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關于軌道交通行業應要求使用工業型 UPS 的探究

——2015.12.22

何春


  摘要: 分析了UPS在軌道交通行業里的應用現狀,指出尤其地鐵系統里,在機車進出站時,由于大功率非線性用電設備的運行,向電網注入大量的諧波電流,導致電網電壓波形畸變,在發生嚴重畸變時,電壓會出現正負半波不對稱,三相電壓不對稱,頻率也會發生變化等。這是地鐵系統里UPS故障率居高不下的原因。提出了選擇工業型UPS,提高UPS本身的適應性和可靠性,才能保證軌道交通行業安全可靠地運行。


  關鍵詞: 電網上有大功率非線性負載,電網電壓波形畸變,電壓會出現正負半波不對稱,三相電壓不對稱,頻率也會發生變化等。選擇工業型UPS。


  當前軌道交通行業,尤其地鐵系統里,UPS電源系統承擔了全線范圍內控制中心、車站、車輛段等的通信系統與監控系統的供電,以及信息管理系統在控制中心和車輛段的數據機房的供電。也正因為UPS電源主要是給通信系統、綜合監控系統、信息管理系統供電,人們大量采用商業型UPS,造成UPS的故障率居高不下,為軌道交通行業安全可靠地運行,帶來了極大的安全隱患。就其原因是:對軌道交通行業的電氣環境認識不足,只考慮了UPS的輸入綠色要求,輸出的過載能力。即輸入功率因數≥ 0.95,輸入電流諧波<5%,對電網沒有污染。過載能力125%:10 分鐘,150%:1分鐘??此茖﹄娋W及負載兩端都有了要求。而唯獨沒有考慮到軌道交通行業里工業性的特征,即在軌道交通行業的電氣環境中,UPS本身的適應性、可靠性。也可以說是UPS系統魯棒性不足(魯棒性就是系統的健壯性)。


  下面我們就UPS在軌道交通行業里的工作電氣環境作一個了解。以某地鐵為例。


  在機車進出站時,由于大功率非線性用電設備的運行,向電網注入大量的諧波電流,導致電網電壓波形畸變。根據我們的實測觀察,在發生嚴重畸變時,電壓會出現正負半波不對稱,三相電壓不對稱,頻率也會發生變化等。


  我們知道,商業型UPS的三相PWM整流器控制策略中,一般均假設三相電網電壓不平衡度不超過2%,短時不超過4%,即電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值。這樣一旦實際 電網電壓不平衡度太大時,將使三相PWM整流器直流側電流產生6、12、18等6的整數倍的特征諧波和2、4、8、10等次數的非特征諧波,而直流電流諧波又導致產生三相PWM整流器直流電壓諧波,直流電壓諧波通過PWM作用反過來又會影響三相PWM整流器交流電流波形,使交流電流波形中含有奇次諧波。其中直流電壓2次諧波和由其產生的交流電流3次諧波,因頻率低幅值高嚴重影響了三相PWM整流器的運行性能,嚴重時會燒壞整流器。


  而工業型UPS為了在嚴苛的工作電氣環境中的可靠性,一般三相PWM整流器控制策略,均假設三相電網電壓不平衡度達40%,如電壓空間矢量脈寬調制SVPWM的網側瞬時功率控制策略,和工頻三相IGBT整流技術,即全橋整流加有源濾波器,所以又叫混合式整流技術?;旌鲜秸骷夹g,可以在帶載小于70%時,缺相工作運行。


  電網電壓波形嚴重畸變,這是軌道交通行業里最嚴重的問題。我們知道三相PWM整流器的硬件電路主要包括檢測電路、鎖相環電路、過流保護電路、光耦隔離電路和驅動電路。其中驅動電路,工作時是以輸入電網電壓正弦波形為調制波的。檢測電路、鎖相環電路都與電網電壓正弦波形有關。檢測電路要檢測電網電壓過零上升,鎖相環電路為了實現三相的單位功率因數控制,需要找到和輸入電網電壓波形同步的基準量,從而獲得電網電壓的頻率和相位。


  在這里我們有必要談談UPS的輸入特性,通常有:輸入電壓范圍:±20%,輸入頻率范 圍:50Hz±10%的表述。所以,我們大都認為超出輸入電壓、頻率范圍時,UPS自身會判定為掉電,而轉有電池逆變工作。這在常態的時候是對的,但在一些異常的瞬態畸變卻未必,哪怕你再調寬輸入電壓、頻率范圍,也不能解決問題。因為,我們在判定輸入電壓、頻率超出范圍時,通常是采用平均值法,就是說它在一個單位時間里有幾個參考點要采集后才判定。 舉例說:我們不會把50Hz的正弦波形里的過零點,判定為掉電。這樣就有個瞬態時間的問題。如果由于UPS的輸入電壓波形嚴重畸變,這時UPS的整流器會因為跟蹤的正弦波形畸變率較高,IGBT驅動脈沖紊亂,驅動器功率不足或選擇錯誤而導致故障,使整流IGBT元件燒毀。 而這些問題,正是工業型UPS的抗擾性要求,已經得到很好的解決,已大量應用于電廠、電站、冶金、鋼鐵等電網電壓波形嚴重畸變的行業。


  總結上述,軌道交通行業應使用工業型UPS。工業型UPS就顯性而言有三要素:即1、高等級的抗擾度;2、可選配的高等級IP防護等級;3、工頻變壓器的電氣隔離。在應用環境方面,商業級UPS通常應用于IDC機房內,對溫度、濕度、粉塵、腐蝕性氣體有嚴格的要求,不能用于嚴酷場合,而工業級UPS則通常應用于高溫高濕多粉塵或鹽霧的場合;在可靠性方面,商業級UPS設計壽命通常在5年左右,而工業級UPS則通過選用工業級甚至軍用級器件、增大冗余度、強化工藝設計和提高安全性配置等技術使產品壽命達到甚至超過20年。另外,在電氣環境、負載特性、機械強度、電氣隔離、輸入輸出保護、通訊接口、旁路要求、附件選擇、IP防護等級和鈑金要求等方面,市場對工業級UPS的要求均遠高于商業級UPS。

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