UPS负载与选型

乔兰

(中国石化仪征化纤股份有限公司PTA生产中心，江苏仪征 211900）

设备改造

UPS负载与选型

乔兰

(中国石化仪征化纤股份有限公司PTA生产中心，江苏仪征 211900）

分析所在单位UPS的负载特性、负荷类型，电路中谐波电流产生的原因及对UPS运行的影响，对UPS运行现状进行分析，提出了改进措施和建议。

不间断电源谐波滤波器逆变器

UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备。当市电正常输入时，UPS就将市电稳压后供给负载使用，同时对机内电池充电，把能量储存在电池中;当市电中断(事故停电）或输入故障时，UPS将机内电池的能量转换为220 V交流电继续供负载使用，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS电源设备种类较多，输出功率为500 VA～3 000 kVA。

在电力系统中，为了保证对供电可靠性要求较高的重要设备能正常工作，发电厂、变电站均应安装UPS。随着电力电子技术的发展，对容量要求也越来越大，大容量的UPS都是三相的，因此对三相UPS的需求也逐渐增多。

笔者根据所在单位负载的具体情况及使用要求对UPS的选型进行了分析。

1 UPS工作原理

1.1 UPS充电电路

大容量UPS的充电电路，一般采用晶闸管作为整流元件，这是因为大容量UPS充电器的输出电压一般高达几百伏，充电电流为几十安培。在大功率UPS中一般都将充电器和整流器合二为一，虽然这使得其控制电路较为复杂，但由于大功率UPS本身造价较高，控制电路设计得稍微复杂一些并不会明显增加成本。图1～3所示为大、中型UPS系统框图、三相桥式全控整流电路和大功率UPS中的充电器方框图。

由图中可以看出，此充电器分为3个主要部分，即三相桥式全控整流器，由V1～V6和滤波电感L1、L2组成;采样电路，其功能是对三相输出的充电电压和电流进行采样，然后将采样的结果送到控制电路;控制电路的功能是根据采样电路送来的电压和电流信号去控制三相桥式全控整流器，以调整其输出电压和充电电流。该电路的充电曲线如图4所示。为恒压充电，其充电电流由决定;蓄电池经过一段时间的恒压充电，当其端电压上升到某一值时就转为浮充充电。(式中:IB为充电电流; Uch为恒压充电期间的充电电压;UB为电池组端电压;r为蓄电池组内阻和线路电阻之和。）

图1 大、中型UPS系统框图

图2 三相桥式全控整流电路

图3 三相桥式全控整流充电电路框图

图4 大容量UPS充电曲线

充电初期的充电电流IB，max，对于铅酸蓄电池为0.1 C，对镍镉蓄电池为0.2 C。

1.2 UPS逆变电路

三相桥式逆变电路是中、大容量UPS逆变器的基本电路，这里以三相桥式逆变电路为例，如图5所示，它是由直流电源E、3块两单元晶体管模块S1～S6、输出变压器T组成。市电正常供电时，直流电源E由整流电路提供，市电中断时，直流电源由蓄电池提供。输出变压器初级接成三角形，次级接成星型。

S1～S6的基极b1～b6分别加上正弦脉宽触发信号，其波形如图6所示。工作过程如下:

在t0～t1期间，ub1＞0，ub6＞0，ub5＞0，ub2=0，ub4=0，ub3=0，S1，S6，S5导通，S2，S3，S4截止。3个导电臂中均有晶体管导通，二极管不通，负载从直流电源中获取能量。

在t1～t2期间，ub1＞0，ub3＞0，ub5＞0，ub2=0，ub4=0，ub6=0。3个导电臂中，2个晶体管导通，1个二极管导通。若负载电感L比较大，变压器储存能量比较多，维持D3导通时间长;反之，维持D3导通时间短。

在t2～t3期间，ub1＞0，ub5＞0，ub6＞0，ub2=0，ub3=0，ub4=0。3个导电臂中，3个晶体管导通。两相负载均从电源E获取能量。

该曲线表明，大功率UPS的充电分为3个阶段:初期由于电池放电后损失较大，急需补充，故需充电电流较大，如不限流就会严重影响蓄电池的使用寿命，故这一阶段为恒流充电;当电压到达设计值(一般为浮充电压，每个电池单元为2.25 V）时就转

图5 三相桥式逆变电路

输出波形uAB如图6所示。由图看出:

a）变压器初级、次级输出三组互差120°的正弦脉宽调制波;

b）输出u0脉冲频率是驱动信号脉冲频率的两倍;

c）逆变器具有3种工作模式:

第1种工作模式:3个晶体管导通，二极管不导通;

第2种工作模式:2个晶体管导通，1个二极管导通;

