石化供电系统中UPS技术特点及最优方式探讨
石化供电系统中UPS技术特点及
最优方式探讨
高建玲
(华陆工程科技有限责任公司，陕西省西安市 230009)
摘要：分析了DCS供电系统中不间断电源UPS的故障原因，分析UPS单机及串联备份和并联备份的优缺点，并提出采用双机UPS直流冗余供电方式，提高供电可靠性。
关键词：UPS故障串联备份并联备份双机供电
Study of the UPS Trouble-shooting and Its Running Mode in Petrescence
Power Supply System Feeding to DCS
Xiao Jian
Abstract: It studies the reasons of Uninterrupted Power Supply troubles in Power Supply System Feeding to DCS, and the advantages and disadvantages of UPS connection in series or in parallel, and points out to adopt double UPS to improve the reliability of power supply .
Keywords：UPS trouble UPS connection in series UPS connection in parallel power supply with double UPS
1 引言
目前石油化工生产装置绝大多数采用DCS （distribute control system）系统进行生产过程的控制和操作。为提高系统的可靠性，DCS的供电采用不间断电源UPS（uninterruptible power supply）。UPS将电源的瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动及电压噪声消除，同时可提供一定的后备时间，便于操作人员进行装置紧急停车。
近几年，随着UPS 使用数量的增加，由于UPS本身故障引起的生产装置的非计划停车事故时有发生，甚至超过了因电网失电带来的影响。如何提供UPS 供电的可靠性，确保由UPS、DCS 组成的系统在电网正常和失常情况下，都能有效的发挥作用，对连续运行要求很高的石化生产装置具有普遍的意义。
2 石化供电系统中UPS常见故障分
析
UPS 供电故障大多数是由于UPS主回路、交流旁路、维修旁路相互切换时以及UPS蓄电池组故障而引起的。
通过对UPS的运行统计其故障有下列特征。
1)UPS的故障发生于交流旁路与逆变器之间的相互切换的过程，时间较短，一般为ms级。
2)由于蓄电池的故障而引起的UPS故障，在大规模停电时，由蓄电池供电，蓄电池故障而引起UPS故障供电中断。
3)在切换过程中故障的发生有随机性，交流旁路的电源越接近标准的50 Hz，切换几乎是无干扰的。而偏差越大，这种切换将导致UPS输出发生很大的畸变甚至瞬时供电中断。
3 UPS逆变器及转换技术特点
3.1 逆变器的基本原理
逆变器的原理图如图1所示。在PWM调制过程中U T1和U T4导通期间，则输出电压，点A 为+，点B为–，若设此时输出电压为+，反之为–。电压曲线如图2。
负载电流与电压之间的相位关系随负载而
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2 定，若流经IGBT 的电流滞后电压φ角如图2。下面研究电流的流经途径。
图1 逆变器的原理图
图2 电压曲线
在1—2期间，U ，I 同向，电流由+—UTI —AB —UT4—–，在0—1期间，U ，I 反向，电流由– —VD4—BA —VD1—+。也就是说电流的途径是：在电压电流方向相同时，电流流经IGBT ，电压电流方向相反时，电流流经续流二极管。 3.2 逆变器的构成
功率器件：IGBT （绝缘栅双极晶体管），调制方式：脉冲宽度调制 PWM ；调制频率：工频机一般为10 kHZ 以下；高频机一般为10–20 kHz 。 3.3 三相逆变器的结构
三相全桥单独（分相）控制电路如图3所示。
图3 三相全桥单独（分相）控制电路
三相半桥逆变电路如图4所示。
图4 三相半桥逆变器主电路图
3.4 输出滤波电路
串联电感（或变压器的漏感）与并联电容构成低通滤波器。
一般变压器采用Δ/Y 接线（见图5），有利于消除3次谐波，满足输出3相4线制的需要。
图5 Δ/Y 接线示意图
