1000MW发电机组不停电电源系统可靠性分析
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摘要：发电厂的交流不停电电源（以下简称UPS）为机组的计算机监控和安全保护系统提供可靠的交流电源，可靠的交流不停电电源系统对1000mw大型机组电厂的安全运行十分重要。本文重点分析了几种UPS的接线方案，通过技术和经济分析，提出采用双UPS冗余并机供电的方案。
关键词：不停电 UPS 可靠性 冗余
Abstract: the power plant of AC uninterrupted power supply ( hereinafter referred to as UPS ) for the unit of computer monitoring and safety protection system provides reliable AC power supply, reliable AC uninterrupted power supply system for 1000MW large power plants it is important for safe operation. This paper focuses on the analysis of several UPS wiring scheme, through the analysis of technology and economy, the double UPS and redundant power supply scheme.
Key words: power UPS reliability redundancy
中图分类号：TB857+.3文献标识码：A文章编号：
1前言
单机容量为1000MW的机组是目前国内最大燃煤单机容量，为保证机组安全稳定运行，其计算机监控和安全保护系统也更复杂和重要。发电厂的交流不停电电源（以下简称UPS）为机组的计算机监控和安全保护系统提供可靠的交流电源，UPS的停电就意味着停机停炉。为减小因电源问题引起的强迫停机，可靠的UPS电源更显得至关重要。
为进一步提高UPS的可靠性，本文探讨了几种UPS的接线方案，从中寻找出适合1000MW机组的接线方式。
2.UPS的基本构成和型式
单台UPS的典型接线由主回路、旁路、直流回路、主配电屏及必要的测量、控制和保护装置等组成。
(1)主回路由整流器、逆变器、隔离变、静态开关组成
(2)旁路由隔离变、稳压器、静态开关组成
(3)直流回路：直流供电的方式可以是自带蓄电池，也可以是外接直流电源，目前电力工程使用的大部分为外接直流电源。
UPS电压输入/输出有三进单出和三进三出两种方式，输出是选择单相还是三相，工程中应结合工程的具体情况通过技术经济比较来确定。
一般采用单相输出，在技术上有较多的优越性，如负荷不需要进行重新分配，由于所有负荷都接在一相上，相对备用容量较多，承受冲击能力强；而三相输出要对负荷进行二次分配，设计工作量大，当单个负荷太大时，还会造成UPS容量的浪费，故目前电厂多采用单相输出的方式。
3常规不停电电源（UPS）系统方案
目前发电厂使用的UPS原理接线见附图3-1。从附图3-1可知，当逆变器故障时负载由旁路电源供电，旁路电源经稳压器供给负载，由于稳压器的调压精度有限，供给负载的电源质量不能满足要求；特别当静态切换开关发生故障时，负载将失去电源。
附图3-1单台UPS接线
为了保证供电可靠性，消除上述两个瓶颈点，一是要求UPS供电系统必须具有两回以上独立的供电电源；二是在整套UPS供电系统中任何一处单点故障，都不影响负载的正常供电。为此，采用UPS冗余并机系统来进一步提高UPS供电系统的可靠性是本文讨论的重点。
4UPS冗余方案讨论
如上所述，常规的UPS设置一般为单套。单套UPS虽然可靠性较高，但由于单机承担100%标准负载，任务重，逆变器的控制部分故障几率大。又因电厂供电条件的变化，UPS本身电器装置的老化，个别元件过早失效等都会引起UPS故障。而静态开关切换到旁路时，电压波动大，谐波分量高，电压质量往往不能满足DCS控制系统对电源的要求。对1000MW机组，采用双冗余UPS方案，提高其可靠性，以保证DCS控制系统稳定及高可靠地工作，而冗余供电UPS的设置，主要有以下几个方案。
1）方案一：主机-从机热备份方式，主机和备机为相同全容量的UPS，其结构是将备机UPS2的输出接到主机UPS1的旁路。正常运行时主机UPS1带负载，备机UPS2空载，主机UPS1故障时， UPS1的输出端静态开关会自动切换至旁路，由UPS2的输出提供负载所需电源。当异常状况消除后，静态开关会自动从旁路（UPS2）转入UPS1的逆变器输出端，此时由主机（UPS1）继续为负载提供电源。只有当备机UPS2故障时才切换到其旁路供电。
