖1.2所示：

圖1.2　帶旁路輔助電源的UPS基本接線原理圖

3　不間斷電源（UPS）供電形式選擇

UPS電源系統按照常用的工作方式分為：后備式不間斷電源、在線式不間斷電源、在線互動式不間斷電源三種。還有一種非靜態即動態式UPS，在于城市市電不穩定有波動的情況下，當發生波動時，慣性飛輪在短時間內對輸出電壓的突然變化沒有直接的響應，并且輸出電壓的穩定性可以通過這種方式保證；當城市市電停電后，依靠飛輪的慣性使其在額定電壓的供電情況下，整個供電時間延長5s，以此來保證計算機保存數據信息時間節點。再后來發展到了內燃機式不間斷電源系統，但是這類非靜態即動態式UPS的體積大，噪音大，效率低，目前使用很少［3］。

其中后備式UPS一般應用在一些對供電質量要求不高的場合。本次工程中，經過原理比較，以及可參考工程現狀分析，西花水電站110kV升壓站采用在線式UPS電源系統。下面就幾種工作原理作比較分析：

（1）后備式不間斷電源（UPS）［2］工作原理：當城市市電電網正常時，后備式不間斷電源開關的轉換開關將負載轉換成城市電網，此時逆變器不工作，而同時城市電網通過充電器充電到蓄電池組。當城市市電突然中斷或電網欠壓畸變失常狀態（欠壓值約為170V）時，本系統通過切換開關將負載連接逆變器系統。同時，逆變器將原蓄電池中的能量經過逆變處理后，轉換成需求的電源級別向負載供電。缺點，蓄電池需求量大，結構復雜，控制復雜，而且經濟型不高，故不選用。

圖2.1　后備式UPS原理圖

（2）在線式不間斷電源（UPS）［2］工作原理：當城市市電電網正常時，在線式不間斷電源（UPS）將城市市電變化為直流后，經過逆變器轉化為交流供負載使用。當市電出現異常時，轉為蓄電池供電，有蓄電池逆變成交流向負載供電，當逆變器故障時，市電由旁路直接向負載供電。最大優點交直流切換方式簡單、控制性強、模塊簡單岔換方便，經濟性高，故選用此接線方式。

圖2.2　在線式UPS原理圖

（3）在線互動式不間斷電源（UPS）［2］工作原理：當城市市電正常時，城市市電通過穩壓器調節穩壓電路向負載供電，同時在線互動式不間斷電源將輸入的城市電交流電源轉化為直流電流后，向直流充電系統蓄電池充電；而當城市市電異常時，在線互動式不間斷電源開始向直流蓄電池供電，通過交直流雙向逆變器轉化后，將其為交流電源后，向所帶負載供電。缺點：在線式電能消耗大、監控系統復雜、穩壓裝置要求高，造價高經濟型低一下，故不選用。

圖2.3　在線互動式不間斷電源（UPS）原理圖

4　西花水電站110kV升壓站UPS電源的選擇

4.1升壓站UPS電源容量的計算與選擇［4］

UPS的容量的大小由各類負載的大小決定，按單臺容量不小于1.2倍全部負載額定功率總和計算，功率因數一般取0.8［4］。西花水電站110kV升壓站UPS實際負荷如下：

監控主機2臺共計600W；電能遠方終端1臺共計30W；數據通信網管4臺共計800W；綜合應用服務器1臺共計300W；縱向加密認證2臺共計120W；防火墻2臺共計300W；隔離裝置共計100W；輔助控制系統（火災報警等）共計1300W。

上述負荷合計:∑P=600W+30W+800W +300W+120W+300W+100W+1300W=3550 W，SC=KrelP∑/cosΦ=5.325kVA，（取cosΦ= 0.8，Krel=1.2）。經計算，UPS實際負荷所需容量為6kVA。