采用Δ/Z 接线（见图6），有利于消除7次谐波。
图6 Δ/Y 接线示意图
变压器的作用为：适配电压、滤波、隔离。 3.5 逆变器与旁路电源的不间断转换
为保证逆变器与旁路电源的转换是不间断的，旁路开关都是采用静态开关。静态开关是由2个反向并联的可控硅组成。串联在每相电路中。控制可控硅的导通或断开，来控制旁路电源的接通或断开。
逆变器的输出与旁路的转换，在旁路一侧是用静态旁路开关。在逆变器一侧有2种方法：
一种是逆变器输出接一个静态开关，一种是逆变器输出接一个接触器开关。如图7和图8。在这里接触器开关并不是作为接通和断开电路用的，而仅仅是用来作为隔离电源用的。
可控硅的导通是在控制极上加触发脉冲，撤掉触发脉冲可控硅仍可维持导通状态，直到流过可控硅的电流小于其最小维持电流或加反向电压，可控硅才恢复起阻断能力，断开电路。UPS 控制电路就是利用流过可控硅电流过零时“关断”的原理来进行控制的。
图7 逆变器输出接一个静态开关
图8 逆变器输出接一个接触器开关
下面所研究的转换是同步转换，即逆变器与旁路市电是时时处于同步状态。逆变器的频率和相位与旁路市电的频率和相位完全相同，而旁路市电的电压又是在规定范围内。这种条件下的转换是不间断转换的。
3.5.1 第1种电路的转换过程
这种UPS电路执行逆变器供电与旁路市电相互转换操作如下：
当UPS的控制逻辑板的控制电路在执行转换操作命令时，它首先发出控制命令去立即封锁原来处于导通状态中的静态开关中的可控硅的控制极触发脉冲，与此同时，随时检测流过该可控硅的电流，当控制电路发现流过该可控硅的电流过零时，才立即向原来处于关断状态的静态开关中的可控硅控制极发送触发脉冲，从而实现在两个静态开关之间的转换操作。在这中间有原导通的可控硅电流过零与新导通的可控硅完全导通之间的中断，但因快速可控硅的导通时间仅是微秒级的。所以，在技术上是实现了不间断的转换。3.5.2 第2种电路的转换过程
由旁路市电向逆变器转换：UPS是在旁路运行状态，即旁路静态开关可控硅是导通的，逆变器空载工作，接触器是断开的。控制电路首先向接触器发出闭合命令，接触器约80-100 ms动作。此时UPS逆变器与旁路市电同时向负载供电。在控制电路检测旁路可控硅电流过零时，将其关断，完全由逆变器向负载供电。
这种“先合后断”的转换方式，两个电源同时向负载供电，会产生环流，时间为10 ms。两种交流电源瞬态电压差就回形成“环流”，即有一部分电流在交流旁路电源与逆变器电源之间流动。这种“环流”过大不仅会造成逆变器故障，还会导致输出电源的畸变，甚至瞬时中断供电。
由逆变器向旁路市电转换：由控制电路在向逆变器（或逆变器已因故障而停止）和接触器发出“关断”命令的同时，也向旁路静态开关发出“闭合”命令。因接触器关断响应时间较慢（80～100 ms），静态开关晶闸管导通时间是微秒级，在此过渡期间，由于逆变器已关断而接触器尚未真正释放，所以，逆变器的输出滤波电容上的残剩电压与旁路市电电源同时供电，约20 ms左右。
4 DCS供电系统中UPS单机运行技术
4.1 UPS的双变换
在正常运行方式下，由整流器/逆变器组合连续地向负载供电。
当交流输入供电超出了UPS预定允差，UPS 单元转入储能供电运行方式，由蓄电池/逆变器组合，在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前（按两者之较短时间），连续向负载供电。UPS的双变换见图9。
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图9 UPS 的双变换
4.2 带旁路的UPS 双变换
增设旁路，借助转换开关使旁路发挥作用，可在下列情况改善负载电力的连续性：1）UPS 故障；2）负载电流瞬变（冲击电流或故障电流）；3）尖峰负载。增设旁路的一些限制如下：输入和输出频率通常应相同。如果电压值不同，则需要旁路变压器。对某些负载，UPS 与旁路交流输入同步才能保持负载电力的连续性。
在正常运行方式下，主要由整流器/逆变器组合向负载供电。当交流输入供电超出UPS 预定允差，UPS 单元进入储能供电运行方式，由蓄电池/逆变器组合，在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS 设计的允差之前（按两者之较短时间），继续向负载供电。在整流器/逆变器故障或负载过重，包括瞬时过电流或持续过电流时，UPS 单元转入旁路方式运行，这时，负载暂时由主电源或备用电源经旁路供电。带旁路的UPS 双变换见图10。
