大机组UPS电源系统常见问题分析

换至旁路供电。为了避免多台负载同时启动迭加冲击电流，频频出现切换及回切，而且主回路元件不至于过热，UPS容量留有足够的余地是必要的，但容量富裕应有度。

　　黄埔发电厂300 MW机组UPS的输出容量，初拟30 kVA,136 A。与美国西屋公司洽谈后改为50 kVA,227 A。投产后的实际负荷，交流侧一般为90～100 A(直流侧约125 A)，偶而达110～120 A。如选30 kVA,136 A，负荷率为110 A／136 A=0.73，容量有点偏小。如选40 kVA,182 A，负荷率为100 A／182 A=0.55，低于规程推荐值0.6，裕度系数为182 A／100 A=1.82，高于推荐值1.6，才是比较恰当的。

　　3.2　整流器(充电器)输出容量

　　UPS设备的功率关系见图3。

　　图3　UPS设备的功率关系

        黄埔发电厂300 MW机组逆变器输入功率为

　　P2=UDC×IDC=280 V×245 A=68.6 kW.

　　以SCI公司推荐的公式计算整流器输入视在功率，

　　S1=Uex×Iex×Ce／(kPF×η1).

　　式中　S1——整流器输入视在功率，VA；

　　Uex——整流器输出电压，V；

　　Iex——整流器输出电流，A；

　　Ce——整流器过负荷因数(1.2～1.5)；

　　kPF——波峰因数(一般为0.8)；

　　η1——整流器效率(0.92～0.94)。

　　可得：

　　S1=210 V×245 A×1.2×／（0.8×0.93)=82.9 kVA.

　　整流器输入功率因数

　　λ1=P2／(S1×η1)=68.6／(82.9×0.93)=0.889，

　　UPS效率

　　η=S3／S1=50／82.9=0.603.

　　假定UPS负荷的功率因数λ=0.7，则逆变器输出有功功率

　　P3=S3×λ=50 kVA×0.7=35 kW，

　　逆变器效率

　　η2=P3／P2=35／68.6=0.51.

　　可见，整套UPS的效率是比较低的，这是由于各环节存在损耗。如果UPS的容量选择过大，实际负荷偏低，利用率低，效率则更低。

　　在充电器已选定输出功率65 kW情况下，参照上述公式，计算得整流变输入容量为87.3 kVA。国产充电器的整流变原设计选配输入容量140 kVA，偏大了。

　　鉴于整流、逆变各环节交直流侧P，U，I等参数换算与整流、逆变的方式、线路及负荷等有关，准确计算比较复杂，我们期待设计规程提供一套UPS系统适用的基本公式，作为容量选择估算的依据。

　　4　UPS专用电池个数的选择

　　4.1　认识上的反思

　　1988年，黄埔发电厂300 MW机组开始安装，笔者是甲方代表，初接触静态逆变的UPS，对其原理和特点还了解甚少，在UPS电池个数选择上走了一段弯路。原设计电池为日本汤浅公司生产的QFD-250型，250 Ah，碱性，180个，浮充电压1.35 V×180=243 V，均充电压1.47 V×180=264.6 V。拿一般直流系统去套，认为直流电压偏高，会缩短继电器、信号灯等元件寿命，遂提出建议减少电池。经设计代表、乙方代表同意，变更为171个，浮充电压231 V，均充电压251 V。

　　1991年9月26日，5号机组投产2 a后，进行UPS试验。断开整流器、充电器后不到10 min，电池从231 V急剧跌降至210 V，逆变器输入侧开关Q4跳闸，切至旁路。均衡充电10 h后，重新试验，放电约20 min，Q4跳闸。

　　电荷量Q=250 Ah电池，以2 h率电流放电(Q／2 h=125 A)，为何不到0.5 h电压就跌至210 V呢?笔者认为主要是电池个数偏少。逆变器输入210 V跳闸时，单个电池电压为210 V／171=1.23 V。电池以0.5Q／h电流放电，允许终止电压为1.05 V，1.23 V以下的有效容量未充分利用。查QFD电池放电系数k=0.5 h-1的放电电压曲线，当电池降至1.23 V的时间约20 min，与前述试验结果相符。为此，1992年2月笔者草拟了UPS电池改进的意见，电池加装至186个。验算其放电至210 V时，单个电池仍有210 V／186=1.13 V，查k=0.5 h-1放电电压曲线，放电可持续约1.5 h。

　　QFD电池放电电压曲线见图4。

　　图4　不同放电系数的放电电压曲线

　　4.2　对原设计的分析及修正

　　原设计计算书，以电池电电流227 A，0.5 h，放出电荷量113.5 Ah，45.4%容量，查0.908 h-1放电电压曲线，放电0.5 h单个电池电压1.17 V，电池个数n=210／1.17=180。

　　这里纠正两点：

　　a)逆变器输入电流，即电池放电电流计算值应为245 A，而非227 A；

　　b)考虑UPS电池的放电时间0.5 h，此时的电压1.17 V不是电池的终止放电电压。

　　修正计算如下：

　　按电池放电系数

　　k=IDC／Q=245 A／250 Ah=0.98 h-1，

查0.98 h-1≈h-1放电电压曲线，得终止放电电压为1.03 V。防止个别落后电池过放电损坏，留有余地，终止放电电压取Upn=1.03 V×1.04=1.07 V。电池个数n为逆变器最低输入电压UDC，min与电池终止放电