并机方式（精选7篇）
并机方式 篇1
随着现代科学技术的不断进步，自控系统的可靠性有了很大程度的提高，平均无故障时间已达到100kh。为保障自控系统的连续运行，其电源供电系统也应具备相同的可靠性，而系统连续供电必须使用不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)[1]。自控系统作为一个工厂的核心，其电源供电系统一般采用一路UPS和一路冗余保安电源进行供电[2]。而随着化工生产装置对稳定性的要求越来越高，为了保证系统更加稳定，越来越多的企业选择使用两路UPS对系统进行供电。
两路UPS同时使用时有多种连接方式。某大型化工厂为了保证装置能更加稳定的运行，虽然选用了两路UPS为DCS系统供电，但由于未能选择最为合适的UPS并机方式，使得DCS系统反而增加了运行风险。为避免类似情况的发生，笔者根据UPS的3种主要并机方式的优缺点，结合自控系统自身的供电模式，最终选择互动热备式UPS电源供电方式应用于自控系统中，以提高系统运行稳定性、降低企业生产成本。
1 UPS(1)
UPS可以保障系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，不致因停电而影响工作或丢失数据。UPS在计算机系统和网络应用中主要有两个作用:一是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害;二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声及频率偏移等电源污染，改善电源质量，为计算机系统提供高质量电源。
UPS电源装置一般由整流器、逆变器、静态开关、蓄电池及旁路开关等组成。其中整流器、逆变器、静态开关及控制单元等大部分设备是由电力电子器件和电子器件组成的，而可控硅、晶体管、大规模集成电路、IGBT及电容等电子器件的寿命远比一般电气器件寿命短，且无法通过一般的检查手段检测出这些器件的状况，导致UPS故障几率比一般电气设备高[3]。根据美国大数据中心的统计资料，在UPS输出供电系统故障中，79%的故障来源于UPS输出与负载之间的供电线路故障，11%来源于UPS和电池组故障，其他故障占10%[4]。
为了确保控制系统的稳定运行，将两路UPS并机使用可以将风险降到最低。
2 UPS并机方式
UPS并机是指让两台或两台以上的UPS共同分担所有的负载。由于是多台UPS均分负载，共同供电，因此当单台UPS出现问题时，其他UPS会直接接过故障机的所有负载，实现真正意义上的零切换。同时，多台UPS同时工作下的短时过载能力也可以依比例增加，且不存在老化程度不一的问题。
UPS并机方式主要有主从热备式、互助式冗余并联和互动热备式。
主从热备式UPS并机(图1)的优势是灵活性高、安装简单、不需要增加额外的辅助电路。但由图1可以看出，该并机方式与UPS串联并没有较大的区别，缺点也与串联时一致，即正常使用时主机带负载，备机空载，导致两机的老化程度不一致，瞬间过载能力低。
互助式冗余并联UPS并机(图2)的优势是能够自动均分负载、瞬间过载能力强、不存在老化不均的问题。由图2可以看出，互助式冗余并联UPS并机有4路(市电1、市电2、旁路和电池)供电，两路UPS在正常情况下各带50%负载工作，如果其中一路UPS故障，则立刻脱离系统，负载自动切至另一路UPS。单机故障时正常工作的UPS承受的负载由50%增至100%，相对于主从热备式的由0%增至100%，其负载变化小，因此系统过载能力较强，保证了输出的稳定性[5]。
互动热备式UPS并机示意图如图3所示，可以看出，该方式有双路输出，两路UPS互为备用，但需要人工均分负载，当负载分配合理时，其瞬间过载能力很强。
3 实际应用情况
某大型化工厂其中一个装置的控制系统在设计之初，因电气专业认为UPS电源输出的稳定性是最重要的，因此企业投入了较高的资金为系统选择互助式冗余并联UPS供电方式。但在实际使用过程中发现，UPS电源只有一路输出，而目前比较主流的CENTUM CS3000系统(图4)和ITCC系统都是双电源冗余配置模块，需要有两路电源供电输入。
最后经多方协商，决定采用一路市电、一路UPS的供电方式来保证控制系统的电源冗余输入。从后期使用情况来看，市电输入这一路电源因雷击、电网晃电等原因多次发生停电事故，最严重的一次是两小时停电3次。待供电稳定后检查系统时发现，控制系统有多处报警，联系控制系统厂家服务工程师到现场收集数据后分析发现，是供电系统不稳定造成多次冲击后导致系统部分电气元件失效进而引起报警。虽然装置能够继续使用，但由于化工厂必须保证连续性稳定生产，因此将有报警的模块全部更换，造成直接经济损失十余万元，而且后续还需对UPS供电系统做出相应的技术改造，才能保证控制系统在以后的生产中安全、稳定、连续运行。
4 结束语
通过两路UPS提高自控系统的供电可靠性已成为各企业的共识，但UPS供电方式多样化，选择合适的并机方式至关重要。UPS在某化工厂自控系统中的实际应用情况表明，只有一路输出的互助式冗余并联UPS供电方式无法保证系统(要求有两路电源供电输入)的安全、稳定、连续运行，反而造成企业的巨大经济损失。为此，技术人员决定后续将系统改用互动热备式UPS电源供电方式，该供电方式一方面有很好的经济性，另一方面可以使控制系统的电源输入两路均为UPS供电，保证生产系统运行更加稳定可靠，使系统主机电源在实现UPS冗余并机各种优点的同时，其他用电负载也可以很好地实现人为均分。
参考文献
[1]赵宏世.DCS供电系统改造方案的选择与实施[J].内蒙古石油化工,2011,37(21):68~72.
[2]白会贤,牛玉广,刘吉臻.DCS电源供电系统的可靠性定量分析[J].自动化仪表,2009,30(7):19~21.
[3]雷宁博,刘丽丽.优化UPS运行方式,提高DCS供电可靠性[J].仪器仪表用户,2010,17(5):82~83.
[4]赵建波.单UPS供电系统在DCS中的应用[J].纯碱工业,2014,(4):40~42.
[5]蔡勇.UPS并机供电运行可靠性分析[J].齐鲁石油化工,2003,31(2):100~101.
