石化行业UPS系统应用与UPS冗余系统旁路变压器配置可行性分析

时间:2012-08-28 16:28来源:世纪电源网

摘要:一、引言摘要介绍UPS及其供配电系统的结构形式,并对UPS供配电系统运行方案的可行性进行分析,提出石化行业UPS应用及其供配电系统可靠的配置方法。 ...

一、 引言
       摘要介绍UPS及其供配电系统的结构形式,并对UPS供配电系统运行方案的可行性进行分析,提出石化行业UPS应用及其供配电系统可靠的配置方法。
       信息技术已经渗透到各行业应用以及生产控制运行的方方面面,行业电子信息系统及过程控制系统一旦意外中断,将带来日益严重的影响。 正如国标GB 50174-2008 《电子信息系统机房设计规范》中对A级电子信息系统机房的定义:
 电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失;
 电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱。
UPS供配电系统作为石化、冶金生产控制中心正常运转的基础,电力供应的高可靠性、高安全性、高可测试性自然成为至关重要的问题。其中,UPS方案配置的合理性验证是非常必要的。UPS供电系统方案设计时充分考虑并避免设计、制造或施工方面的缺陷与问题,可以确保UPS系统正常运行时的安全可靠性。
二、 在线式UPS的锁相同步运行原理
       在线式UPS主要由整流器、逆变器、交流旁路、手动维修旁路等主要部件构成。UPS运行时,不论市电正常与否,其负载总是由逆变器供电,市电中断或恢复时,无任何转换时间。但是,在一些特定情况下,可能需要逆变输出切换到旁路输出,旁路输出时交流输入不经过整流和逆变两个过程而直接输出给负载供电。为了保证在线式UPS能够稳定可靠的运行,有必要对逆变器输出和交流旁路进行锁相同步,同步状态和切换方式直接影响UPS的供电安全性。



 逆变器无法正常工作时
       过温、过载或逆变本身故障时,UPS系统必须提供应急的供电回路以保证负载的正常运转,交流旁路是这种情况下UPS负载唯一的应急供电回路。
基于此条件,UPS正常工作时,逆变器必须随时与交流旁路进行锁相同步,以使转换时无电力中断,因此,旁路的设计与配置尤为重要。交流旁路的电压等级与逆变输出不一致时,为确保负载正常运行,就必须配置旁路变压器。如果选择冗余UPS运行方案,为了使冗余系统中各UPS的输出进行切换动作时不产生电力中断,必须保证冗余系统中所有UPS旁路电源的一致性。
       旁路供电原理如下:箭头方向是供电路由:



 1、 逆变与交流旁路的锁相同步
       所谓同步,是指逆变输出和交流旁路的频率、相位完全一致、电压幅值基本相同。UPS在运行过程中,会监控逆变输出和交流旁路是否同步。交流旁路的频率在UPS允许的频率范围内,逆变器会自动执行对交流旁路的频率跟踪和相位锁定,此时逆变输出和旁路输出是同步的,这个过程称作“锁相同步”。如果交流旁路的频率、电压等电气指标由于某些原因超出了UPS允许的范围,逆变器将不能完成锁相同步,转由内部时钟产生的频率来运行,在这种情况下,逆变器无法与旁路保持锁相同步。
        UPS的逆变输出和交流旁路是否同步,对于UPS的旁路切换有着非常重要的影响。不同步切换可能会造成损毁设备、负载停电等严重后果,所以正常工作时必须保证UPS的逆变输出与交流旁路的同步条件,以确保UPS系统运行的可靠性。
2、 逆变输出与交流旁路的同步切换动作
        UPS工作于锁相同步状态时,能够实现不间断切换,该切换的动作过程是:逆变输出与交流旁路静态开关同时导通,短时内重叠向负载提供能量,随后其中一个供电回路被控制切断,最后负载由另一路供电。
       逆变器输出电压与交流旁路的电压相差较大时进行切换,会产生环流,导致逆变器过载,环流过大会产生短路效应,使切换操作彻底失败,严重时会烧毁逆变器,使系统断电甚至烧毁负载。因此,在逆变输出与交流旁路电压不一致的情况下,UPS会主动调整逆变器的输出电压,此时逆变输出与交流旁路同时导通不会形成过大的环流,能够满足切换要求。
三、 造成切换故障的原因
         然而,两路交流电能够重叠的条件是两路交流电的频率、相位和电压幅值在重叠的过程中必须保持一致。如果两路交流电不能保证频率、相位和电压幅值都相同,则任意一个参数的差别都将形成两路交流电之间的环流。如果环流较大,则可能会引起逆变器的过载,甚至造成元器件的损坏。
1、 旁路变压器造成的相位偏移
       有些应用场合,如果输入电压值与负载的工作电压不同,必须配置旁路变压器,以使交流旁路工作时发挥不停电作用,改善负载电力的连续性。但是,增设旁路变压器是有一些限制的旁路配置隔离变压器很大程度上会因为变压器本身的相位移造成UPS的转换故障,此变压器有如下特征:
 变比相同,以得到相同的电压等级由于绕组的差异性变化,会产生相位移
 如果是单相变压器,带载后最大相位移可达180度
 变比相同的情况下,输出电压也会产生变化
       UPS可以根据需要调整逆变器的输入指标,可以通过对逆变器的调控实现对交流旁路的主动锁相同步,因此,UPS可以方便的配置输出变压器。
       然而,交流旁路是不可控的,旁路变压器的输出相位移会因输入电源的变化而变化,配置了旁路变压器的UPS系统,会因为旁路相位移会导致转换时发生短路现象,烧毁UPS系统。手动旁路操作时可能产生对操作人员的人身伤害。正确的配置方法是为UPS所在的低压环境配置隔离变压器,而不是单独为UPS的旁路配置变压器,如下图所示:



