簡述變電站UPS電源系統應用設計新思路

周永光?熊理想?王兵

摘 要 本文按照多機并聯、在線熱插拔的新技術思路，重點對變電站現用中低功率的UPS電源進行多機并聯新技術的研究，重點從冗余結構、并聯控制及均流技術、諧波環流抑制技術、旁路策略控制技術、過載保護切換技術、監控與管理技術進行了應用深入研究分析。

關鍵詞 多機并聯;在線熱插拔;旁路策略;環流抑制

引言

隨著電力系統自動化控制技術水平的不斷提高，自動化和智能化的普遍應用，對于UPS電源系統同時也提出了更高的要求，對現場智能化、在線維護化需求越來越高。對于故障報警、可靠投切、方式操作等方面提出了越來越智能化、簡單化、便捷化的要求。本文從現場實際應用的角度出發，提出了設計新思路，以探討分析變電站UPS電源系統應用。

1UPS系統供電方式新設計應用新思路

目前電力系統內的UPS基本上采用在線式UPS，正常模式下市電經過整流變換成直流，然后通過逆變器給負載供電，當逆變器發生故障（逆變過壓、欠壓、過載、過溫等）時轉換到旁路工作模式，由市電直接給負載供電。在此種供電模式，由于在線式UPS的應用模式由于整流器及逆變器的效率都無法達到100%，因此長期運行存在近10%～15%的電能損耗，僅深圳供電局每年的電能損耗高達200萬度。

隨著站用交流電源電能質量的提高，基本滿足逆變負荷對電能質量的要求，這就為本項目的設計和開發創造了條件。新設計思路是改變傳統的UPS系統負載供電方式，正常運行時由市電經靜態開關供電，減少電能損耗;一旦檢測到交流失電或電能質量不滿足負載供電要求，則由并聯逆變回路為負載供電，避免母線失壓和單機不可靠運行。采用新設計思路后，UPS系統可處于最經濟運行模式，每年可節省耗電200多萬度。

同時UPS的主體設備由帶載運行狀態轉為應急后備應用狀態，這樣可提高UPS的使用壽命，減少UPS電源系統運維成本[1]。

2N+X多機并聯冗余設計應用新思路

在傳統的UPS系統中只有單個逆變器，一旦逆變器故障，則只能切換至緊急供電回路，此時蓄電池組或直流電源的備用電源作用無法發揮，一旦交流失電，則會導致負載無供電，且在交流電波動較大時，也會對負載供電質量產生非常大的影響。

多機并聯UPS電源系統的N+X冗余的基本設計原則是每個并聯單元是相同的，可以互換，在并聯工作期間，任意一個模塊單元均可與系統進行分離而不影響整個系統的工作性能，且并聯系統中負載電流均具有自動均流功能，模塊間無主從之分。

采用N+X并聯逆變模塊，實現任意模塊故障后自動退出并聯系統而不影響其他并聯模塊和設備的正常運行，降低逆變器故障發生時對供電的影響，使負載的供電可靠性大大提高，在此N+X多機并聯冗余應用思路將涉及時以下兩方面的關鍵技術的應用：①并聯控制及均流技術。在并聯UPS電源中，對各逆變器單元的均流控制是并聯UPS電源系統穩定可靠高效運行的有力保證，在并聯控制及均流技術中需解決電壓外特性與均流控制特性的矛盾，一般采用基于環流阻抗的瞬時均流控制策略。鎖相閉環控制讓逆變模塊的輸出電壓的相位與系統其他模塊的相位保持一致，各逆變器的輸出電壓瞬時值反饋控制使逆變模塊的輸出電壓受負載影響較小，均流閉環控制使并聯系統的各模塊均分負載電流[2]。②諧波環流抑制技術。對于并聯逆變電源，在運行中死區會帶來諧波環流，如下圖為兩臺逆變器的并聯電路示意圖。

其中，

U1、U2為逆變橋的輸出，Uo1、Uo2為逆變器的輸出電壓;

Ro1、Ro2為逆變器的輸出回路中電感和線路阻抗等損耗等效電阻;

Z01、Z02為并聯電抗，L1、L2、C01、C02為逆變器的濾波電感和電容;