并机方式 篇2
在一些对供电质量要求非常高的应用环境下, 为了保证重要设备能正常工作, 通常接入两路以上来自不同变电站的电源, 并安装UPS。当主用市电出现问题需要倒换至备用市电时, 由UPS为后级设备提供不间断电源, 保证倒换期间连续供电。
在电力系统中, UPS起着非常重要的作用, 其工作原理如图1所示, 在市电正常时, 通过输入开关为整流器供电同时为旁路提供电源, 整流器的直流电经后级逆变器后变换为交流电, 为负载提供经净化的电源。整流器输出的直流电同时为蓄电池组进行充电, 保证电池组处于满电量状态, 当UPS输入市电失电后, 蓄电池立即投入使用, 为逆变器提供电源, 保证UPS不间断输出;如果逆变器故障不能有效输出时, 静态开关将自动切至旁路工作, 仍能不间断为后级负载提供不间断电源。手动维修旁路开关正常处于断开状态, 当UPS需要断电维修时才会按照严格操作程序启用。
2 UPS的常用运行方式
在实际应用中, 受环境和实际需要的限制, UPS的运行方式也有多种, 常见有单机运行、多机分立运行、多机并机运行等三种, 相对而言, 多机并机系统可靠性较高。实际运行中一般为两台并机, 每台各自承担50%的负荷, 一旦其中一台出现问题时, 系统会立即报警, 并自动将负载转换到另外一台非故障机, 这种方式有以下特点:
(1) 两台同等容量的并机, 形成双机冗余, 正常工作时两台主机共同带载, 各带负载的50%。
(2) 电池处于浮充电状态, 电池容量与UPS容量一致, 后级负载功率不能要低于UPS单机额定容量。否则一旦其中一台主机出现故障, 另一台UPS将过载运行。
(3) 并机冗余的系统正常运行时, 两台主机互相跟踪输出的幅植、频率、相位, 保证锁相同步以保持同周期, 当其中一台主机停机或故障时, 其旁路是不导通的, 此时另一台正常工作的主机跟踪旁路, 并与其保持同步, 只有两台UPS主机逆变器都停机或故障时, 两台主机的旁路都导通。
(4) 当UPS输入市电失压, 首先蓄电池通过逆变器为负载供电, 当电池电量放尽而失电未恢复时, 自动切换到旁路供电;当市电恢复后, 整流器自动给电池充电, 逆变器启动, 由逆变器供电。
(5) 当一台故障时, 会自动退出运行, 由另外一台带全部负荷, 这时可以通过输入输出开关将故障UPS隔离, 进行维护检修, 也可以利用这种状态对其内部进行维护保养, 如除尘, 紧固器件、检测或更换电池等。当市电电压超出范围时, 电池会自动放电, 以维持负载的运行。
为保证UPS稳定可靠运行, 需要定期对其进行检修维护和功能验证。因电力系统两路以上市电切换时, 切换开关输出瞬断, 导致并机UPS输入瞬时中断, 因蓄电池组存在不能正常放电的风险, 我们在实际工作中摸索出一套分步倒换法, 保证了两路市电切换时UPS的输入不间断, 规避了蓄电池不能正常投入运行的风险, 并在实际应用中得到验证, 在此做一简单阐述, 如有不妥之处也希望希望得到同行的批评指正。
3 市电切换方式的研究
下面以两台UPS并机系统为例进行说明 (如图2- (1) 所示) , 正常供电是不同路由市电通过市电选择开关C, 选择一路为后级母线供电, 然后通过断路器A、B后为UPS1号机和2号机供电, 两台UPS并机为后级负载供电。
如果直接操作市电选择开关C, 在切换瞬间, 市电选择开关输出瞬间断电, 两台UPS监测到输入市电中断后, 两台机组的电池组同时放电, 确保负载不间断供电, 切换完成后两台UPS输入市电恢复, 整流器正常工作通过逆变器为负载供电, 电池停止放电, 如图2所示。
理论上这种操作最为简单, 且能保证UPS后级负荷正常工作, 但目前大多数UPS机组不对电池组进行检测 (蓄电池的俯冲状态参数只有参考作用) , UPS无法确认电池回路是否接通或故障不能放电。在进行两路市电切换时, UPS并不能可靠保证供电万无一失。也就是说, 如果直接操作市电选择开关C, 如果UPS机组蓄电池有问题, 不能正常放电, 后级负载将会断电。可不可以规避类似的危险出现呢, 通过对电力系统深入分析, 我们摸索出一种多机并机运行UPS输入市电切换方式, 我们将其命名为UPS输入市电切换分步操作法。
UPS输入市电切换分布操作法分以下几步进行, 如图3所示。
(1) 将A处断路器断开
1号机组UPS外电中断整流器关闭, 电池组放电, 2号机组外电正常机组无异常, 如果1号机组电池组出现故障, 不能可靠供电的话, 并机系统会自动将1号机组的负载转移到2号机组保证系统供电不中断, 这时应立即恢复A处供电, 对机组或电池组进行必要的检查, 排除故障后, 方可继续操作。
(2) 将B处断路器断开
如果1号机组电池放电正常, 将断开B处断路器, 两台机组输入市电均失电, 2号机组电池也进入放电状态。此时两台机组能够确保电池放电正常, 即使外电出现异常, 也不会对UPS机组再造成影响。
(3) 将市电选择开关C切换至备路市电
确认两台UPS正常放电后, 将市电选择开关C切换至备路市电, 实现了两台UPS电池可靠放电的情况下的两路市电选择切换。
市电切换选择完成后, 根据系统配置的UPS的后备时间的情况, 可以适当检查外电的切换质量。
(4) 闭合A处断路器
此时1号UPS输入市电恢复, 通过逆变器对负载供电。
(5) 闭合B处断路器
确认1号机组外电正常后, 再闭合B处断路器, 此时两台机组均恢复市电供电, 至此UPS输入市电切换操作结束。
可以看出, 整个过程中都是在确保一台机组稳定的状态下进行的。这就像我们走路通过一道很浅的小沟, 以前我们是双腿一蹦, 两脚同时蹦过去, 现在是一只脚迈过去, 这只脚落地后, 再迈另一只脚, 最后两只脚跨过小沟。不难看出, 第二种方法相对第一种方式来说, 更加平稳。
