大機(jī)組UPS電源系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題分析

　　4.1　認(rèn)識(shí)上的反思

　　1988年，黃埔發(fā)電廠300 MW機(jī)組開(kāi)始安裝，筆者是甲方代表，初接觸靜態(tài)逆變的UPS，對(duì)其原理和特點(diǎn)還了解甚少，在UPS電池個(gè)數(shù)選擇上走了一段彎路。原設(shè)計(jì)電池為日本湯淺公司生產(chǎn)的QFD-250型，250 Ah，堿性，180個(gè)，浮充電壓1.35 V×180=243 V，均充電壓1.47 V×180=264.6 V。拿一般直流系統(tǒng)去套，認(rèn)為直流電壓偏高，會(huì)縮短繼電器、信號(hào)燈等元件壽命，遂提出建議減少電池。經(jīng)設(shè)計(jì)代表、乙方代表同意，變更為171個(gè)，浮充電壓231 V，均充電壓251 V。

　　1991年9月26日，5號(hào)機(jī)組投產(chǎn)2 a后，進(jìn)行UPS試驗(yàn)。斷開(kāi)整流器、充電器后不到10 min，電池從231 V急劇跌降至210 V，逆變器輸入側(cè)開(kāi)關(guān)Q4跳閘，切至旁路。均衡充電10 h后，重新試驗(yàn)，放電約20 min，Q4跳閘。

　　電荷量Q=250 Ah電池，以2 h率電流放電(Q／2 h=125 A)，為何不到0.5 h電壓就跌至210 V呢?筆者認(rèn)為主要是電池個(gè)數(shù)偏少。逆變器輸入210 V跳閘時(shí)，單個(gè)電池電壓為210 V／171=1.23 V。電池以0.5Q／h電流放電，允許終止電壓為1.05 V，1.23 V以下的有效容量未充分利用。查QFD電池放電系數(shù)k=0.5 h-1的放電電壓曲線，當(dāng)電池降至1.23 V的時(shí)間約20 min，與前述試驗(yàn)結(jié)果相符。為此，1992年2月筆者草擬了UPS電池改進(jìn)的意見(jiàn)，電池加裝至186個(gè)。驗(yàn)算其放電至210 V時(shí)，單個(gè)電池仍有210 V／186=1.13 V，查k=0.5 h-1放電電壓曲線，放電可持續(xù)約1.5 h。

　　QFD電池放電電壓曲線見(jiàn)圖4。

　　圖4　不同放電系數(shù)的放電電壓曲線

　　4.2　對(duì)原設(shè)計(jì)的分析及修正

　　原設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)，以電池電電流227 A，0.5 h，放出電荷量113.5 Ah，45.4%容量，查0.908 h-1放電電壓曲線，放電0.5 h單個(gè)電池電壓1.17 V，電池個(gè)數(shù)n=210／1.17=180。

　　這里糾正兩點(diǎn)：

　　a)逆變器輸入電流，即電池放電電流計(jì)算值應(yīng)為245 A，而非227 A；

　　b)考慮UPS電池的放電時(shí)間0.5 h，此時(shí)的電壓1.17 V不是電池的終止放電電壓。

　　修正計(jì)算如下：

　　按電池放電系數(shù)

　　k=IDC／Q=245 A／250 Ah=0.98 h-1，

　　查0.98 h-1≈h-1放電電壓曲線，得終止放電電壓為1.03 V。防止個(gè)別落后電池過(guò)放電損壞，留有余地，終止放電電壓取Upn=1.03 V×1.04=1.07 V。電池個(gè)數(shù)n為逆變器最低輸入電壓UDC，min與電池終止放電電壓Upn之比，即

　　n=210／1.07=196.

