工业UPS系统的选择与设计

邓　珺

(广东寰球广业工程有限公司, 广东 广州　510655)



工业UPS系统的选择与设计

邓珺

(广东寰球广业工程有限公司, 广东 广州510655)

摘要：结合工程实例介绍了工业UPS的系统方式、容量选择及系统组成,分析了UPS系统的四种工作状态。指出要根据项目的具体情况选择合适的UPS系统,为负载提供可靠、稳定的电源,有利于供电系统安全、可靠地运行。

关键词：UPS系统; 整流器; 逆变器; 静态开关

0引言

不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)具有切换时间短、效率高、无振动、维护费用低、可靠性高等优点,广泛地用于工业自动化等重要场合。UPS系统为负荷等级较高的用电设备提供电源,因此其选择直接影响负载的电能质量和供电系统的可靠性。

1项目概况

某公司年产50万t工程塑料项目中,在火炬界区内设置一座380V 低压配电房,为该界区内工艺凝液泵、现场机柜间动力照明、污水泵等用电负荷供电。火炬内工艺介质主要为乙烯、异戊烷、甲醇、甲烷、氢气、丙烯等易燃、易爆介质,因此装置区内大部分场所为爆炸危险环境(现场机柜间及低压配电房为非爆炸危险环境)。当突然停电时会打乱生产过程,需较长时间恢复,影响上游装置平稳运行,故该装置负荷为二级负荷。其中火炬点火系统、航空障碍灯、仪表电源的负荷等级为一级,其他用电设备为二级负荷。二路380 V低压进线取自35 kV水处理变电所交流380 V低压开关柜不同母线段。380 V 配电系统采用中性点直接接地系统。

2UPS选择

2.1UPS系统方式的选择

根据用电设备对供电可靠性、连续性、稳定性和电源等参数质量的要求,UPS系统有以下几种类型:

(1) 单一式。一般用于系统容量较小、可靠性要求不高的场所。

(3) 并联式。可组成大型UPS供电系统,供电可靠性高,运行比较灵活,便于检修。

(4) 并联冗余式。可组成大型UPS供电系统,供电可靠性高,运行比较灵活,便于检修,可用于互联网数据中心等重要场所。

石化企业对供电的可靠性、连续性要求很高,电机等冲击负荷多,电网电压波动大,要求UPS输入电压范围宽,抗电涌能力强。另外,工业环境对设备防腐蚀、防尘要求高。根据这些特点和该项目的要求,选择冗余式工业UPS。

2.2UPS容量的选择

冗余式UPS为装置内的火炬点火系统、航空障碍灯供电,UPS系统的容量计算如表1所示。由于用电设备的额定电压为380 V,因此UPS输出电压为380 V。UPS的容量选择依据负荷的大小,并考虑30%的备用余量。因此,选择一套三进三出视在功率为40 kVA的UPS。

表1　UPS系统的容量计算

3系统组成

UPS装置由主机柜、旁路柜、电池柜和配电柜组成。UPS系统单线图如图1所示。

(1) 整流器/充电器。整流器采用晶闸管相控整流电源,其输出侧为直流电源。整流器/充电器要有足够的容量在规定的时间内给完全放电的蓄电池再充电,并给逆变器负荷瞬时供电。整流器/充电器充电方式有浮充方式、自动充电方式、手动充电方式、初始或均衡充电方式等4种。

图1　UPS系统单线图

(2) 铅酸免维护蓄电池、电池断路器。蓄电池的容量和数量应确保在规定的环境条件、运行条件及规定的直流电源后备时间(应急供电时间)内能够连续为逆变器所带负荷供电,并具有防爆、阻燃功能。在主交流电源停电的情况下,电池应能够确保 UPS逆变器的起动,并在规定的后备时间内继续给负荷供电(在主交流电源正常时系统已经起动的条件下)。UPS电池管理系统可对蓄电池进行充放电管理,对温度进行自动补偿。为了维护电池,断路器将电池与整流器/充电器、逆变器隔离。