采用UPS输入市电分步切换法, 是在电池放电期间进行, 电池的放电时间要比直接切换长, 且与系统并机台数成正比, 同时需要考虑输入市电切回正常状态时还需要按照本方法逐步进行, 所以要留有足够的切换后系统恢复供电的操作时间。
需要说明的是, 在切换过程中, 存在一台UPS电池放电, 另一台UPS市电供电并存的状态, 因UPS逆变器输出的电源与输入市电在频率、相位、电压等参数基本一致, 在这种状态下不会出现过大的环流, 对系统的影响基本可以忽略。
4 需要注意的几点问题
在进行UPS输入市电切换时, 需要注意以下几点:
(1) 分步切换的切换时间相对较长, 系统配置的蓄电池的后备时间要能满足切换的需要。
(2) 要考虑市电切换时间外, 还要考虑市电切换后UPS恢复供电时也需要电池放电, 并留有足够的时间。
(3) 要考虑在电池放电状态下, 由一台UPS带全部负载的可能性。
(4) 系统必须配备符合要求的、健康的UPS电源, 其中最主要的部分是有性能优良可靠的电池。
(5) 注重对UPS蓄电池的维护。
常见电力系统中, 中小型UPS电源广泛使用免维护密封铅酸蓄电池, 其成本占UPS电源系统总成本的1/4-1/2。实际运行中, 约有50%以上的UPS电源故障与UPS蓄电池有关。免维护密封铅酸蓄电池只是一个相对的分类名称, 并不意味着系统中的蓄电池不用维护, 如果不维护或者维护不当, 都会造成UPS蓄电池的失效, 而UPS蓄电池的失效主要表现为端电压不够, 容量不足或瞬间放电电流不满足带载启动要求等。这些都会使UPS电源不能正常工作。
一般正常使用的UPS, 其电池寿命在5年左右, 但有相当部分UPS电池在投入使用不到1年就开始出现问题, 原因除了电池在制造工艺上存在先天的缺陷, 电池组匹配上的个体参数差异外, 也与缺乏必要维护措施, 不重视UPS蓄电池维护, 不清楚蓄电池的健康状况有直接的关系。有些单位只是由普通电工代管, 从业人员对UPS的认知相对很少, 也为UPS系统正常工作留下隐患。因此采用先进的管理方式和必要的测试维护手段, 对UPS电源及其蓄电池的有效正常使用是非常主要的。
一般UPS电源对电池的要求:满足一定的端电压;电池应具有启动放电瞬间就能输出大电流的特性;满足一定的容量, 以保证逆变供电的时间。
通常的维护方法有以下两点:
(1) 定期放电以保证蓄电池的活化
一般蓄电池应每年做一次放电深度为30%～40%放电实验;每三年做一次深度为100%的容量实验, 使用六年后每年进行一次, 蓄电池放电期间应每小时测量一次端电压和放电电流。
(2) 用万用表测量电池的端电压
万用表测量电池的端电压在电池放电状态下更为准确, 被测电池的端电压为12V左右 (对12V电池而言) , 最低不能低于10.5V, 当各电池压差过大时, 要进行均充, 不足10.5V的电池即为欠压或已经失效的电池, 若这种电池在经过充电或激活充电后端电压仍达不到12V, 即为失效电池。而用万用表直接测量UPS电池的浮充端电压是无法判定旧电池是否已经失效。
5 小结
我单位采用UPS输入市电分步切换法, 系统切换的整个过程更加平稳, 对外电网系统冲击相对较小, 尤其是切换至柴油发电机供电时, 效果更加明显。
摘要：本文针对多台并机系统的UPS电源在检修时输入市电切换方式进行了探索, 并对该方式在实际应用过程中所应该注意的几个问题进行了分析和探讨。
地铁并机共用电池组优化方案 篇3
地铁因其占用土地和空间最少、运输能量最大、运行速度最快、环境污染最小等优势而成为备受青睐的一种交通方式。随着我国经济的不断持续增长以及国家对交通事业的巨大投入,城市地铁建设就像滴在宣纸上的墨汁,正在大大小小的城市里迅速地发展。
在地铁工程建设各机电系统中(Fig.1机电系统的主要组成),需要采用交流不间断电源设备(UPS)来保证安全和可靠运行地功能系统主要有:通信系统、信号系统、综合监控系统(ISCS)、环境监控系统(BAS)、自动售检票系统(AFC)、屏蔽门系统(ACS)、消防报警系统(FAS)等,能否确保它们长期安全和可靠地运行将会直接影响地铁交通能否正常运营,所以按一级负荷供电设计。然而,目前我国地铁修建成本每公里约5亿元,昂贵的修建成本同时制约了其机房各功能系统使用区域的面积。因此,做为保障关键负载安全和可靠运行的UPS电源系统而言,传统的按用电设备所承担的调控专业来进行划分,采用中、小功率U P S的分散供电设计方案,由于其可靠性低、占用面积大、管理及维护困难等种种原因,无法满足近年来地铁用户对U P S电源系统高可靠性、便于扩展、易于管理和节省空间的设计原则和要求。
2 UPS供电系统发展趋势
U P S的供电方式可分为集中供电方式和分散供电方式两种,集中供电方式是指由一套大功率UPS向车站整个弱电系统负载提供应急供电,分散供电就是根据设备的需要分别配备适合的中、小功率U P S。在地铁交通建设的早期阶段,常采用由多台中、小功率U P S分别带不同系统专业负载的分散供电设计方案,比如:分别为通信、信号、综合监控、门禁等系统配置独立的UPS电源供应。然而,经过长期的运用实践证明:与采用由多台中、小功率U P S所组成的分散式供电方案相比较,采用一套大功率U P S的集中供电方案拥有明显的技术优势和更佳的性价比。集中供电与分散供电比较如下表:
下表是一地铁线控制中心、车站及车辆段/停车场对U P S供电系统典型的配置要求:
由表2可知,不同系统的后备时间的长短和输出功率的大小均是有差别的。当采用集中供电方案设计时,U P S的输出配电柜得必需设计为具备有分时控制输出的智能型配电屏。根据不同系统对UPS供电的需要,采用工业级的PLC控制并执行分时、自动关断操作,来达到对各系统“分时供电”的电源保护目的。
