大渡河安谷水電站UPS電源容量的選擇與計(jì)算

馮 毅， 宋 果， 姚 坤

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610000)

1 概 述

安谷水電站工程是大渡河干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的最后一級(jí)，壩址位于樂(lè)山市安谷河段的生姜坡，距上游沙灣水電站約35 km，下游距樂(lè)山市區(qū)約15 km，有省道S103從樞紐區(qū)左岸通過(guò)，對(duì)外交通較方便，可將設(shè)備運(yùn)至主廠房安裝間。

安谷水電站裝機(jī)容量為772 MW，裝設(shè)4臺(tái)、單機(jī)容量為190 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組(1-4#機(jī)組)和1臺(tái)12 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組(5#機(jī)組，生態(tài)機(jī)組)。電站以220 kV電壓等級(jí)接入電力系統(tǒng)，按無(wú)人值班(少人值守)設(shè)計(jì)。

安谷水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)UPS電源配置雙套UPS裝置，單套UPS容量30 kVA，采用GB7260規(guī)定的雙變換UPS。在正常廠用電輸入下，交流電經(jīng)整流器被轉(zhuǎn)換為直流電源供給逆變器，逆變器進(jìn)而將其轉(zhuǎn)換為交流電源輸出供給負(fù)載，在廠用電異常時(shí)，可由系統(tǒng)直流蓄電池提供直流電供給逆變器，從而有效地保證系統(tǒng)輸出的連續(xù)性。當(dāng)逆變器出現(xiàn)不正常狀況，諸如逆變器未開(kāi)啟、過(guò)溫、短路、輸出電壓異常或負(fù)載超出逆變器承受的范圍等，逆變器將自動(dòng)停止運(yùn)行以防損壞，此時(shí)靜態(tài)開(kāi)關(guān)會(huì)轉(zhuǎn)換至備用電源輸出給負(fù)載使用。

2 安谷水電站UPS電源

2.1 UPS電源接線及運(yùn)行方式

安谷水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)UPS電源交流輸入端、交流輸出端分別配置隔離穩(wěn)壓裝置，直流輸入端配置防反充電二極管，以保證交流輸入端、直流輸入端、交流輸出端三端完全電氣隔離。UPS直流電源取自廠內(nèi)直流系統(tǒng)，交流電源取自廠內(nèi)交流配電盤(pán)，UPS電源系統(tǒng)采用雙機(jī)雙母線帶母聯(lián)接線方式，每套UPS交流電源輸入各自獨(dú)立，UPS電源的交流輸入工作電源和旁路輸入電源分別通過(guò)一路廠用電源輸入，由UPS 電源系統(tǒng)供電的設(shè)備按照負(fù)載均分原則接線，所有設(shè)備采用一路饋線開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)一臺(tái)負(fù)載設(shè)備，雙電源設(shè)備分別接到 UPS 電源輸出的兩段母線上，當(dāng)交流輸入電源正常時(shí)，UPS使用交流電能，通過(guò)整流器整流，再通過(guò)逆變器逆變成交流220 V、50 Hz電源后向負(fù)載供電。當(dāng)交流輸入電源故障時(shí)，UPS電源自動(dòng)由交流輸入電源供電切換至直流工作電源經(jīng)逆變器供電, 切換時(shí)間為0 ms，轉(zhuǎn)換瞬間輸出波型連續(xù)，無(wú)斷點(diǎn)；當(dāng)交流輸入電源恢復(fù)正常后，UPS 電源自動(dòng)由直流工作電源供電切換至由交流輸入電源供電，切換時(shí)間為0 ms，轉(zhuǎn)換瞬間輸出波型連續(xù)，無(wú)斷點(diǎn)。當(dāng)UPS電源過(guò)載、所有逆變器故障或交/直流工作電源輸入回路同時(shí)故障時(shí)，通過(guò)UPS旁路靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換至交流旁路輸入電源供電。當(dāng)工作電源恢復(fù)正常后，UPS應(yīng)能自動(dòng)切換至逆變輸出供電，UPS電源配置旁路檢修斷路器，在 UPS電源退出檢修維護(hù)時(shí)閉合檢修斷路器為負(fù)載供電。

