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中国海洋石油丽水作业公司UPS原理与应用中国海洋石油丽水作业公司前言由于应用领域中关键设备的急剧增加，使得与电力质量和可用性密切相关的问题变得前所未有的重要了。配电系统中的干扰(间断、停电、电压跌落，等等)会造成设备在运行中的重大损失或带来安全上的危险。为了避免重要设备在电能质量问题的骚扰下造成的损失，不间断电源(UPS)当然地成为了电力保护系统中解决方案的核心部分，它们提供高质量、高可用性的电力，并且融入了既与电力环境兼容、又与计算机环境兼容的先进的通信系统。本文主要对UPS的基本应用原理做了一个分析讲解，其中包括UPS基本构式、基本技术指标、PW系列UPS的操作以及日常故障维护等内容。第一章电网的质量问题1.1国家电网质量标准中国海洋石油丽水作业公司随着工业水平的不断发展，生产中的工业设备对供电可靠性的要求越来越高。表1中为国家对电网质量定出的一个标准：表11.2常见的电网干扰标准编号标准名称允许限值说明GB12525—90供电电压允许偏差（1）35KV及以上为正负偏差之和不超过10%；（2）10kV及以下三相供电为±7%；（3）220V单相供电为+7%，-10%衡量点为供用电权分界处或电能计量点GB2326—2000电压波动和闪变电压变动d的限值和变动频度r（h-1）有关：当r≦1000时，对于低压(LV)和中压(MV)，d=1.25％～4％；对于高压(HV)，d=1．O％～3％；对于随机不规则的变动，d=2％(LV、MV)和d=1.5％(HV)，闪变限值如下表：此标准为GB12326—90修订版(1)衡量点为电网公共连接点(PCC)；(2)Pst每次测量周期10min，取实测95％概率值；几每次测量周期2h，不得超标；(3)规定限值分三级处理原则；提供预测计算方法，规定测量仪器并给出典型分析实例。系统电压等级LVMVHVPst10.9(1.0)0.8P1t0.80.7(0.8)0.6注1．括号中的值仅适用于所有用户为同电压级场合。2．Pst为短时间闪变；P1t为长时间闪变。GB/T14549—93公用电网谐波各级电压谐波电压限值（%）(1)衡量点为PEC，取实测95％概率值；(2)对用户允许产生的谐波电流提供计算方法；(3)对测量方法和测量仪器作出基本规定；(4)对同次谐波随机性合成提供算法电压（kV）THD奇次偶次0.385426、1043.21.635、6632.41.211021.60.8注1、220kV电网参照110kV执行。2、表中THD为总谐波基变率GB/T15543—1995三相电压允许不平衡度（1）正常允许2%。短时不超过4%；（2）每个用户一般不超过1.3%。(1)各级电压要求一样；(2)衡量点为PCC，取实测95％概率值或日累计超过不超过72min，且每30min中超标不超过5min；(3)对测量方法和测量仪器作出基本规定；(4)提供不平衡度算法。GB/T15945—1995电力系统频率允许偏差（1）正常允许±0.2Hz,根据系统容量可以放宽到±0.5Hz;（2）用户冲击引起的频率变动一般不得超过±0.2Hz。对测量仪器提出了基本要求中国海洋石油丽水作业公司在电力供应中，电网的干扰各式各样并且时有发生。下面对各种干扰以及其主要起因、特征以及造成的后果做一个简单地描述：（1）频率波动造成频率的不稳定的原因主要有：发电机组的调整、发电机组的运行失调、频率不稳定的电源。主要的扰动偏差为+5%、-6%（10s时间间隔的平均值）。这些变化超出了某些仪表和计算机的容限范围（通常为±1%），因此，可能会导致数据的错误或丢失。（2）间断电源的间断主要表现为电压完全消失，且电压消失的时间在10ms之内，主要可能是由于大气条件、切换、故障、电网施工等原因引起。电压的间断可能会导致运行故障和数据的丢失（计算机系统）或者生产中断（连续处理过程）。（3）停电停电事故在我们日常生活中时有发生。