如上图所示,每一个需要侦测实际功率的负载分路上都安装一个功率侦测设备,并将侦测到的不同负载实际功率反馈给P L C。P L C则实时接受U P S上报来的实际电池组后备容量,并根据不同分路负载的实际后备时间需求及实际功率灵活调整其后备的时间,控制分路配电设备中的负载交流切离元件实现后备时间的根据应用情况自由调整,达到电池供电时合理利用电池、分时送电的最佳效果。这种系统控制方法能克服目前市面上常见的UPS电源的控制方法所带来的控制缺陷,解决了电能浪费的问题,达到了最优化利用电能的目的,最大限度地发挥UPS系统的供电性能,还可有效的优化电池容量的配置、提高供电系统的可靠性节省安装空间。
3 台达UPS电源系统优化方案介绍
为提高供电系统的可靠性,U P S电源系统采用的”1+1”并机冗余运行配置,可升级为UPS”1+1”并机共用电池组优化方案,利用台达NT系列UPS的并机技术和共用电池组功能,不需要增加对蓄电池的投资,可实现在市电供电中断或单台UPS故障条件下,能完全保障电源系统后备时间维持不变。
3.1 并机系统共用电池组原理
U P S”1+1”并机共用电池组方案原理图如图3所示。
”1+1”并机冗余供电系统采用先进的独特的并机技术,可在线直接并机,在UPS单机之间无需外加并机卡或并机柜,使系统的故障点减少,同时也减少了选购件投资;采用环路通讯电缆连接来传递实时信号,实现并机的“均流”控制,修正的分布式逻辑控制,使得并机系统中的各台UPS,均都处于完全“平等”的调控状态之中;并采用独特的同步相位调制法,每台UPS能“智能”地将位于并机系统中的各台U P S的同步跟踪调到最佳状态(各台之间的相位差几乎为零)和实时动态地调节所带的负载百分比,实现高精度的均流和负载均分。另外,台达NT系列UPS内部主要元器件采用模块化设计,减小了平均维护时间(MTTR),使”1+1”并机冗余系统不仅有高可靠性,同时拥有很高的可用性。
传统的”1+1”并机冗余系统,即不具备共用电池组功能,每台UPS主机单独配置蓄电池,当”1+1”并机冗余供电系统中有一台UPS故障时,系统断电后放电时间将减少一半;采用共用电池组方案的并机系统在一台UPS故障时,系统断电后放电时间仍然维持不变。可实现在市电供电中断或单台UPS故障条件下,完全保障电源系统后备时间,提供用电设备安全可靠的电源保障。共用电池组功能是台达N T系列U P S系列独特的功能之一。
3.2 UPS电源系统优化方案的优点
共用电池组方案优点
在不增加电池投资和安装空间等条件受到限制时,共用电池组方案具有独到的优越性,地铁各车站、控制中心、车辆段及停车场的电池组部分配置无需变化,仅增加电池组配电箱,以利于方便维护。共用电池组方案具有的优点如下:
●在单台UPS故障条件下,能完全保障电源系统后备时间;
●不增加电池的投资,系统后备放电时间不变;
●不增加电池安装空间、承重方面的建设;
●不增加电池运营维护成本;
●系统扩容更加方便;
●发挥电池的最大效能,提高电池利用率。
1.提高系统可靠性
台达NT系列U P S具有独特的直接并机技术,摆脱了传统的并机方案需要增加并机卡或并机柜的束缚,可以直接并机,消除了增加并机卡或并机柜给整个供电系统带来的故障点,大大提高了供电系统的可靠性。”1+1”并机冗余供电系统在正常运行中,容忍一台UPS故障,仍然能保证供电系统持续为负载提供不间断电源供应,使系统的可靠性得到大幅度的提升。
2.增加系统安全性
相比原UPS单机,”1+1”并机系统中的两台UPS输出由并机中的U P S平均分配,各U P S分担的负载减少了一半,可有效延长UPS的安全使用寿命;当并机系统中的U P S有一台发生故障,故障的U P S会迅速从并机系统中退出,保证负载的供电;设备维护时也可把任一台机器脱离系统进行维护,方便安全快捷,增加了供电系统安全性。
台达NT系列U P S还具备在线并机功能,并机时不需要对正在运行的UPS停机或跳转旁路,对系统扩容和系统维护提供了不间断的安全保障。
3.提升系统可用性
可用性是衡量系統提供持续服务的能力,评估一个系统可用性的两大要素包括:平均无故障时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)。
可用性:Availability,其计算公式如下
参考台达NT UPS系统,原单机MTBF:286083h,并机MTBF提高至596006h,
MTTR:0.5h。可用性Availability计算结果:0.9999991。可用性大大地提高。
4.增强抗负载冲击能力
单机UPS容量是额定的,若负载出现尖峰电流超过单台UPS的过载电流时,UPS将会转旁路或出现故障;在”1+1”并机系统时,只有超过负载额定容量2倍时才会影响UPS系统是否转旁路,相对而言,系统抗负载冲击能力增强了1倍。
4 昆明地铁应用案例
昆明地铁6号线各车站的综合电源系统统一为专用通信系统、信号系统、ISCS、AFC、FAS、BAS、ACS系统提供电源,UPS采用2台NT120k VA”1+1”并机共用电池组方案。UPS电源系统按一级负荷供电,两路独立的三相交流电源经交流切换箱(动照专业提供)后接入UPS,经UPS输出的”分时控制”智能配电屏经分路后分配给各交流供电的设备和高频直流开关电源。开关电源输出的-48V电源分路后分配给需要直流供电的通信设备。U P S设备负责输出纯净的稳定、可靠的交流电源,UPS配备1套蓄电池组,”1+1”采用共用电池组方案,确保在交流电源停电时或任意故障一台U P S时,备用蓄电池组为各子系统提供所需备用电源。U P S电源系统构架图如图4所示:
5 优化方案应用案例
■上海地铁1号线人民广场站安全门系统
GES-NT60K UPS 1+1并机系统,采用共用电池组优化方案
■上海地铁1号线莘庄站安全门系统
GES-NT30K UPS 1+1并机系统,采用共用电池组优化方案
■杭州地铁1号线专用通信电源系统:
GES-NT40K UPS 1+1并机系统,采用共用电池组优化方案
■成都地铁1号线专用通信电源系统