2.2 UPS負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及計(jì)算

安谷水電站UPS負(fù)荷包括：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)、工業(yè)電視系統(tǒng)上位機(jī)、接入系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備等。容量統(tǒng)計(jì)時(shí)普通PC容量按照300 W考慮，服務(wù)器容量按照750 W考慮，交換機(jī)容量按照50 W考慮，LCD液晶顯示器容量按照50 W考慮，接入系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備容量按照4 kW考慮。

安谷水電站UPS負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 安谷水電站UPS負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表情況表

交流不間斷電源(UPS)容量選擇計(jì)算：

UPS的額定容量是指逆變器交流輸出的視在功率(kVA)，UPS的容量選擇計(jì)算如下：

式中Sc為UPS計(jì)算容量，kVA；Ki為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，取1.1～1.15；Kd為直流電壓下降系數(shù)，取1.1；Kt為溫度補(bǔ)償系數(shù)，取1.05～1.1；Ka為設(shè)備老化系數(shù)及設(shè)計(jì)裕度系數(shù)，取1.05～1.1；P∑為全部負(fù)荷的計(jì)算功率，kW；cosφ為負(fù)荷功率因數(shù)，取0.7～0.8(滯后)。

則，可靠系數(shù)：

Krel=KiKdKtKa=1.33～1.53

取可靠系數(shù)平均值Krel=1.43，cosφ=0.7。

則，得到：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，安谷水電站UPS容量最終選擇30 kVA。

上述系數(shù)說(shuō)明：

(1)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)?？紤]到當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，為保證穩(wěn)壓精度、縮短恢復(fù)時(shí)間、提高頻率穩(wěn)定性以減少波形失真度，一般采取適當(dāng)加大UPS的容量，用動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)及這一因素。

(2)直流電壓下降系數(shù)?？紤]蓄電池事故放電過(guò)程端電壓下降，按有關(guān)規(guī)程規(guī)定，UPS的事故計(jì)算時(shí)間按60 min計(jì)算，此時(shí)的直流系統(tǒng)電壓下降至約為額定電壓的90%。雖然該電壓仍在逆變器輸入工作電壓范圍內(nèi)，對(duì)逆變器輸出電壓影響不大，但輸出容量卻隨輸入電壓的下降而下降。

(3)溫度補(bǔ)償系數(shù)?？紤]到環(huán)境溫度過(guò)高將引起UPS降容。當(dāng)UPS與直流屏一起布置在直流設(shè)備室或UPS室(而不是布置在控制室或電子設(shè)備室)時(shí)，該室的環(huán)境溫度較高，一些南方電廠夏季可達(dá)35 ℃；同時(shí)，因UPS柜內(nèi)布置比較緊湊且有大量發(fā)熱元件，柜內(nèi)溫度將超過(guò)40 ℃。為減輕溫度過(guò)高的影響，可用大于1的溫度系數(shù)計(jì)及這一因素。

(4)設(shè)備老化系數(shù)?？紤]到設(shè)備元器件運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而老化，運(yùn)行過(guò)程中增加負(fù)荷，容量計(jì)算應(yīng)計(jì)及老化和設(shè)計(jì)裕度系數(shù)。

綜合上述因素后，UPS容量的選擇應(yīng)留有必要的裕度，以滿足各種不同工況時(shí)的運(yùn)行需要。

2.3 直流輸入電流的計(jì)算

直流輸入電流是用于計(jì)算蓄電池容量的負(fù)荷電流，是按同時(shí)系數(shù)0.6、逆變器效率90%和直流系統(tǒng)電壓220 V計(jì)算的。具體的工程計(jì)算按實(shí)際的負(fù)荷進(jìn)行核算。

安谷水電站直流輸入電流=30 000 VA×

0.6/220 V×0.9=90.9 A

3 結(jié) 語(yǔ)

UPS 容量的確定是UPS 選型的首要問(wèn)題。UPS容量選擇過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)UPS產(chǎn)生不良影響。容量過(guò)大, 過(guò)度輕載, 雖然降低了逆變器的損壞概率, 但也可能造成市電停電時(shí)蓄電池放電電流小、放電時(shí)間偏長(zhǎng)而造成蓄電池深度放電, 使電池組永久損壞；而容量過(guò)小,雖然節(jié)約了一部分資金,但UPS長(zhǎng)期處于重載狀態(tài), 輸出波形發(fā)生畸變, 也容易造成逆變器的損壞。因此, UPS 容量的選擇對(duì)于提高UPS 的工作效率, 改善USP 的工作狀況非常重要。

[1] DL / T 1074 — 2007，電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備[S].