图10 带旁路的UPS 双变换
5 DCS 供电系统中UPS 多机运行分析
从上述分析可知，UPS 单机运行无法保障DCS 系统的100%可靠供电，为了提高UPS 供电
可靠性,目前重要DCS 系统通常采用主从运行方式、功率均分双机冗余并联运行方式等连接方式。 5.1 UPS 主从运行方式
这种方式由两台UPS 同步工作，但一台UPS 的输出接到另一台UPS 的静态开关，一旦主UPS 故障，自动切换到从UPS ，主UPS 故障排除后，又由从UPS 切换到主UPS 。
其优点为：1）主UPS 的锁相同步电路能有效地跟踪从UPS 的频率和相位，互相切换的过程比较平稳，对DCS 供电几乎不会有影响；2）可将两台不同功率,不同型号,不同制造厂家的任何两台UPS 连接成双机串联备份系统，灵活性高，非常适合老装置技术改造。
其缺点为：1）不能组成互为备份的形式,主机永远处于主机状态,备机永远处于备机状态。2）存在瓶颈故障点：当主机静态开关发生故障时,将中断整个系统对负载的供电。当备机静态开关发生故障时,将中断备机逆变器及旁路市电对主机旁路的供电,使主机处于无旁路的状态下工作。3）主机的旁路是备机逆变器的输出端,因此主机无法直接与市电取得同步。
5.2 UPS 功率均分双机冗余并联运行方式
该方式采用并机柜的形式将两台同功率,同型号的在线式UPS 并联组成，互为备份并通过并机柜达成功率均分效果。系统运行必须满足条件：1）两台逆变器输出电压一致；2）两台逆变器输出电流均衡；3）两台逆变器输出频率同步。
其优点为：1）根据双机备份的基本模式,组成两台机器互为备份的形式,当任何一台逆变器发生故障时,另一台逆变器将无中断继续向负载供电。2）两台逆变器均可以直接与市电取得同步,确保转换旁路同步转换。
其缺点为：1）功率均分控制器结构复杂,所受影响的因素众多,包括两台逆变器输出电压、电流、频率都会给整体系统造成影响,上述参数的变化都将在两台UPS 间产生环流,使整个系统操作发生故障,在实际的运行记录中故障较高。2）存
在瓶颈故障点,当并机柜发生故障时,将中断整个系统对DCS 的供电。
6 DCS 供电系统中UPS 最优运行方式
6.1 DCS 供电要求
DCS 一般由3部分组成：人机接口部分、网
络通信部分、控制站部分。控制站部分是DCS 系统最重要的部分，用于装置的控制和数据的采集正常情况下，只要控制站部分运行正常，其他部分即使短时间的失电也不会给装置生产造成大的影响，因此，保证了控制站的供电也就是保证了DCS 供电。
由于控制站的重要性，设计时其所有关键部分都采取了冗余和容错的方式。电源部分理所当然是控制站的关键部分，DCS系统重要单元的电源组件（模块）都采用的稳压开关电源，且为双重或多重化的供电方式，也就是说所有重要的DCS系统控制站都至少是1∶1冗余的，而且可由两组独立的电源对其供电。每组供电电源的要求一般为：电压100-132/187-264 V AC 单相频率50 Hz±3%，允许畸变（THD）：8% maximum，允许掉电时间10 ms maximum。
6.2 DCS供电系统中UPS双机直流冗余供电
方案
通过分析UPS故障的原因、UPS双机备份优缺点以及石化生产装置DCS的供电要求，我们可以看出，为确保DCS供电的重要性，DCS本身电源系统基本都实现了1∶1冗余，而且可以由两组独立的电源对其供电，完全可以由两台UPS双机分开为DCS提供两路电源。连接方案如下图：
采用两个独立的UPS电源给DCS控制站的两组电源单元供电，两台UPS的电源有不同电网的两路电源供电，当任何一台UPS故障或任何一路市电失电，都能保证对DCS控制站可靠供电，保证具有冗余功能的系统网络总会保障网络畅通，操作员站总有一组能进行操作和监视。该运行方式可以由两台任意品牌的UPS组成供电系统，也非常适合老装置技术改造。
7 结论
DCS供电系统中UPS单机供电方式在运行于切换过程中存在故障隐患，必须采用多机供电方案，其中双机直流冗余供电方案即保持了冗余备份运行的优越性，也避免了交流同步的环流隐患等弊端，提高了供电可靠性，增强了此运行方案的应用性和普及性。
参考文献
1 张广明. UPS高可靠供电系统设计与应用.北京：人民
邮电出版社，2004
2 王其英，何春华. UPS供电系统综合解决方案.北京：
电子工业出版社，2005
3 周志敏. UPS实用技术-应用与维护.北京：人民邮电出
版社，2
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