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(3) 逆变器。逆变器接收整流器或电池组的输出直流电流,将其转换为交流电。为了能够无间断地切换到旁路电源,逆变器的输出电压应在任何可能的情况下都能与旁路电源同步。

(4) 静态旁路开关。当逆变器故障或系统过负荷时,应自动切换至备用电源。切换系统应有一个内部防跳装置,以防止在下游发生不明确的故障时电源间振动。当故障清除或负荷已恢复至正常状态时,静态开关应自动恢复至逆变器输出位置。

(5) 手动维护旁路开关。手动维护应作为静态开关的备用开关,应能保证在UPS主回路检修时能独立工作,确保不间断地为负荷供电。

(6) 隔离变压器。为了防止UPS内部误操作对上级电网的影响,整流器输入侧设置输入隔离变压器。为了防止负载对UPS的冲击,逆变器输出侧设置输出隔离变压器。

(7) 控制、保护及自检系统,包括液晶监视装置和电池在线检测装置。

(8) 报警、故障两对无源接点组成的故障报警单元。该单元要为全厂电气监控系统预留通信接口,通过该接口提供UPS所有的运行、报警和故障等信息。接口通信规约为Modbus。

为降低内部短路的危险并限制内部故障时损害的扩大,模块化的系统元件应采用物理隔离,并安装在户内落地式金属柜内。另外,密封铅酸免维护电池应独立成柜。

4工作过程

4.1正常运行

主电源正常进行时,整流器/充电器为逆变器提供直流电流,同时对电池进行浮充电,由逆变器连续向负荷供电。

4.2主电源故障

在主电源故障或极度恶化的情况下,逆变器在规定的电池后备时间内利用电池无间断地、无扰动地连续为负荷供电。当主电源恢复正常运行时,整流器/充电器再次为逆变器供电,并给负荷无间断、无扰动地供电,同时自动给电池进行恢复性再充电。

4.3逆变器故障,旁路运行

负荷超过系统能力(短路、大电流起动等)或 UPS 停机(用户为了维护而停机或内部故障自动停机)的情况下,当旁路电源正常且在容限范围内时,静态旁路开关应无间断地瞬间将负荷切换到旁路电源。为此,逆变器的相位和频率应自动与旁路电源同步;负荷从旁路电源同步地切换回UPS输出的过程可自动或手动完成。切换过程中不应中断负荷供电或扰动。

4.4手动旁路运行

为了便于维修,交流UPS装置包括一个手动操作的机械旁路系统。为了确保在服务或测试期间的人身安全,机械旁路系统在利用旁路交流电源继续给负荷供电的同时隔离整流器/充电器、电池组、逆变器和静态开关等单元电路。

5结语

现今,UPS越来越广泛地用于工业自动化等重要场合,应结合工程项目的具体情况选择UPS系统,以满足石化企业供电系统的高可靠性和高连续性的要求。

参考文献

[1]修志刚,张慧康,李海林,等.UPS电池容量计算方法[J].现代建筑电气,2013,4(11):4-7.

[2]孙博.UPS电源设备的原理与使用维护[J].通信电源技术,2010,27(3):68-70.

[3]邵有为,张毅.UPS电源设备维护及蓄电池充电电路分析[J].数字技术与应用,2010(8):157-158.

Selection and Design of Industry UPS SystemDENGJun

(Guangdong Petrochemical Engineering Design Institute, Guangzhou 510655, China)

Abstract：This paper discussed the operation modes and capacity selection of UPS system.The composition of UPS system was elaborated.The four operation processes of UPS system were analyzed.It is pointed out that the suitable UPS system should be selected based on project conditions,which provides the reliable and stable power supply,to ensure the safe and reliable operation of power supply system.

Key words:UPS system; rectifier; inverter; static switch

收稿日期：2015-03-20

中图分类号：TU 851

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2015)06-0010-03