GES-NT40K UPS 1+1并机系统,采用共用电池组优化方案
■成都地铁2号线专用通信电源系统
GES-NT120K UPS 1+1并机系统,采用共用电池组优化方案
■沈阳地铁2号线专用通信电源系统:
GES-NT80K UPS 1+1并机系统,采用共用电池组优化方案
■昆明地铁6号线专用通信电源系统
GES-NT120K UPS 1+1并机系统,采用共用电池组优化方案
6 结束语
并机方式 篇4
近年来,UPS在电力系统中得到了广泛的应用。一般情况下,电厂的每台发电机组均配置两台UPS,通常一台处于工作状态,另一台处于冷备用状态。当正常工作的UPS出现故障时,需要工作人员及时手动投入处于冷备用状态的UPS,而这难以保证UPS所带负荷的供电质量。
某电厂火电机组的装机容量为2X 600MW,单台机组配套SDP31060型UPS,采用2台UPS并机运行的主从机模式,但该种模式的UPS在实际应用中出现了交流共模干扰量影响机组安全稳定运行的重大隐患。本文基于对并机运行原理的讨论,分析了交流共模干扰量问题,并制定了相应的解决方案。
1 并机运行原理
两台UPS采用主从机并机冗余运行,正常运行时,主从两台UPS平均分担负载,互为热备用;当其中一台UPS发生故障时,在并机控制系统的调控下,故障的UPS将自动退运,同时非故障的UPS实现无时限切换,并带100%负荷运行。其最大优点是解决了单机容量小、不能满足负荷需要供电量的问题;其次是一台UPS突然故障时,仍有另一台在供电。并机运行原理如图1所示。
2 共模干扰问题
某日,电厂#1机组凝结水泵在节能改造中需要加装变频器,其控制电源取自机组DC220V系统,在调试过程中发现变频器的控制器每发出一个指令(启动、停止、急停、复位)后,该指令继电器接点均保持而不能返回,即指令继电器线圈始终带电而无法释放。经查,发现#1机组提供的220V直流电源中存在交流分量,且直流正负极对地均有AC85V的电压,而测量直流正负极间则未发现交流分量。进一步对直流系统进行查找和综合分析,发现变频器调试期间#1机组正处于检修状态,其UPS主路电源不能使用,UPS工作在直流供电模式下。当断开UPS直流电源后,220V直流系统中的交流分量消失。由此可推断此交流分量是机组UPS在直流供电模式下产生的,经拉路试验确认是UPS备用电源导致了直流系统中的交流分量。
对UPS内部回路作进一步检查和分析,发现UPS的控制电源在设计上存在缺陷,导致在一个交、直流控制电源的切换环节上出现了问题,为交流共模干扰分量串入直流系统创造了条件,从而在特定情况下使机组DC220V系统中产生了交流分量。UPS主从机的控制回路主要由主控制板和辅助电源板构成,其中辅助电源板的电源回路由一路交流和一路直流电源组成。它的交流电源是由整流电源和备用电源经过一个切换装置后再通过自耦变压器(220V/164V)提供的,而直流电源则取自整流器和逆变器之间的直流小母线。当UPS工作在正常状态时,整流电源提供的控制电源为主电源;当整流电源失去时,则自动切换至备用电源。又由于整流电源为AC380V,只能通过隔离变压器(380V/220V)为辅助电源板提供电源,因此变压器输出端两极的电压只能为220V,而不存在通常意义上的“火线”和“零线”的区别。因为输出的任何一极都没有接地,而备用电源又是AC220V,其N线是接地的,这样在主电源供电时因为不存在接地的N线,所以自耦变压器就不会产生共模干扰量;但当备用电源通过自耦变压器供电时,自耦变压器的输入输出只能是公用N线,这就产生了交流共模干扰量。
同时,由于辅助电源板存在两种供电模式,因此这两种供电模式之间必定存在一个切换环节,而交流共模干扰量就是通过这个切换环节由备用开关的电源通过自耦变压器干扰到UPS自身的直流小母线,进而反向干扰了#1机组的220V直流系统。
3 解决措施
基于对产生交流共模干扰量原因的分析,并经过多次讨论论证,本文提出了2套解决措施。
措施1:当主备双路交流电源自动切换后,在UPS辅助电源板交流供电回路的自耦变压器(220V/164V)前,加装1台变比为1:1的隔离变压器,这样就能彻底解决由自耦变压器固有特性(输入和输出公用N线)而导致的交流共模干扰量问题。
措施2:考虑在UPS的设计上直接选用1个220V/164V的独立控制变压器来代替原有自耦变压器,在减少一个电气元件的同时也减少了一个可能存在的故障点,从而可消除隐患。
考虑到现场的操作性,最终选择了措施1,即加装隔离变压器。加装变比为1:1的隔离变压器后,断开整流电源,在备用电源供电时,测得直流正负极的对地交流分量仅为3V(在正常范围内)。这就从根源上消除了交流共模干扰量,有效解决了机组220V直流系统中的重大隐患。
4 结束语
在发电厂的电源系统中,UPS和直流系统的重要性不言而喻。这两个系统的任何一个出现故障,轻则造成设备跳闸、机组非停,重则使设备失去控制而导致无法想象的后果。因此,熟悉并机运行原理,发现UPS和直流系统中存在的缺陷,并制定有效的整改方案,对电厂的安全、稳定、可靠运行有着非常重要的意义。
摘要：基于对某电厂发电机组用UPS的并机运行原理及其优缺点的分析,讨论了并机运行中出现的交流共模干扰量影响机组安全稳定运行问题,并提出了加装隔离变压器的解决方案。
并机方式 篇5
供电系统是煤矿企业生产不可或缺的重要组成部分, 在公司地处供电状况相对薄弱的地区或公司双回路供电线路不稳定的情况下, 保证企业供电的连续性、可靠性尤其重要。集装箱式全自动并机应急柴油发电机组采用国内少有的全自动发电机组并机 (并车) 系统, 配有同步控制、负载分配模块和自动分合闸开关, 整套并机柜装置具有性能先进、使用维护方便等特点, 多台发电机组同时给负载供电, 可以保证电网的安全性、可靠性、经济性。
1 集装箱式全自动并机应急柴油发电机组技术论证及选型