　　驗(yàn)算應(yīng)滿足條件：

　　a)放電0.5 h后的單個(gè)電池電壓應(yīng)不小于電池的終止放電電壓；

　　b)放電0.5 h后的整組電池電壓應(yīng)不小于逆變器最低輸入電壓；

　　c)放電至逆變器最低輸入電壓時(shí)單個(gè)電池電壓應(yīng)不小于電池的終止放電電壓；

　　d)放電時(shí)間不小于30 min。

　　經(jīng)驗(yàn)算，n=196滿足上述條件。

　　4.3　討論

　　由于UPS的逆變器設(shè)置了低電壓保護(hù)，為了充分發(fā)揮電池容量，希望UPS專用電池的個(gè)數(shù)多一點(diǎn)，放電至逆變器低電壓跳閘時(shí)的單個(gè)電池電壓低一點(diǎn)，以延長(zhǎng)放電時(shí)間；而為了保護(hù)電池，電池個(gè)數(shù)應(yīng)少一點(diǎn)，放電后期單個(gè)電池的電壓才不致于過(guò)低，以防止過(guò)放電。設(shè)計(jì)人員應(yīng)適當(dāng)?shù)靥幚磉@一矛盾。

　　電池放電時(shí)間與電池個(gè)數(shù)密切相關(guān)。在輸出電流245 A，選定250 Ah電池條件下，若選196只，可以放電46 min，單個(gè)電池電壓至1.07 V時(shí)放出76%容量(190 Ah)；若選186只，至210 V／186=1.13 V時(shí)，放出49%容量(122.5 Ah)，可以放電30 min；若選180只，至1.17 V時(shí)只能放出28%容量(70 Ah)，持續(xù)時(shí)間僅有17.2 min，達(dá)不到期望值30 min。由此可見(jiàn)，充分的容量還要搭配足夠的個(gè)數(shù)，才能發(fā)揮電池應(yīng)有的效能。

　　5　逆變器輸入電壓的選擇

　　逆變器輸入電壓的范圍，與電池、充電器的選型有關(guān)。逆變器輸入端與電池及充電器的輸出端連接，中間一般設(shè)隔離二極管。逆變器正常輸入電壓，應(yīng)高于電池正常浮充和均衡充電時(shí)的整組電壓，電池才不會(huì)輕易放電。

　　為了防止電池過(guò)放電而垮掉，逆變器必須有低電壓保護(hù)。這一保護(hù)定值，就是逆變器輸入電壓的下限，它直接決定著電池個(gè)數(shù)及直流系統(tǒng)電壓，也影響著電池容量。

　　逆變器輸入電壓的上限，制約著電池的初充電和均衡充電。如選QFD型電池196只，長(zhǎng)期浮充電壓為1.35 V×196=264.4 V，超過(guò)了220 V×(1+10%)的范圍，元件壽命大降；均充電壓為1.47 V×196=288 V，初充電壓為1.63 V×196=319 V，已高于逆變器輸入電壓的上限280 V，初充和均充時(shí)必須退出電池，而且也超出了GZKC2型充電器輸出電壓的上限310 V。此外，整流器輸出電壓實(shí)際值只有278 V，有時(shí)還出現(xiàn)波動(dòng)。基于上述考慮，UPS改進(jìn)后電池僅加裝至186只是比較合適的。

　　6　結(jié)束語(yǔ)

　　a)從優(yōu)化電源布局和操作需要出發(fā)，由設(shè)計(jì)部門繪制一張包含電源及負(fù)荷的UPS系統(tǒng)總圖是很必要的。不少工程，恰恰欠缺了這張圖。制造廠家系數(shù)列產(chǎn)品通用圖或一般原理方框圖，不能代替實(shí)際系統(tǒng)圖施工圖。運(yùn)行部門總是希望設(shè)計(jì)部門消化廠家資料后，另出一份確認(rèn)的圖紙。電廠正常生產(chǎn)后，也應(yīng)復(fù)制一套符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的竣工圖。

　　b)UPS外圍設(shè)備與廠用電和直流系統(tǒng)密切相關(guān)。電氣人員比較熟悉電源，而熱控人員則比較熟悉負(fù)荷分配和UPS裝置。UPS裝置的選型訂貨，又常與機(jī)爐控制系統(tǒng)一起考慮。因而，專業(yè)之間協(xié)調(diào)，才能規(guī)劃設(shè)計(jì)出好的方案，避免接口上出現(xiàn)疏漏。UPS裝置的監(jiān)視、停送電和倒換操作，一般由熟悉電氣系統(tǒng)的運(yùn)行人員執(zhí)行；但負(fù)荷端的UPS、DPU、APS柜內(nèi)的開(kāi)關(guān)，宜由熱控人員操作。生產(chǎn)單位只有加強(qiáng)管理，明確職責(zé)，分工分界，才能管好UPS。