应用在变电站UPS电源的热插拔式高频逆变并联技术

应用在变电站UPS电源的热插拔式高频逆变并联技术

许郁

国网山西省供电公司长治供电公司山西长治046011

摘要：在我国快速的发展过程中，按照模块化设计思路，可以实现在线热插拔的高频模块化UPSN+X冗余并联系统的目标，对UPS电源的高频逆变并联技术中的电流控制、均流控制、过载控制及其旁路等关键技术进行了深入讨论、分析。

关键词：并联技术；热插拔；高频逆变；均流

引言

UPS电源主要用于变电站重要负载的不间断供电，常用于故障数据设备、数据通信、应急电源、控制系统等重要负载，需要具备很高的可靠性和稳定性。单台UPS电源供电时，一旦发生故障，则可能导致系统瘫痪，并导致不可估量的损失。其热插拔式高频逆变并联UPS电源在变电站的应用是提高UPS电源系统运行的可靠性和扩大供电容量的有效技术手段，可以充分利用模块化设备的优势，实现并联无扩容，不仅可减少系统的体积，提高动态响应速度，还可提高电源的通用性和灵活性，使系统的设计、安装、组合、互换、备品备件等更加方便，更能进一步提高现场设备的可靠性、安全性、可维护性，在变电站UPS系统中具有较高的推广应用价值。

1热插拔式高频逆变并联UPS拓朴结构

本文提出的热插拔式高频逆变并联UPS电源在变电站的应用，采用共用交流和共用直流电源供电的拓扑结构组成热插拔式高频逆变并联独立UPS电源体系，以提高供电系统的可靠性。拓扑结构如图1所示。

热插拔式高频逆变并联独立UPS电源是电压控制型逆变器和电流控制型逆变器的混合并联系统，其中电压控制逆变单元提供输出需要的电压，电流控制型逆变单元跟追电压控制型逆变器的输出电压波形，且输出负载需要的交流电流，所有的逆变器之间自动实现均流，在这种并联控制下的逆变器并联在一起并不会改变整个并联系统的谐振频率，从而也不会影响输出电压的波形质量，谐波环流较小。图1中，处于并联状态逆变器的直流电压始终保持一致，为避免由于各台逆变器开关管的开关模式不一致而导致的直流电源短路，将滤波电抗器一分为二，即将各逆变模块单元的滤波电抗器分解为两个，且采取对称接法，如图2所示，这样能够避免由于各台逆变器开关管的开关模式不一致而导致的直流电源短路。

2热插拔式高频逆变并联UPS可靠性分析

高速发展的数字化、信息化的时代，要求UPS不间断供电的电力设备越来越多，对供电质量提出了更高的要求。故障停电或检修停电会导致UPS负荷的电源间断，而故障的不确定性停电则会危害变电站的重要设备。应用热插拔式高频逆变并联UPS电源系统，无需全面停电检修，可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电，快速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据。目前常规使用中的单机模式的UPS的平均无故障时间为100000h，现场平均维护时间为2h。而对于热插拔式高频逆变并联UPS电源系统，以10kVA的系统，采用五块进行并联的模式，设定单模块的平均无故障时间为100000h，因为热插拔式的冗余设计模式，大大提高了热插拔式高频逆变并联UPS电源系统的总无故障时间，所有模块同时故障的概率远远低于单机模式故障率，且热插拔式高频逆变并联UPS的热拔插特征，现场维护时间几乎为0h。可见热插拔式高频逆变并联UPS被引入到电力系统变电站后，凭借其优点可以有效大大提高变电站的UPS系统的可靠性，具备完全可行性。

3热插拔式高频逆变并联UPS电源均流技术

热插拔式高频逆变并联UPS电源系统通过控制各模块的输出功率无差达到输出电压无差，满足逆变器并联条件，各模块间以平均功率作为功率参考值，将误差通过PI控制器调节电压频率和幅值的参考值，即在原有电压瞬时值内环和有效值外环基础上再加两个功率控制环，系统自动检测逆变器工作台数，快速计算平均功率，当系统突加或突减一台时能迅速应对，保证系统继续稳定运行，实现系统热插拔功能。在突卸负载时，由于负载的扰动，逆变器并联系统的环流增大，为了提高逆变电源模块的输出电压波形质量和抗负载电流扰动能力，需采用电压电流双闭环控制原理的瞬时均流控制技术，其控制框架如图3所示。