由于发电机并机运行在煤矿生产中实属先例, 相关技术的资料很少, 并机运行首先要对发电机并机运行的机理有一定了解, 发电机一般产生50 Hz的交流电, 多台发电机要成功并机连接, 必须同时满足下面四个参数:a) 两台发电机的瞬间电压必须相等;b) 两台发电机频率必须相近 (误差范围不大于1 Hz) ;c) 必须具备相位的同步性;d) 两台发电机必须具备相同的相序。
考虑到以上四个因素, 发电机并机前, 必须把两台机组的电压调整在同一数值上;空载并机后, 调整电压旋钮, 消除逆功现象, 使其功率因数滞后0.8左右即可;并机发电机机组带载后, 可根据负载情况, 手动调节电压调整旋钮, 使其功率因数在最佳位置, 并机前必须把两机组的速度 (频率) 调整一致。并机时, 可根据同期表的转动速度调节首机或待并机组的转速, 使同期表转动方向按顺时针或逆时针方向转动, 速度越慢越好, 但同期表的指针必须转动才能并机。并机后, 观察两台机组的电流、功率是否平衡, 如差别太大, 可调整速度旋钮, 将两台机组的功率调整到一致;机组并机后每台机组的负载分配器同时投入工作, 各自调整转速, 使两台机组的功率平均分配, 根据本机组的输出功率的大小 (即电流的大小) , 自动调整机组转速, 使其负载平衡。
通过对并机技术的考察和研究, 采用并机柜来使发电机组实现并机运行, 经查阅资料, 了解到并机系统大体上分为四种:a) 全自动并机系统。全自动并机系统的自动程度高, 机组投入运行、切出运行、同步合闸、卸载分闸、负载分配均自动进行, 发电供电系统可实现无人监管, 并机柜工作状况稳定, 操作人员容易掌握使用方法;b) 自动并机系统。自动并机系统的自动程度较高, 发电机组正常运行后可以自动同步, 自动合闸、自动分配功率。对操作员的技术经验要求相对不高。并机柜工作状况稳定, 操作人员容易掌握使用方法;c) 手动并机系统。并机系统的自动程度低, 具有同步显示、同步检测。同步并机、功率平衡需经验丰富的技术人员根据仪表的显示人为操作。并机柜组合元件较少, 结构简单, 性能可靠, 价格便宜;d) 自动并网系统。自动并网系统的自动程度高, 安全性强。自动并网柜工作状况稳定, 操作人员容易掌握使用方法。
2 集装箱式全自动并机应急柴油发电机组组成及运行
发电机组主要设备有:a) 卡特彼勒800 k W柴油发电机;b) 机组柴油油箱1 600 L;c) SCB9-1000k VA升压变压器;d) GYATS-12D-630A中压智能切换柜;e) 12 000 mm×2 700 mm标准集装箱外壳;f) J1204S全自动并机控制柜系统。
集装箱式全自动并机应急柴油发电机组采集公司双回路供电电源的电压信号, 当两回路全停电时, 发电机组自动启动, 30 s内发电机发出的电源质量可达使用标准要求, 经GYATS智能切换装置进行电源切换可将发电机、升压变压器产生的10 k V电压输送到10k V母线上。整套发电机运行, GYATS智能切换装置自动将市电电源切换到过程可在1 min内完成, 大大提高了煤矿的安全可靠性。并机系统示意图如图1。
2.1 柴油发动机
a) 发动机结构。V型、12缸、4冲程、涡轮增压;b) 发动机的冷却方式。风扇冷却闭式水循环系统;c) 额定速度。1 500 rad/min。
2.2 自动补油燃油系统
根据实际情况需要进行设计, 本项目机房安装三路互通各一台2.5 m3日用油箱, 室外配置1台20 m3地埋储备油罐, 油泵房设置2台油泵 (1主1备) 。自动补油系统由磁致伸缩液位探针、智能控制器、电子自动油泵及用户管理系统组成。
2.3 直流系统
直流电池充电器为24 h浮充, 机组采用直流24 V电气系统, 发动机起动系统包括24VDC起动马达、起动继电器、自动复位装置, 在冬夏季能在10 s内起动。
2.4 缸套水加热器
热循环式水加热器, 单相220VAC, 加热温度可调, 加热器容量保证机组缸体温度32 ℃。管路符合工业标准, 保持长寿命, 管路上安装手动关断阀门。配套控制部分, 发动机工作时自动切断加热。满足冬季发动机起动的温度需要。
2.5 数字电压调节器
基于微处理器的数字式电压调节器, 所有运行和保护特性可编程设置。可检测发电机三相/或单相输出电压, 电压稳态调整率≤+/-0.25%, 空载电压整定范围-25%~10% (可编程) 。
2.6 控制屏
控制屏能够提供自动起动/停止操作, 在发动机冷却停机延时, 紧急停机, 屏幕显示内容有发动机盘车, 指示灯测试, 发电机电压, 发动机转速/发电机频率, 数字AC仪表, 中文液晶LCD显示, 可以完成对发动机和发电机组的控制和监控。
2.7 客户通讯功能
控制屏支持RS-485接口, 采用MODBUS协议可和上位机通讯, 实现机组的监测/监控, 提供中文监控软件。发电机组运行的同时如果市电电源其中有一路恢复供电, 机组根据检测的来电信号自动停止10 k V母线, 恢复市电电源供电。
3 创新及优点
整套发电机组采用全自动发电机组并机 (并车) , 配有同步控制、负载分配模块和自动分合闸开关, 整套并机柜装置具有性能先进、使用维护方便等特点。有以下优点:a) 提高供电系统的可靠性、连续性, 因为多机组并联成一个电网, 供电的电压和频率稳定, 可以承受较大负荷变化的冲击;b) 保养、维护更方便, 多台机组并联使用, 可以集中调度, 分配有功负载和无功负载, 能使保养、维修方便及时;c) 更具经济性, 可以根据网上负载的大小, 投入适当台数的小功率机组, 以减少大功率机组小负载运行带来的燃油、机油浪费;d) 未来扩展更具有弹性, 只需安装现在所需功率的发电及并联设备, 待以后需要扩展电网容量时再增加柴油发电机组, 并且能方便地实现扩展机组并机, 令初步投资更显经济性。
4 结语