 
2、 多机冗余系统的旁路隔离变压器配置解决方案
       随着石化行业UPS应用的日益增长,我们对UPS的供电可靠性要求也越来越高,目前主流的UPS冗余方案分多机并联冗余方案与多总线方案,在重要的应用场合,还将STS静态转换开关加入了双总线运行方案,这是针对旁路变压器讨论的重点。
    多机直接并联冗余
       多机直接并联冗余的工作原理是通过将两台或多台UPS的输出直接进行并联,从而实现UPS系统的冗余备份。在这个运行方案下,各台UPS仍遵循锁相同步的控制原理,所有参与并联的UPS的旁路必须来自同一电源,否则将无法实现并联,因此,为UPS系统配置旁路隔离变压器时应采用公共旁路变压器的配置方式,变压器容量应按N-1的容量进行配置,国标GB 50174-2008 《电子信息系统机房设计规范》中对该种运行方式有明确定义。该方案如下图所示:



 
   带有STS静态切换开关的双总线冗余方案
目前,石化行业的产生控制系统中除了双电源的DCS系统外,仍有大量的单电源型负载,如控制中心的计算机系统等,为了提高单电源负载的供电可靠性,很多情况下我们需要在双总线供电系统中同时配置STS静态切换开关。在这种安全可靠的供电方案中,优化旁路系统的设计,可以消除整个方案系统的单点故障。
       STS是一种静态切换装置,可以实现两路电源之间的不间断切换,为单电源负载提供公共的双母线供电,STS原理如下图所示:



STS设计用来实现两个同步交流电源之间进行不间断(4ms)转换。在配置了STS的UPS冗余供电系统中,STS的两路输入电源一般情况下分别来自于两个不同的UPS系统,必须为每个UPS系统配置同步控制器,以实现两个不同的UPS系统的同步输出,STS绝对禁止接入两路会产生环流的不同步输入电源。
       但必须提出的是,针对UPS的运行原理,旁路始终是不可控电源,我们应充分考虑旁路供电时的同步处理,为了避免任何一套UPS系统工作于旁路时因为旁路电源不同步而产生的STS不可转换问题,在方案实施时必须保证各UPS旁路系统应来自同变压器输出的同一电源。因此,对于带有STS的UPS双总线系统,其旁路变压器配置方案必须格外注意。
 三相旁路变压器的正确配置
 应选用同一厂商、同一批次的产品
 联接组标号(联接组别)相同
 一、二次侧额定电压分别相等,即变比相等
 阻抗电压标幺值(或百分数)相等
如果不能满足上述要求,系统运行过程中STS进行转换极有能会带来如下后果:
 STS两路输入电源相位不同造成转换失败情况下的断电现象
 联接组别不同,二次电压间的相位差造成的环流过大,会烧坏变压器。
 变压器阻抗电压标幺值不相等,会出现旁路负载不均衡现象,严重时,其中一台变压器会超载发热,直致烧毁。
    单相旁路变压器的正确配置方式
对于单相输出的UPS系统,由于不同单相变压器无法控制其输出相位差的角度,极端情况下两个单相变压器的相差可能达到180度,因此绝对不能为每个UPS系统单独配置旁路变压器,否则会使STS系统因两路输入电源不同步而造成无法正常工作的现象,强行转换极有可能会发生短路,导致STS后端的整个负载处于电源中断的危险中。单相输出的UPS双总线系统配置STS装置后,为使整个系统达到最高的可靠性,所有UPS系统的交流旁路应共同配置一台隔离变压器,变压器容量需要根据整个系统的连接方案进行计算后确定,对于由两个独立的单相输出UPS系统组成的双总线运行方案,旁路变压器的正确配置方法如下图所示:



 
四、 结论
        本文着重讨论了在线式UPS系统的同步和切换问题,阐明了UPS逆变器输出和交流旁路切换时的三个同步要素。同时,深入分析了石化行业UPS旁路变压器的配置问题,目的是对旁路变压器的配置可行性进行分析,并提供了相关解决方案。
       针对工业DCS系统的UPS冗余供电方案在运行于切换过程中存在故障隐患,建议采用多机供电方案,尤其针对配置了STS静态切换装置的单相输出的UPS系统着重提出了旁路系统以及旁路隔离变压器的配置依据。冗余系统中对旁路变压器的要求实为避免交流同步的环流、短路、同步等故障隐患的解决方案。正确配置可以提高UPS基础供电系统的可靠性,为强化生产运行提供可靠性以及配置依据,增强了运行方案的应用性和普及性。冗余UPS系统中旁路应保持一致性,特别针对配置旁路变压器的方案,各UPS系统应共用同一旁路变压器。

                              佛山市新光宏锐电源设备有限公司(研发部)
                                   Tel:(86)757-82321152  83003383
                                   http://www.sunshineups.com
                                                  2012年8月28日

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