提高UPS供電可靠性的策略分析

王付鋼

（華潤電力（海豐）有限公司，廣東 深圳 516468）

0 引 言

UPS全稱是交流不間斷電源（Uninterruptible Power Systems，UPS）[1]，在發電廠中的主要作用是給機組計算機、電氣自動化設備、機組控制系統和儀表等重要負荷提供不間斷的恒壓、穩頻交流電源。隨著機組容量的增大和自動化程度的不斷提高，對于UPS的供電可靠性要求也越來越高。UPS故障導致的機組跳閘屢有發生，嚴重威脅電力生產及設備的安全運行。分析原因，固然有設備質量、環境及維護質量的問題，但UPS系統配置及設備電源配置是否合理也是重要因素。因此，如果能夠從提高UPS單機可靠性及優化UPS供電系統、負荷電源配置兩方面入手，可大大提高系統供電的可靠性，避免UPS故障對電力生產及設備安全運行造成較大危害。

1 UPS系統簡述

1.1 單機UPS設備構成

目前，電力系統中廣泛使用的UPS設備均為逆變式。它的組成大體相同，主要由以下3個部分組成：

（1）UPS電源本體，包括輸入隔離變壓器、輸出隔離變壓器、整流器、逆變器、自動靜態切換開關、手動旁路開關以及隔離二極管等；

（2）旁路隔離穩壓柜包括旁路隔離變壓器、旁路穩壓調壓器以及補償變壓器等；

（3）配電柜包括饋線開關、控制儀表等。

另外，現在的UPS電源一般采用廠用直流系統，不自帶蓄電池組。

通常UPS工作電源取自機組PC段，而旁路電源取自機組保安段。正常運行時，UPS三相交流電源由機組PC段工作電源提供。當工作電源失去或故障時，工作電源由蓄電池經逆變器毫不間斷地提供。在電壓超限、負荷過載或逆變器、整流器等故障停止工作時，靜態開關迅速切換，負荷轉由旁路供電。檢修時，由手動旁路開關對設備隔離并直接供電。UPS原理如圖1所示。

1.2 電廠中UPS運行方式

電廠中UPS的運行方式主要有單機運行和并機運行方式。

1.2.1 UPS單機運行方式

UPS單機運行方式是指每臺機組的一套或多套（通常是2套）UPS單機系統獨立運行，其輸出之間沒有聯系，由單臺UPS負擔全部負載或每臺UPS各帶一部分負載。如果用戶選用單機性能穩定、安全、可靠的UPS，且考慮設備成本，單機可以滿足用戶運行要求。

1.2.2 UPS并機運行

UPS的并機運行主要有主從熱備份方案、“1+1”并機方案和“N+1”并機方案3種方式。主從熱備份方案受早期并機技術的制約，采用主機帶負載、備機空載、備機接入主機的BYPASS（旁路）輸入端的方式，設備使用率很低，安全性、可靠性不足，無法滿足用戶更高的安全要求，目前幾乎很少用戶采用這種并機方案。“N+1”并機方案主要用于解決當負載功率大于UPS單機功率時的帶載問題。當前，工業用戶（特別是發電廠）的負載一般不會超過現有UPS的單機功率，所以基本上用不到本方案。目前，在電廠中應用較廣的主要是“1+1”并機方案。

目前，發電廠主要采用“1+1”并機方案。隨著并機技術的持續發展，2臺UPS在同一控制程序下可以實現安全穩定、協調工作，這種方式稱為“1+1”并機。當2臺UPS正常工作時，每臺UPS各承擔50%負載。如果其中任何一臺UPS發生停運或故障，另一臺UPS自動承擔100%負載，故障UPS會自動退出并機模式；當故障UPS恢復正常后又可直接投入并機模式，2臺UPS自動各帶50%負載；如果2臺UPS都發生停運或故障，此時將自動切換至旁路運行模式；當2臺故障UPS恢復正常后，2臺UPS又可投入到“1+1”并機工作模式，如圖2所示。