煤矿作业难度不断攀升, 安全风险不断增大, 保证煤矿供电系统安全、可靠、连续运行至关重要。集装箱式全自动并机应急柴油发电机组从研制安装成功至今, 以其准确快速的启动方式, 保证了企业供电的连续性、可靠性。杜绝了因停电造成的煤矿井下瓦斯超限、排水困难等重大安全隐患事故, 其科技成果推广应用到了各行各业, 取得了良好的社会效益。
摘要：介绍了集装箱式全自动并机应急柴油发电机组组成及选型, 简述其在煤矿企业的应用, 并探讨了相应运行情况及创新点, 以期为相关工作提供借鉴。
并机方式 篇6
关键词：全数字化控制,大功率UPS,并机均流
1 全数字化控制应用普及的显著优势与产业效益
1.1 全数字化控制的基本原理概述
电力电子电路的控制已经由模拟控制、模数混合控制, 进入到全数字控制阶段。DSP控制使得某些依赖于高速数值运算的复杂控制策略的实现成为可能。全数字控制是一个新的发展趋势, 已经在许多功率变换设备中得到应用。
1.2 全数字化控制的产业效益与应用前景
过去数字控制在UPS控制中用较少。原因是, 对于高频率的开关变换器来说, 数字带宽不够高, 但是全数字控制的费用又太贵, 阻碍了电源控制的全数字化技术的发展, 近两年来, 已经开发出电源的高性能全数字控制芯片 (IC) , 费用也已降到比较合理的水平。实时数字控制可以减小UPS外观体积, 实现快速、灵活的控制设计, 使UPS控制的性能更好, 改善电路的瞬态响应, 使之速度更快, 更精确。数字控制可以实现精细的非线性算法, 监控多部件的分布电源系统, 减少产品测试和调整时间, 使产品生产率更高。
1.3 数字化大功率UPS并机的市场应用效益
由于微处理器监控技术和先进的IGBT驱动型SP-WM等高技术的应用, 目前的UPS已经达到了极高的可靠性水平, 对于大型UPS来讲, 使用数字化的控制, 在实现精密控制的同时, 也提高了设备运行的可靠性, 其单机的年均无故障工作时间 (MTBF) 已经超过20万小时, 如果采用双总线输出的多机冗余型UPS供电系统, 其MTBF甚至可达1 000万小时数量级。体积小, 精度高, 可靠强, 是数字化大功率UPS并机的优点, 其市场效益不言而喻。
2 大功率UPS并机均流的实践探索以及可行性分析
2.1 硬件设备的选取与软件程序的适配
UPS并机均流的关键是逆变器的均流。逆变器一般由功率主电路、控制电路等组成。目前, 较先进的逆变器的功率电路已采用功率场效应晶体管 (MOSFET) 、绝缘门极晶体管 (IGBT) 等高频化全控功率器件取代了只能控制其开通, 且工作频率低的晶闸管 (SCR) 。控制电路上, 采用了数字信号处理 (DSP) 技术和具有主机自诊断系统及同步信号跟踪系统。主机的结构上, 采用冗余设计, 当其中一个或多个元器件出现故障时仍能正常工作, 由LED液晶显示屏记录主要参数, 及信号报警功能。
2.2 通信与信号系统构造分析
两台UPS输出电压的幅值差及相位偏差, 会产生两台并机的输出环流, 直接影响两台UPS的输出有功功率差和无功功率, 且输出有功功率偏差与电压相位差成正比, 输出无功功率偏差与电压幅值差成正比。只有使得两台UPS的输出电压幅值与相位无限接近, 才能确保实现两台UPS的并机均流。
在并机信号中, 通讯总线中需要有两组信号进行交互。一组为电压基准相位线, 各UPS模块正弦电压基准的频率、相位与电压基准相位上方波的频率、相位保持一致, 从而实现输出电压的同步;另一组为平均输出电流线, 为用实现均流提供电流的基准信息。当两台UPS在执行并机操作时, 均执行总线上的控制信号, 不需要互相获取对方的实时的输出频率、相位、电压、电流等参数信息, 就能达到相互锁相同步并机, 均匀分担负载电流的目的。
3 结语
并机方式 篇7
在中短波调幅广播发射机中, 音频信号在载波信号上进行调制后, 再经过阻抗变换及选频滤波网络输出高频已调波信号, 经过馈线送至天线, 产生电磁波向外传输出去。中短波调幅广播发射机对载波频率容差要求很严格, 这可以保证频谱资源得到充分的利用, 不对邻频干扰, 因此这样载波频率产生电路非常重要, 根据 (GY/T225-2007发射机工作技术等级指标甲级时, 中波频率容限为±1Hz) 载波频率稳定度要求高。频率产生电路有很多种, 对于美国Harris公司生产的并机DX中波发射机来说, 射频源板上的载波频率产生电路采用由石英晶体和场效应管和电容元件组成的柯尔匹兹振荡电路, 石英晶体压电效应而形成的电振荡信号, 其频率并非绝对标准的, 石英晶体振荡器广泛应用于各种仪器仪表中, 为系统提供稳定的频率标准。已成为现代电子系统必不可少的元件, 并有素称“心脏”的重要地位。
2 石英晶体振荡器工作原理
石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器, 是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件, 高频电压频率变电场的频率与石英晶体的固有机械谐振频率相同时, 振动便变得很强烈, 这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性, 就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点, 故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。与LC振荡器相比, 晶体振荡器的标准性较好, 谐振回路的Q值较高。所以晶体振荡器的频率稳定度高。所以在需要频率稳定度高的振荡电路时, 就选用晶体振荡器。
