民航空管UPS供電系統(tǒng)中并機(jī)環(huán)流的危害與抑制措施

中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局 尹國強(qiáng)

《民航空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施設(shè)備供配電配置指導(dǎo)材料》明確規(guī)定：民航空管供電系統(tǒng)需采用UPS并聯(lián)冗余配置方式。但是，UPS并機(jī)環(huán)流問題是不容忽視的，如果不加以重視和抑制，則會對民航空管設(shè)備的供電運(yùn)行保障造成安全隱患。本論文闡述了民航空管UPS供電系統(tǒng)中，并機(jī)環(huán)流的產(chǎn)生、危害及其抑制措施。

1 并機(jī)環(huán)流的分析

《民航空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施設(shè)備供配電配置指導(dǎo)材料》明確規(guī)定：民航空管供電系統(tǒng)需采用UPS并聯(lián)冗余配置方式。但是，UPS并機(jī)環(huán)流問題是不容忽視的，如果不加以重視和抑制，則會對民航空管設(shè)備的供電運(yùn)行保障造成安全隱患。并機(jī)環(huán)流導(dǎo)致了兩臺UPS逆變器所輸出的電流不是全部流向負(fù)載，而會有部分電流在兩臺UPS逆變器之間流動。兩臺UPS并機(jī)運(yùn)行時(shí)，逆變器輸出電壓的相位、頻率、幅值要時(shí)刻保持同步，三個(gè)參數(shù)的任一偏差都將導(dǎo)致環(huán)流的產(chǎn)生。

民航空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備供電系統(tǒng)所用的UPS設(shè)備都是三進(jìn)三出式，在分析三相逆變器的并聯(lián)時(shí)，分析其中某一相的并聯(lián)特性就得到其他兩相的并聯(lián)特性，圖1為某一相逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的等效電路。U1、U2分別為兩逆變器的輸出電壓，UPS-1逆變器的輸出阻抗Z1=R1+jX1，UPS-2逆變器的輸出阻抗Z2=R2+jX2，Z0為后端負(fù)載等效阻抗，I0為并機(jī)母線電流。

圖1 單相逆變器并聯(lián)等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律得到方程組：

三方程聯(lián)立求解，得：

當(dāng)兩臺逆變器輸出的阻抗部分：R1=R2，L1=L2，C1=C2，即Z1=Z2=Z。

可得出：

令△U=U1－U2，得出兩臺逆變器并聯(lián)側(cè)的環(huán)流：

由最終的環(huán)流公式可知，并機(jī)系統(tǒng)中的環(huán)流Icir與電壓差△U以和等效阻抗Z確定，與后端所帶的負(fù)載大小和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)。兩臺UPS并機(jī)運(yùn)行時(shí)，逆變器的輸出電流由兩部分構(gòu)成，一部分是負(fù)載電流分量，另一部分是流通在并聯(lián)系統(tǒng)中兩逆變器之間的環(huán)流分量Icir。對于并聯(lián)系統(tǒng)來說，負(fù)載是一定的，而環(huán)流的存在就使得每臺UPS逆變器的輸出電流存在差異，即兩機(jī)實(shí)際所帶負(fù)載因環(huán)流而出現(xiàn)差異，負(fù)載沒有得到均分。

如果兩臺逆變器輸出電壓的相位差超過設(shè)備的允許范圍，即便是兩逆變器輸出電壓的幅值相同，也會在兩逆變器輸出側(cè)之間會形成瞬態(tài)電壓差，對UPS并機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成巨大威脅。而且在這兩種交流電源間形成的瞬態(tài)電壓差的幅值和符號會隨時(shí)間而變化。圖2是兩逆變器輸出的正弦波電壓存在相位差的情況。

圖2 U2的相位超前于U1

由圖2可知，在0～t1、t2～0.02s的時(shí)間內(nèi)，U1>U2，△U>0，即Icir2為負(fù)值。此時(shí)的環(huán)流從UPS-1逆變器流向UPS-2逆變器。在t1～t2的時(shí)間內(nèi)，U1＜U2，△U＜0，即Icir1為負(fù)值。此時(shí)的環(huán)流從UPS-2逆變器流向UPS-1逆變器。

圖3 U1的幅值大于U2

如果兩逆變器輸出的相位和頻率相同，而電壓幅值不同，則會出現(xiàn)以下情況，圖3為兩電壓圖形。

由圖3可知，在0～0.01s內(nèi)，U1>U2，Icir2為負(fù)值，環(huán)流流向UPS-2逆變器；在0.01s～0.02s內(nèi)，U2>U1，Icir1為負(fù)值，環(huán)流流向UPS-1逆變器。

2 并機(jī)環(huán)流的危害

UPS并機(jī)系統(tǒng)正在運(yùn)行，假設(shè)某一時(shí)刻，U1>U2，則會出現(xiàn)如下情況：

（1）空載運(yùn)行時(shí)，I0=0，。I2為負(fù)值，I2不是流向負(fù)載，而是流向逆變器內(nèi)部。UPS-1輸出的有功功率都被UPS-2吸收，嚴(yán)重破壞了UPS-2運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（2）輕載運(yùn)行時(shí)，即I0較小。此時(shí)UPS-2會消耗大量有功功率，并機(jī)系統(tǒng)的均流不平衡度會有增大的趨勢。這也就是大功率UPS并機(jī)系統(tǒng)在輕載運(yùn)行時(shí)，設(shè)備故障率增大的原因。

（3）若U1=U2，。兩臺逆變器實(shí)現(xiàn)向后端負(fù)載的均流供電，此時(shí)不存在環(huán)流。

并機(jī)環(huán)流增加了UPS并機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的功率損耗，足夠大的環(huán)流會使逆變器過載或者過流保護(hù)電路動作，UPS輸出開關(guān)跳閘，此時(shí)只能由一臺UPS設(shè)備帶后端全部負(fù)載，這造成了整個(gè)民航空管UPS供電系統(tǒng)正常運(yùn)行的安全隱患。