它主要是由于大气条件、切换、故障、意外事故、电网施工的造成电压在一个周期以上的完全消失。这样会造成机器停机并危及人身安全以及数据的丢失或生产中断。（4）电压跌落电压的有效值下降至低于额定值的90%以下（但大于0%），并且持续10ms~1min之内恢复到大于90%。主要由负载波动造成。同样也可能造成机器停机、数据丢失等事故。（5）欠电压电压下降持续几分钟到数天，造成数据等的丢失以及设备的老化停机。1.3UPS对于电网稳定的重要作用随着工业水平的不断发展，生产中的工业设备对供电可靠性的要求越来越高。然而，一般的供电方式很难满足其要求。供电线路、供电设备以及供电系统中的任何器件的故障都可能导致电压的不稳定或者断电。而这种临时性的电压不稳定或者停电，往往会对设备以及生产质量造成很大的损害，甚至可能会造成人员的伤亡。例如：敏感工业处理过程，其中控制监视系统中的任何一个故障可能中国海洋石油丽水作业公司就可能导致停产；机场和医院，设备的故障或不正常运行可能意味着严重的生命威胁；我们海上石油生产过程中，如果断电，大部分的控制系统将会面临失控的危险，从而无法保障各个设备在安全可控的条件下运行，进一步加大了安全事故的发生率以及事故的危险性。为了保障电能质量的不间断性以及稳定性，不间断电源（UPS）就成为了电力保护系统中解决电源稳定性方案中的核心部分。UPS常常与其它的电源产品配套使用，例如：有源谐波调节器、静态切换开关、智能配电盘等等，它们组合在一起对敏感性电气装置中面临的各种电源保护的问题提供了完整和有效的方案。也正因为这些电源产品的配套使用，使得UPS能够提供高质量、高可用性的电力供应，并且同时融入了既能与电力环境兼容、又能与计算机环境兼容。进而被广泛应用于各大工业生产中，极大程度上的保障了生产过程中人以及设备的安全可控。近年来，因为UPS系统故障导致机组停电的事故屡有发生，例如：2006年1月28日，兰州石化公司石油化工厂1台UPS控制板故障停电造成裂解装置停运,而后整个石化厂生产停运,并因突然停车造成裂解气压缩机故障,损失重大。由此可见，UPS在工业生产中扮演着不可或缺的角色，尤其对于像油气化工这些重要的能源行业，因为工业自动化程度高，所以大量使用的DCS控制系统及仪表系统等，而这些系统对电源的连续性要求特别高。因此，拥有一个稳定的电源系统对其生产意义非常重大。1.4UPS改善电能质量UPS(不间断电源)是专门设计用来满足敏感型负载供电需求的电力装置。自二十世纪七十年代首次推出以来，它的重要性与数字化技术的发展保持着同步的增长。UPS是位于电力系统和敏感负载之间的电力装置，它提供的电力比电力系统提供的电力可靠得多，并能满足于敏感型负载对电力质量和可用性方面的要求。按照设计，双转换式静态UPS为负载提供的正弦波电压应具有：（1）高质量，因为它是经过再生和调节的(幅值1%、频率0.5%)；中国海洋石油丽水作业公司（2）排除了电力系统的所有骚扰(由于两次电力形式的转换)，特别是市电中的间断和停电(由于电池的存在)；第二章UPS的原理UPS主要由电池、充电器、逆变器、静态开关、手动旁路维修开关组成。（1）整流－充电器由可控硅三相全控整流桥功率电路和相应的控制电路组成。它将电源1输入的交流电变换成直流电，供给电池组充电及逆变器的输入。（2）逆变器由IGBT逆变功率电路和相应的控制电路组成。它将整流－充电器输入的直流电变换为正弦交流电供给负载。（3）旁路静态开关由反并联的可控硅功率电路和相应的控制电路组成。它实现负载在逆变器与旁路电源2之间的不间断切换。（4）电池电路：由可充电的电池组组成。将直流能量贮存在电池组中，当电源1停电或超限时，向逆变器电路释放能量，以对负载进行后备式的供电。（5）手动旁路维修开关当逆变器、整流器等UPS故障需要停机维修时，就可以闭合旁路维修开关，隔离UPS进行检修。2.1UPS的工作原理这里，我们主要对一种最常用的方式：双转换方式做一个介绍。其原理图如图2.1所示：双转换式Double－Conversion，又称为在线式On-Line。