第3种工作模式:1个晶体管导通，2个二极管导通。

图6 三相桥式逆变电路主要波形

2 负载类型

大型UPS中广泛应用三相桥式全控整流电路，如图2所示。内取平均值即可。在三相星形接法的电路中，线电压较其相应的相电压超前30°。现将线电压Uab的零点作为新坐标的原点，即比原来以相电压Ua零点的坐标提前30°。因此在新坐标上，自然换相点的位置在ωt=π/3处。

2.1 电阻性负载

a）当0≤α≤π/3时，Ud=2.34U2cosα=1.35 U2Lcosα

式中:U2—变压器T次级相电压;

U2L—次级线电压。

b）当π/3＜α＜2π/3时，整流只能在正半周进行，故

Ud=2.34U2［1+cos(π/3+α）］

当α=2π/3时，Ud=0，从公式亦可看出电阻负载的最大移相范围是120°。

2.2 电感性负载

对于电感性负载，由于电流是连续的，晶闸管的导通角总是2π/3，上式的积分上限可以超过π，仍为(2π/3）+α，故

Ud=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα

可见电感性负载时的最大移相范围为90°。

当控制角α=0时，其工作过程与三相桥式不控整流电路相同，在自然换相点换相。当控制角α＞0时，每个晶闸管都从自然换相点向后移α角开始换相。不管α为何值，电压Ud都是线电压的一部分。所以，从线电压入手计算Ud更简单，由于Ud波形每隔60°重复一次，Ud的计算只要在π/3范围

3 笔者单位UPS类型

笔者单位原采用的是梅兰日兰生产的GALAXY-1000PW在线式单相UPS电源，容量80 kVA，交流380 V输入(In=131 A），交流220 V输出(In= 365 A）。

图7 UPS系统图

整流/充电器模块(A）将电源1(Mains 1）提供的三相交流电变换成直流电用于逆变器的正常输入和给电池进行浮充电或强充电，电池单元(D）在电源1超限或停电情况下为逆变器提供后备电源，逆变器模块(B）将整流/充电器或电池单元提供的直流电变换成交流电输出供给负载，静态旁路模块(C）保证在逆变器停机(由用户操作或保护装置引起）或突然过载的同时将负载切换到电源2(Mains 2），维修旁路用于维修时将UPS进行隔离，并将负载无间断切换到电源2的旁路输入。只有系统安装了电源2才可能进行维修旁路的操作。它将通过维修旁路开关Q3BP直接将电源2供给负载，从而保证在系统功能故障时的高度安全性。开关的操作步骤必须严格按照以下的步骤进行操作:

a）停止所有正在运行的逆变器;

b）闭合维修旁路开关Q3BP;

c）断开逆变器输出开关Q5N;

d）断开电源2的输入开关Q4S。

要回到正常状态，必须按照相反的步骤操作以上开关。维修旁路通过3个手动开关(Q3BP、Q4S和Q5N）实现负荷供电不间断切换。

当UPS的逆变器输出电压与市电交流旁路电源电压处于锁相同步工作状态时，在需要执行从交流旁路供电至逆变器供电切换操作前，用户可通过仔细调节UPS逆变器的输出电压，使它的输出电压值等于交流旁路电源电压或者使逆变器的输出电压稍高于交流旁路电源电压(一般控制在5～10 V左右）。主控板首先向逆变器的输出接触器发出闭合操作命令，在此阶段将会出现由交流旁路电源和逆变器同时向负载供电的状况，以确保对负载的不间断供电。在执行上述同步切换操作时，很难满足这两种交流电源间的瞬态电压差一直为零。因此，总会有一个或大或小的环流在这两种电源之间流动，该环流的大小可通过专门的电流检测电路来进行实时监控。控制电路是在电流过零点上将处于交流旁路通道上的静态开关中的晶闸管关断，然后UPS才进入由逆变器供电的正常工作状态。采用这种“先合后断”的切换控制方式，可以确保上述两种交流电源产生重叠向负载供电的最长时间，被控制在50 Hz的半个周波之内(即小于10 ms）。当UPS在运行过程中，如果遇到输出过载、短路、逆变器故障或用户人为地关闭逆变器情况之一时，由控制电路在向逆变器本身及位于逆变器供电通道上的输出接触器发出“关断”命令信号的同时，也向位于交流旁路通道上的静态开关发出“闭合”命令。此时，由于输出接触器的关断响应时间较慢(大约为80～100 ms），而静态开关中的快速晶闸管开通时间很短(几微秒至十几微秒）的缘故，当静态开关闭合时，接触器尚未真正释放，所以此时向负载提供能量的电源有逆变器输出滤波电容上的残余电压(因为此时的逆变器已处于自动关机状态之中）及市电交流旁路电源。这段时间大约要持续20 ms左右。此后，负载则完全由市电交流旁路电源供电了。