3 并機(jī)環(huán)流的抑制措施

要想使UPS并機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)兩逆變器輸出的電流完全相同，就必須保證兩逆變器的輸出電壓和等效阻抗相等。而即便是采用同型號和容量的UPS也是很難做到的，原因有：

（1）因?yàn)閁PS功率元器件參數(shù)的固有差異，如開關(guān)管導(dǎo)通壓降和濾波電感值等不同引起的逆變器輸出不一致。

（2）兩逆變器輸出端至并機(jī)輸出柜的連接電纜的等效電阻不一致，造成逆變器的等效阻抗存在差異。

（3）兩臺UPS并機(jī)邏輯控制電路電子元件參數(shù)的不同，使采樣電路存在差異，反饋控制得到的逆變器輸出電壓也不同。

因此就必須使用均流技術(shù)，對UPS并機(jī)系統(tǒng)中的逆變器輸出電流進(jìn)行有效控制，使系統(tǒng)中的兩臺UPS實(shí)現(xiàn)功率的平均分配。這是保障系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的一種特殊措施。

圖4 北京區(qū)域管制中心UPS配置方式

目前，國外知名品牌的UPS設(shè)備廠家的并機(jī)邏輯控制電路幾乎都是采用平均電流法設(shè)計(jì)方式。這種控制方式無需外加并機(jī)同步控制器，只需CAN通訊總線連接在兩臺UPS設(shè)備的并機(jī)邏輯控制電路的接口端即可。并機(jī)邏輯控制電路采集到兩UPS逆變器輸出參數(shù)差值信號后進(jìn)行比對，再對各自的UPS逆變器進(jìn)行微調(diào)，使輸出參數(shù)保持同步。

在兩臺UPS正式并機(jī)運(yùn)行前，廠家工程師會調(diào)校設(shè)備的輸出參數(shù)，將逆變器輸出電壓差控制在最小范圍，但每個(gè)UPS設(shè)備廠家的參數(shù)值都不相同。北京區(qū)域管制中心的高頻機(jī)UPS在投入運(yùn)行前，廠家工程師做到了以下幾點(diǎn)設(shè)置：

（1）設(shè)置UPS設(shè)備的輸出頻率為50Hz，逆變器跟蹤靜態(tài)旁路的頻率速度為2Hz/s，頻率偏差為0.1Hz。

（2）將UPS逆變器輸出電壓范圍設(shè)置在400（13%）V，電壓波動幅度為1%。

（3）調(diào)整相位，使兩臺UPS逆變器輸出電壓差在1V以內(nèi)。

對于民航空管UPS供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來說，進(jìn)行合理的選擇UPS設(shè)備選型以及合理的并機(jī)系統(tǒng)的配置就尤為重要。

下面以北京區(qū)域管制中心的UPS并聯(lián)冗余雙母線供電系統(tǒng)為例，簡要配置方式見圖4。此處UPS前端配置的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS、系統(tǒng)中的斷路器以及UPS維修旁路省略。

北京區(qū)域管制中心的UPS供電系統(tǒng)，在2019年5月進(jìn)行了一次更新改造。系統(tǒng)配置了四臺同品牌、同型號的高頻機(jī)UPS，每臺UPS內(nèi)部都配有并機(jī)邏輯控制電路板。四臺UPS的靜態(tài)旁路來自同一市電電源。UPS-1、UPS-2組成UPS-A組；UPS-2、UPS-3組成UPS-B組。每組的兩臺UPS之間通過CAN通訊總線連接，每臺UPS的逆變器在實(shí)時(shí)追蹤靜態(tài)旁路的市電電源的同時(shí)，并機(jī)邏輯控制電路會調(diào)整逆變器的輸出參數(shù)，使并機(jī)環(huán)流值達(dá)到合理的范圍之內(nèi)。

UPS單機(jī)帶載量在設(shè)備容量80%～85%時(shí)，UPS運(yùn)行效率最高。在配置民航空管UPS冗余雙總線供電系統(tǒng)時(shí)，每臺UPS實(shí)際帶載量不宜超過20%。北京區(qū)域管制中心UPS單機(jī)容量為400KVA，現(xiàn)實(shí)際單機(jī)帶載量均在11%，既為后端負(fù)載設(shè)備留有足夠的擴(kuò)容空間，又延長了整個(gè)UPS供電系統(tǒng)的使用壽命。

每臺UPS的輸入和輸出電纜都采用最高等級的WDZAN型。每組的兩臺UPS逆變器輸出側(cè)至并機(jī)輸出柜之間的電纜的截面積和長度相同，盡可能使兩臺UPS逆變器輸出端的阻抗相同。

北京區(qū)域管制中心UPS供電系統(tǒng)運(yùn)行至今，無論是正常運(yùn)行還是設(shè)備換季維護(hù)，均未出現(xiàn)因環(huán)流問題引發(fā)的故障。

結(jié)束語：每臺UPS的內(nèi)部阻抗和輸出電壓不可能完全一樣，只能盡量將逆變器輸出的參數(shù)差控制在接近于“零”的程度。在UPS并機(jī)冗余供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，也需要運(yùn)維人員定時(shí)記錄各UPS的輸出電流和功率因數(shù)。當(dāng)同組的兩臺UPS輸出參數(shù)相差較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)通知設(shè)備廠家來對并機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行校正，確保民航空管UPS供電系統(tǒng)始終處于高可靠性、高穩(wěn)定性的不間斷運(yùn)行狀態(tài)。