Z為兩臺逆變電源的公共負載。

其環流定義為：Ih=（i01-io2）/2

若Z01=Z02，則Ih=（Uo1-Uo2）/2Z

由此發現環流與實際負載無直接關系，但與死區的偏差電壓有關，然而在實際應用中，逆變電源的實際負載的變化會引起逆變橋輸出功率因素的變化從而引起死區偏差電壓的變化，因此死區的環流會隨著負載電流的變化也會有變化，當負載的功率因素降低時，環流峰值也會有所變化。

基波環流通常可以調節基準正弦電壓消除，但諧波環流，尤其是低次諧波環流無法通過調節基準正弦電壓消失，但通過提高提高逆變器的參數L、C、R來提高增益而對抑制諧波是有幫助的。

3在線熱插拔結構設計應用新思路

傳統UPS的維護過程非常復雜，當需要停電、切換負載、改變運行方式等涉及的操作相當復雜。由于逆變模塊的高度集成，通常需要依賴逆變器供應商進行故障檢修，設備的維護及故障檢修周期變得很長，并且不可控制。在線熱插拔結構設計思路設計，可以實現不停電檢修，任意模塊故障退出時可直接剔除使用新的正常模塊進行更換，無須斷電操作，操作簡單提高UPS系統的可維護性，但在實際應用中應注意以下兩個方面的技術實現：

（1）旁路策略控制。對于UPS電源系統，由于過載較大時，為了保護逆變器且達到供電的不間斷功能，通常是切換到旁路的供電方式，在應用中有集中旁路和分散旁路兩種供電模式，各有利弊。集中旁路模式的旁路容量較大，分散式旁路模式的旁路容量與單模塊匹配即可，不受并聯數限制，但投入旁路的控制邏輯較為嚴謹，只有所有模塊的旁路切換到時位后才可旁路供電[3]。

（2）過載保護切換技術。在實際應用中，經常會遇到負載突加、電機啟動等沖擊負載，由于逆變電源模塊的過載能力有限，而在沖擊瞬間對沖擊負載實現瞬態均分也是不可能辦得到的，所以必須采取必要的保護措施進行過載保護及切換，通常采用瞬態電流抑制控制策略。在線熱插拔結構設計應用新思路的實施，對現場的運維成本產生的經濟效益也會非常明顯，在每年UPS電源維修成本中，逆變器的維修成本占據很大一部分。據統計，我局每年逆變器損壞發生的頻率大概為20次，平均每兩個月發生一次，每年花在逆變器維修上的費用約10幾萬元，比逆變器本身的價格都高出一倍。本項目的應用，使逆變器的故障檢修過程變得簡單，僅需將異常模塊拆除，寄送回廠家進行維修，而不影響系統的正常供電。使故障維修費用接近為0，極大地降低了逆變器的維修成本。

4逆變輸出與市電共零線設計應用新思路

逆變輸出與市電共零線設計：#1和#2逆變母線輸出的零線和市電的零線是同一條線，解決對地電位漂移問題，同時不需要過多的操作，可以直接合上聯絡開關，可以實現兩段母線的快速并列運行，簡化兩套UPS系統之間的備電操作，提高系統運行的安全性[4]。

5監控與管理技術應用新思路

對于多機并聯UPS電源系統的監控與管理技術應用新思路主要是體現在實時管理、狀態管理、故障管理三個方面：①實時管理是指對多機并聯UPS電源系統的輸入輸出負載電量數據進行實時采集、顯示和通信上傳的實時數據進行管理，不僅就地查看還能遠程傳輸，達到時實時監控的目的。②狀態管理是指對多機并聯UPS電源系統運行方式、逆變狀態、旁路狀態等方式及切換過程進行實時采集、上傳與管理。③故障管理是指對多機并聯UPS電源系統在運行中出現的失電、過載、過熱、失控等異常情況進行報警、信息發送、信號燈指示等方式的處理與管理過程。

6結束語

本文提出的UPS電源新思路應用，可以提高UPS電源供電穩定性和擴容靈活性，尤其是在運維成本中經濟效益明顯，具有非常好的推廣意義。

參考文獻

[1] 段善旭，林新春.分布式逆變電源模塊化與并聯技術[M].北京：電子工業出版社，2013：59.

[2] 李杭軍，謝勇，桑亞林.串并聯諧振逆變器的設計[J].揚州大學學報，2007，lO（2）：38-41.

[3] 陳息坤.高頻模塊化UPS及其并聯控制技術研究[D].武漢：華中科技大學，2005.

[4] 王瑞祥，俞立天.IGBT超音頻電源并聯逆變器的過載保護[J].電力電子技術，2005，39（2）：62-63.