4 存在问题

a）UPS有2路电源进线均来自G3站，2路进线开关型号均为NZMS6-160/ZM6-160，其中电源2进线开关整定值100 A，单相输出，该开关在当初选型时存在失误，容量远小于UPS额定电流365 A。DCS UPS静态旁路隔离空开Q4S、负载空开Q5N、维修旁路空开Q3BP均为250 A空开，均为4极开关采用两极并联输出AC220 V。

2007年UPS逆变器输出侧电容曾发生短路，逆变器显示故障，UPS电源自动切静态旁路供电。电源2通过630 A快速熔断器仍与短路的电容处于连通状态，因短路故障点未消除，UPS逆变器与静态旁路之间来回切换2次失败后，短路电流将630 A快速熔断器烧断后，又自动切换到电源2供电，因电源2进线开关已受到2次短路电流冲击，且逆变器单相输出铭牌额定值为365 A，带负载切换时瞬间峰值电流达400 A，远超过电源2进线开关整定值，当再次热态启动带负载2 s后电源2进线开关AA-52-C过载跳开，造成UPS所带负载全部失电。

b）笔者单位UPS所带负载为工艺控制室操作台、DCS电源，因DCS负荷特性不好，电流谐波很高，峰值因素达4.2～4.8，UPS逆变器额定值为365 A，正常运行电流为100 A左右，在负载发生瞬间较大过载的情况下，多次导致整个UPS跳停、装置停车。

5 原因分析及改进

在理想的供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不成线性关系时，就形成非正弦电流。负载电流由高次谐波叠加合成，谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50 Hz，二次谐波为100 Hz，三次谐波则为150 Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……又由于整流性负载的电流波形是以Y轴对称，所以谐波电流只有奇次分量。

负载类型一般可分为电阻性、电感性、电容性等线性负载与内含整流电路的非线性负载(又称整流性负载）。电脑及其外围设备多为非线性负载。UPS适用于电阻性负载及带容性的整流性负载。

感性、容性负载等非线性负载启动都有冲击电流，电脑等整流性负载即使是在正常运行时，其峰值因数也有2～3，即电流的峰值为其有效值的2～3倍，因此在选用UPS时应考虑到这一特性，应给UPS留一定的余量。对于某些功率因数较低的感性负载如空调机等，因其启动电流相当大，可达其额定值的5～7倍，并且频繁启动，因此一般中小型UPS不适用，除非留有足够的余量。

为避免越级跳闸以及高次谐波电流的影响，笔者认为UPS需作如下改进:

a）电源2进线空开选型过小，因受开关柜空间限制，将160 A空开单相输出改为160 A空开三相并联输出，增加其承载能力;

b）电容的寿命为5～7年，因笔者单位负载特性不好影响电容寿命，现定为4～5年定期更换电容，具体时间间隔取决于停车时间;

c）将UPS控制柜由单相80 kVA改为三相120 kVA，并将负荷平衡分配，降低电流谐波的影响，保证生产安全稳定;

d）完善UPS失电预案，尽量缩短DCS恢复时间。

6 结语

用户可根据负载的具体情况及使用要求进行选择，通常大功率的UPS(100 kVA以上）都是三相输入/三相输出;中、小功率的UPS(30 kVA以下）均为单相输入/单相输出。三相输出电源设备结构复杂，价格较高，因此在满足负载要求的情况下(通常情况下负载均为单相），宜优先选择单相输出的UPS;对三相输入来说，有些负载的工作电流较大，且要求电流波动小，这时可选择三相电源输入的UPS，可使系统工作状态更加稳定。采用三相输出时，UPS必须具备在短期内各相100%不平衡情况下正常工作的能力。笔者单位PTA2#装置DCS-UPS容量属于大功率范畴，且负荷特性不好，电流谐波很高，峰值因素达4.2～4.8，宜选用三相UPS输出。

现采用梅兰日兰三相120 kVA UPS，运行至今已有3年，运行平稳，未再发生任何故障，确保了现场的安全生产。

［1］王林兵，何湘宁.UPS逆变器控制方法比较分析［J］.电源技术应用，2005，1:45－50.

［2］陈一逢.三相大功率UPS系统谐波分析、调查及治理［J］.电源技术应用，2008，5.

UPS load and selection

Qiao Lan

(The PTA production center of Yizheng Chemical Fiber，SINOPEC，Yizheng Jiangsu 211900，China）

Analysis the characteristics of UPS load，and the load type in the PTA production center，analysis harmonic current in the circuit causes and impact of the UPS running，describe the status of the UPS operation，provide the proposed improvements and recommendations

UPS;harmonic;filter; inverter

TP303.3

B

1006-334X(2012）01-0056-05

2011－12－28

乔兰(1970－），江苏泰兴人，工程师，主要从事电气技术管理工作。