根據工程經驗，110kV變電站配置的單臺UPS電源容量一般為3 kVA～7.5kVA，220kV變電站單臺UPS電源容量一般為5kVA～10kVA，500（330）kV變電站單臺UPS電源容量一般為6kVA～15kVA。

4.2升壓站UPS電源系統接線形式的選擇

當交流輸入正常供電時，交流輸入電壓由整流器把交流電整流為直流電，再由逆變器把直流電逆變為交流電輸出給負載，當交流輸入電源發生故障時，不間斷電源由交流輸入電源供應，在轉換為升壓站直流系統的直流輸入電源由逆變器供電，切換時間為0s；當交流輸入電源恢復正常供電，不間斷電源提供的直流輸入電源通過逆變器電源交流輸入供電，切換時間應該是0s。當不間斷電源逆變輸出端發生故障時，通過不間斷電源旁路靜態轉換為開關自動切換成交流旁路輸入提供供電，切換時間應小于0.005s；當逆變輸出恢復正常后，不間斷電源自動轉換成逆變輸出供電，切換時間應小于0.005s。

整個設計緊緊圍繞這三個要點進行的：

（1）蓄電池（包括充電器）是供電系統發生故障時為負載供電的能量來源；

（2）逆變器是不間斷電源（UPS）輸出電壓調節穩壓及穩頻的交流電流的核心組成，也是整個不間斷電源（UPS）的關鍵核心部件，使用冗余備用單元也是為了保證負載供電的不間斷輸出供應；

（3）旁路電源一個輔助電源接線形式，是為維修、檢修UPS方便；同時，它也用于在逆變器的情況下，實現不間斷電源的輔助電源。

根據以上所述，提出如下設計原理框圖（圖3.1）：

圖3.1　升壓站系統整體設計原理框圖

各個組成部分的作用：站內供電系統為負載提供電能，整流電路將交流電轉變成直流電；逆變電路是將直流電轉換為交流電；靜態開關決定了整個系統的斷電連接能力，即切換速度；蓄電池組是作為當供電系統不正常或發生故障時的工作電源。

4.3升壓站UPS電源系統的主要性能指標

（1）輸入交流電壓幅值［5］。其目的是為了保證升壓站UPS不接入電池逆電源電壓范圍，輸入電壓范圍更廣，UPS所選蓄電池上電的可能性概率越小，與此同時蓄電池的壽命就會相對延長，一般范圍為：220V±10%。

（2）輸入頻率范圍［5］是指不間斷電源UPS能自動跟蹤市電、保持同步的頻率范圍，一般范圍為：50Hz±5%。

（3）輸入直流電壓。直流輸入（110V直流系統）：110V±15%。

直流輸入（220V直流系統）：220V±15%。

（4）輸出電壓調節范圍，一般范圍為：220V±3%。

（5）切換時間。靜態旁路開關切換時間：≤0.004s；備用電源切換時間：≤0.004s。

（6）過載能力［6］。125%額定值可以保持在10min，150%等級可以保持在1min，200%等級可以保持在20s。

5　結語

西花水電站工程目前正在建設期，不間斷電源設備配置足夠滿足要求。隨著變電站自動化水平的提高，對升壓站內UPS電源系統的性能參數、可靠性要求、節能環保等要求越來越高，本文通過分析UPS電源系統的原理、組成，結合西花水電站實際應用，提出了110kV升壓站UPS電源系統容量的選擇以及主要性能參數，為選用水電站升壓站UPS設備提供參考。陜西水利

［1］任紅.UPS的選擇及應用［J］.建筑電氣，oop in unity power factor ac to converter［R］IEEE PESC Records1989:95 2002.3:37-50

［2］WilliamsJ.B.Design of feedback l9-966

［3］張乃國.UPS供電系統應用手冊.

［4］110KV變電站UPS不間斷電源通用技術規范.2009.

［5］國家電網公司《110kV變電站UPS不間斷電源通用技術規范》.

（責任編輯：暢妮）

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