其主要有三种运行方式：中国海洋石油丽水作业公司图2.1（1）正常运行方式正常运行方式：提供给负载的所有电力都经过整流/充电器和逆变器的双重转换（AC-DC-AC），双转换模式因此而得名。整流器/充电器对电池进行浮充电以保持电池处于满充状态图2.2中国海洋石油丽水作业公司（2）电池后备运行方式市电停电或超限、电池放电工作方式：当交流输入电压超出UPS允许的容限范围或市电中断时，逆变器和电池无间断地投入，继续为负载供电。UPS将持续运行直到电池放电时间终止，或在市电恢复正常时回到正常运行方式。图2.3（3）旁路运行方式当停止逆变器时，负载可以无间断地切换到旁路交流输入(根据安装方式的不同由市电或后备电源供电）;引起旁路运行的原因可能是：UPS内部故障；负载电流瞬变电流尖峰(冲击电流或故障电流);人为停止逆变器。图2.4中国海洋石油丽水作业公司（4）维修运行方式UPS维修时，通过手动的方式将负载无间断地切换到维修旁路，这样可以将UPS的内部进行隔离，在不中断负载的运行的情况下对UPS进行维护和维修。整流器/充电器，逆变器和静态开关被关闭并从主电源隔离出来。电池被其保护性断路器隔离。图2.5第三章丽水36-1平台UPS简介３.１丽水３６－１平台ＵＰＳ我们平台使用的UPS是梅兰日兰公司GALAXY1000PW系列三进单出单相电源输出型设备。额定功率32KW，容量(视在功率）40KVA共两台。主要给平台中控、通讯报房、火气系统、电网跳闸保护回路等重要设备供电。目前平台2台UPS都在使用共同带载，采用单机并联冗余在线运行的方式，输出交流230V和115V两种电压等级供用户使用。我们平台UPS系统包括一台主电源进线隔离变压器柜、两台UPS柜、一台旁路电源柜、一台配电输出柜、一套蓄电池组组成。Galaxy1000PW不间断电源(UPS)主要性能：1.电压稳定(稳态条件下为±0.5%，在负载由0%跃增至100%或由100%跃减至0%的瞬变条件下为±2%)；中国海洋石油丽水作业公司2.频率稳定(没有电源2(Mains2)时为±0.05Hz)；或者与电源2的频率在±0.5Hz到±2.0Hz的范围内同步；3.在电池供电期间（30分钟)没有任何间断和中断；4.在各种系统配置情况下带线性负载时的失真度小于1.5%(线电压)；5.带80%的峰值因数高达3.0的非线性负载时的失真度小于2%(线电压)；如下图所示，为平台ＵＰＳ的单机简图：负载Q5N电池主电源输入旁路电源输入QF1Q4SQ3BPQ1UPS图３.１其中，Q1：整流器输入开关；QF1：电池电路保护开关；Q4S：电源2或静态旁路输入开关；Q5N：逆变器输出开关;Q3BP：手动维修旁路开关我们平台UPS采用直接并联在线运行方式；有两台单机型UPS组成，共同带载一台出现故障检修，另一台继续运行向负载供电，提高了系统的可靠性。每台UPS具有各自的静态旁路，实现了并联冗余和并联增容。优点：并联简单，不增大占地面积，价格适当，负载均分。缺点：两台UPS的旁路必须是同一路电源；简图如图３.２所示：中国海洋石油丽水作业公司图３.２３.３静态开关原理为防止切换时间造成瞬间供电中断并产生继电器触点拉弧打火等现象，在大功率UPS供电系统及切换过程中，采用静态开关作为切换元件。UPS供电系统中常用的两种连接方式，即转换型和并机型。目前单机型的UPS静态开关一般采用转换型，而可并机UPS的静态开关有的采用并机型。图３.３在上图中，继电器作为逆变的切换开关，交流旁路用静态开关作为切换器件。在由交流旁路供电切换为逆变器供电时，先吸合继电器然后封锁晶闸管的触发信中国海洋石油丽水作业公司号，此时由交流旁路和逆变器并联向负载供电，当晶闸管支路电流为0时，晶闸管关断而断开市电供电电路；当由逆变器供电切换为交流旁路供电时，在发出继电器关断信号的同时，触发晶闸管导通，由于晶闸管导通时间为μs级，而继电器释放时间较长，因此也存在同时供电的情况。图３.４在图(b)中，交流旁路与逆变器都采用静态开关