2 目前UPS供電可靠性方面存在的主要問題

2.1 UPS本身存在的問題

目前，大容量UPS仍存在一些產品設計或質量問題，如UPS使用的各種元器件存在的質量問題、絕大多數UPS的控制回路缺乏冗余通道等。

2.2 UPS配置及負荷設計上存在的問題

2.2.1 單臺機組單臺UPS配置方案

該方案系統簡單，投資少。當UPS故障或檢修時，在旁路運行的情況下，一旦保安段母線失壓，UPS負荷母線就會失電，可靠性不高。

2.2.2 UPS并聯冗余運行方案

本方案系統較簡單，做到了UPS裝置的并聯冗余。但是，當母線系統故障時，首先會影響本機組安全可靠穩定運行，同時對并聯的其他機組的UPS造成沖擊。另外，采用這種配置并不節約投資。

2.2.3 “N+1”配置方案

圖1 UPS原理示意圖

圖2 “1+1”UPS并機方案

UPS“N+1”配置原理，如圖3所示。該方案實現了UPS備用冗余，即當一臺機組UPS故障時，備用UPS自動投入，實現不間斷供電。即使UPS負荷母線故障，也不影響其他機組安全可靠穩定運行。但是，這種方式增加了控制系統的復雜性。

2.2.4 單臺機組多臺UPS配置，每臺UPS各帶一部分負荷并互備冗余方案

這種配置方式的供電可靠性是4個方案中最高的，既綜合了各方案的優點，又避免了各方案的缺點。但是，考慮互相備用冗余，UPS容量必須相應增加，將大大增加設備投資。

3 從UPS單機可靠性和合理配置UPS供電系統入手提高供電可靠性

3.1 提高UPS單機可靠性

目前，除廠家通過技術改進提高UPS單機可靠性外，用戶可以采取以下措施：

（1）選取運行業績好、質量過硬、信譽度高、售后服務穩定的大品牌產品，在關注主機質量的同時，重視其他元件、附件的質量，提高整機壽命；

（2）明確UPS專業管理歸口，同時充分依托廠家的技術力量，加強設備定期工作和維護管理，確保設備不失修，在設備異常初期即能及時發現、處理；

（3）備有足夠數量的備件，尤其是控制部分，縮短裝置異常或故障處理時間；

（4）改善UPS運行環境，避免溫度、濕度、粉塵濃度以及電磁干擾等環境原因造成電子線路板出現問題。

3.2 合理配置UPS系統，提高供電可靠性

通過分析可知，采用單臺機組多臺UPS配置，每臺UPS各帶一部分負荷并互備冗余方案的安全性、可靠性最高。隨著發電機組單機容量的不斷提高，目前一般設計為單臺機組配置2臺UPS。因此，可采用單臺機組2臺UPS各帶一部分負荷并互備冗余方案。

同時，為了降低機組UPS故障或UPS負荷開關回路故障造成的影響，UPS的所有重要負荷電源均按照相互備用冗余方案設計，且要求兩路互備冗余電源取自不同的電源系統。實踐證明，采取這一措施非常有效。當一路電源故障時，備用電源自動實現不間斷（＜5 ms）切換投入供電[2]。需要注意的是，必須保證切換裝置的可靠性，并加強監測、維護并定期試驗，避免由于切換不成功造成機組停機。

在具體設計時，有以下兩種方式。

（1）單臺機組2臺UPS獨立運行，輸出之間無聯系。UPS的所有重要負荷電源均按照相互備用冗余設計，且要求兩路互備冗余電源分別取自2臺UPS（如圖4所示）。

（2）單臺機組2臺UPS采用“1+1”并機方案，帶所有的負荷。UPS的所有重要負荷電源按照相互備用冗余設計，一路取自UPS并機輸出，另一路電源取自機組保安電源。相對于單機運行，并機系統的可靠性要高。隨著并機技術的發展，若能徹底解決并機的環流問題，不失為一種理想的選擇方式。

4 結 論

圖3 UPS“N+1”配置原理示意圖（以2臺機組為例）

圖4 重要熱工負荷雙路互相備用冗余電源示意圖

提高UPS供電可靠性最根本的是提高單機運行的可靠性，在此基礎上合理配置UPS系統及重要負荷的電源系統，才能從根本上解決整個系統的供電可靠性問題。另外，有些重要負荷的電源采用并列運行的交直流雙電源系統，設計有完善的電源監視。由于直流系統的供電可靠性較高，能夠減輕對UPS供電可靠性的依賴，可以為重要負荷的供電提供借鑒。