本方案将备用（UPS2）的输出端接至主（UPS1）的“旁路电源”输入端，而两台UPS的“交流电源”输入端接不同电源，保证电源输入的冗余。
这种热备份接线具有以下优点：
（1）可靠性比单机高，停电时，一套UPS故障，另一套仍可供电；
（2）单台UPS检修维护时，仍保持UPS功能；
（3）两部分UPS可以切换供电，寿命皆延长。
（4）调试简单，只需配置并机电缆，无均流问题。
（5）对UPS无特殊要求，不同品牌、不同容量的UPS均可以采用此方式进行连接。
但热备份接线又存在以下问题：
（1）两台UPS只能带一台单机的标准负载，即没有“扩容”功能。单机任务重，备用UPS长期处于空载状态，两台UPS老化不一致。
（2）当一台UPS出现故障时，另一台UPS负载从0%～100%，有冲击过程。
（3）UPS1和UPS2共用了一台UPS1的静态开关，该静态开关的损坏，UPS需要停机切换至手动旁路开关带电，这缩短了整机的无故障时间，有明显的不合理性。
2）方案二：互动热备份方式，此种系统是主机-从机热备份方式的改进型，两台UPS的旁路分别从另一台UPS的输出取电源，并分别带50%负载，两台UPS无主、从之分。该方式除保持了主从热备份的优点，还克服了主从热备份的缺点，由于两台UPS的旁路都分别从另一台UPS的输出获取电源，所以不管是正常运行还是旁路运行，也不管电源的频率质量如何，均能保证输出频率的恒定。但由于采用双机分别带负载，其缺点是由于要求人工对负荷进行平均分配，将均分后的负荷平均接到两台UPS上，当负荷不能进行人工分配时，则不能采用此种方式。
3)方案三：并联冗余供电方式，通过将两台具有相同功率的UPS输出端直接并联起来。正常工作时，由两台UPS各承担1/2负载电流，其中一台UPS出故障，则由剩下的一台UPS来承担全部负载。
方案三除具有主从式热备用UPS的优点外还具有以下优点：
（1）因负载轻，过载能力、动态性能比主从热备用式UPS好，还由于过热老化轻，从而大大提高了系统的可靠性。
（2）可以达到增容目的，因正常各承担一半负载，本方案可少考虑或不考虑裕度
（3）当一台UPS故障时，可平稳转到另一台UPS供电，无切换时间。
（4）两套UPS的设备除旁路电源回路外完全冗余，无主从方案的静态开关的瓶颈，无故障时间比主从方案长。
本方案要解决的核心问题是功率均分（或称均流）。由于并联运行的UPS不可能做到完全一致，为保证各UPS的功率均匀分配，必须采用特殊的控制技术。根据控制技术的不同，可分为主从式均流和自主式均流二种方式。主从式均流是并联运行的UPS中有一台UPS作为主机（或者采用并机柜中的控制模块作为主模块），另一台为从机，从机在主机的控制下工作，缺点当主机（或主控制模块）故障时将会引起整个系统的瘫痪。自主均流方式是并联的UPS无主从之分，先开机的一台UPS自动作为主机，后开机的UPS自动向先开机的UPS看齐，系统重新进行负荷均分。具体实现一般采用并机板方式，每台UPS都具有同样的控制电路，两台并联的UPS通过并机通讯接口相连。因此本方案的关键是解决功率分配问题。这一问题技术含量较高，正常运行时，并联的UPS存在环流，如果环流问题处理不好，则会增大功率损耗并影响系统运行的可靠性。
4)方案四：并联增容（单机容量只有负载总容量的一半）方案（接线方式与方案三一样），该方案虽然利用率高，但对平均无故障时间无贡献，因为当一台UPS故障，另一台UPS负担不了两台机的负载，因而要转向旁路供电。
5几种方案的经济性分析
按照两台1000MW机组、两机一控、每台机UPS总负荷为100kVA，UPS接线方案进行经济对比如下：
从上表可知方案一、二投资最大，方案三投资次之。无备用和方案四的可靠性和安全性不如其他方案，方案一、二存在瓶颈点，且投资上不占优势，因此经比较方案三即并机冗余方案为最佳方案。
6结论
在目前的技术条件下，采用双UPS冗余并机供电方案是消除UPS供电系统出现“单点瓶颈”故障的最佳方案。但方案三的关键问题是均流。九十年代，由于均流问题，主从方式接线比较流行。随着全数字化控制技术的发展，第三代的并机技术为用直接检测母线的电压、电流的方式并机，系统中并机的设备没有主从，系统的响应速度快，在各种运行环境下，不会产生环流。
正因为现阶段均流技术已经很成熟，能确保各台UPS单机的输出处于电压幅度相同，输出频率、相位相同和电流相同，在电厂的应用也越来越多，且均运行良好。
综上所述，从技术经济上分析，并机冗余方案能提高整个发电厂UPS系统的运行可靠性，满足1000MW机组对UPS系统的要求，即：UPS供电系统在运行中既不允许出现任何瞬间供电中断/停电事故，也不允许在UPS运行中，出现由交流旁路直接向用户的负载供电的局面。