在晶体的两面制作金属电极, 并与底座的插座相连, 最后以金属壳封装或玻璃壳封装, 成为晶体谐振器。图1所示石英晶体谐振器等效电路, 0C是晶体作为电介质的静电容, 即晶体不振动时两极板间的等效电容, 其数值一般为几个皮法到几十皮法。qL、qC、qr是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。qL等效电感 (表示晶振机械振动的惯性) , Cq等效电容 (表示晶振的弹性) qr是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。
根据等效阻抗式可得, 电抗特性曲线图如图2所示。ωq为晶振的串联谐振点。ωp为晶振的并联谐振点。当ω<ωq、ω>ωo时, 晶体谐振器显容性;当ω在ωq和ωp之间, 晶体谐振器等效为一电感, 而且为一数值巨大的非线性电感。由于qL很大, 即使在ωq处其电抗变化率也很大。实际应用中晶体工作于ωq~ωp之间的频率, 因而呈现感性。
晶振在串联时由等效电路中qL、Cq决定的其谐振频率fq为:
晶振在并联时由等效电路中qL、Cq、C0决定的, 其谐振频率fp
因为CqC0<<1串联和并联谐振的关系为:fp≈fq1 (+Cq20C)
因为Cq很小, fqfp之间间隔小, 间隔越小晶体振荡器工作越稳定, 品质因数越高, 为晶体振荡器的工作频率, ωq~ωp之间其串联谐振频率fq和并联谐振频率fp相近即:通过微调晶体振荡器外部的负载电容使晶体振荡器工作在标称频率上。
振荡器电路属于一种信号发生器类型, 即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。振荡器起振时, 是将电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行工作频率范围内的频率放大选频。此时振荡器的输出幅值是不断增长的, 随着振幅的增大, 满足放大器开环增益远大于1的要求, 放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区, 其增益逐渐下降, 当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时, 振幅的增长过程将停止, 振荡器达到平衡, 进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态后, 直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。
3 柯尔匹兹振荡电路的起振条件
Colpitts (柯尔匹兹) 振荡电路是电容三点式的一种, 主要由一只晶体三极管或场效应管和 (石英晶体振荡器) 电感和电容元件组成电路图, 其中晶体三极管或场效应管作为电路中唯一非线性器件, 是电路产生振荡的核心, 是一种共漏并联振荡电路, (石英晶体振荡器) 电感和电容元件组成并联谐振网络。电路如图3 (a) 所示。根据以上分析晶振在工作在串联谐振时为晶体振荡器的标称频率, 设eR和Xe分别为晶体振荡器的等效电阻和等效电抗, 等效电路图如图3 (b) 所示。用负阻的观点讨论柯尔匹兹振荡电路的起振条件, 当晶体振荡器的eR、Xe分别和外电路的等效电阻wR和等效电抗Xw的关系为-Rw>Re达到平衡条件, 起振条件是为-Rw=Re、-jXw=j Xe。TC为晶振的负载电容。
设场效应管的输入电阻为iR与23C并联后为3Z:
根据并联振荡器的复数振荡方程, 设mg为负阻器件的跨导:
化简 (1) 式因24R和TC较大时可以由振幅平衡条件得出eR与外电路元件参数的近似关系:当外部电路电阻时, 振荡器起振, 当外电阻和晶振等效电阻大约相等是达到平衡状态。
虚部为0时, 由振荡器相位平衡条件可得晶振的eX, eX的等效电容TC为振荡器的负载电容化简后可得:
根据上式在保证起振的条件下, 尽可能的选择较大的31C和23C有利于阻止负阻器件的杂散电容的不利影响;一般来说TC越大, 振荡器的Q值就越高, 对提高振荡器的频率稳定度越好, 也不能太大, 振荡器的振荡频率就很难校准到标称频率, 既要考虑振荡器的Q值, 又要考虑振荡器的振荡频率的稳定性一般取TC为典型值为5030~pF。
4 柯尔匹兹振荡电路在DX发射机中的应用
在实际应用中不需外加输入信号, 能够产生特定频率的交流输出信号, 从而将电源的直流电能转换成交流电能输出, 这种电路称为自激振荡器。振荡器就是一个没有外加输入信号的正反馈放大器, 要维持等幅的自激振荡, 放大器的反馈信号必须和原输入信号大小相等, 并且放大器的反馈信号必须和原输入信号相位相同。振荡器由放大电路和反馈网络两大部分所组成的闭环系统。为了得到单一频率的振荡频率, 整个电路中还应包括有选频网络;为了使振荡器输出稳定, 在放大电路中还往往具有稳幅环节。
上述分析了柯尔匹兹振荡电路的起振原理和起振条件, 下面就实际应用中的电路做一分析 (如图4) 。
Colpitts电路是一种共漏并联振荡电路, 如图4为载波产生电路。负载电容为可调电容C18与C22, 容值与负载电容的30~50pF在这个范围内, 用来校准振荡频率。晶振Y1和负载电容C18与C22串联成感性支路, 再与槽路电容C31和C23构成LC并联振荡回路, 共漏并联电路场效益管Q1为LC并联振荡回路提供能量, 源级S给振荡回路提供正反馈, 反馈信号与原输入信号相同, 振荡器起振。产生设备所需的载波信号。
5 结语
掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力, 提高电子电路的理论知识及较强的实践能力, 能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。来选择适合自己最佳起动方式, 达到节约维护和运行费用, 提高设备运行寿命, 希望本文能给同行带来一定的帮助。
参考文献
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