图3中，uref为基准正弦波，uvf为反馈电压，Kvf为电压反馈系数，iL为电感电流，KIF为电流反馈系数，Uo为输出。先将状态切换到SMC控制，并联系统转到SMC控制后，即将进入稳态时并联系统再转到PID控制。该联合控制使动态响应过程比PID短，稳态时输出电流环流趋于零，这样可以快速获得良好的动态过程，同时也可以获得良好的稳态精度。在逆变器并联之前，环流实际上就是一台逆变器的负载电流，在热并联的第一瞬间，由于存在初始相位差，环流增大，在SMC的控制下，很快实现两台逆变器的负载均分，表现为逆变器之间的环流减小很快。进入稳态之前，并联逆变器切换到PI控制，可以看出在PI控制下，环流几乎为零，负载实现均分。在逆变器的热并入和热退出的动态过程中，输出公共母线上的输出电压基本保持不变。

4高频漏电的处理及保护

要了解逆变器中高频漏电是否需要保护，首先要知道漏电保护的目的是什么？一般对漏电流的几种保护目的：其一为对人体安全的保护，设定为短时间的突变，如30mA要在0.03s内完成报警保护。其二为系统设备防止火灾的保护。通常保护阈值设定为300mA，设备功率较大的，阈值会随功率段的增大而增大。其三为对直流6mA及以下漏电流的检测，其目的为检测对地绝缘阻抗值，通过检测对地电压的变化量来确认系统对地泄露电是否正常。而高频容性漏电随着逆变器的运行实时存在，基础值较大，并且随工况的变化而缓慢变化，这显然不属于保护人体安全的突变漏电和绝缘检测。而从防火的角度来看，高频漏电更多是由时间很短的奇次谐波构成，其能量相对较弱，不足以引发火灾。且这些高次谐波可以通过硬件的方式将其去除掉。对高频容性漏电的定位存在一定争议。既然对这些高频容性漏电的保护目的不是十分明确，那是否有类似的系统可供参考，他们又是怎么处理的？举例矿井变频器，其在井下工作及漏电产生情况与光伏逆变器类似。矿井变频器由于其特殊的结构，早期经常会引起煤矿漏电保护系统做出误判，导致在正常的生产情况下，漏电保护系统向断路器发出错误的断电信号，对煤矿安全生产造成了严重的事故隐患。

5间接安全及社会效益分析

热插拔式高频逆变并联UPS电源可解决UPS故障停电检修的问题，间接提高了其他设备的可靠性，减少了故障率。由于变电站分布管辖区域位置不同，一般与办公地点有一段距离，热插拔式高频逆变并联UPS电源将减少现场运维时间，减少运维人员数量，间接地减少了一线人员的交通费用、工作强度，提升员工的工作质量。除此之外，减少运维人员在变电站强电磁场中受辐射环境中的工作时间，对从业人员的身体健康更有着重要的意义，可以避免职业病、人为触电事故的发生。

结语

UPS电源的热插拔式高频逆变并联技术，可以提高UPS电源的供电稳定性和扩容的灵活性，并且可以组成并联冗余系统，提高UPS电源的可靠性和可维护性，并联将不断发展，随着并联技术的提高和UPS系统各方面性能的完善，其应用领域会越来越广泛。

参考文献

［1］粘来娥，翟绘景，耿庆申.变电站智能化的成本效益分析［J］.国网技术学院学报，2011（5）：1-5.

［2］杨桦，王宏波.全寿命周期成本设计分析及其在思居110kV变电站的应用［J］.电子世界，2014（3）：52-53.

［3］施放，张黎明.基于LCC的变电站改善维修成本——效益研究［J］.才智，2009（15）：248-249.