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绿色工业型UPS在《电能质量管理办法(暂行)》要求下的应用案例分析

来源:《数智元》杂志 作者:中航太克(厦门)电力技术股份有限公司 何春 更新时间:2024/6/6 8:03:48

摘要:绿色工业型UPS的绿色是指为了减小对电网的污染,整流器采用了功率因数校正(PFC)的IGBT整流技术,输入功率因数PF大于0.95,输入谐波畸变率THDi小于5%,逆变器采用SVPWM(空间矢量脉冲宽度调制)技术,输出电压失真率在线性负载时小于1%,非线性负载时小于3%。

         一、引言
  
  《电能质量管理办法(暂行)》的制定背景:近年来,中国式现代化不断推进,能源电力安全保供重要意义日益凸显,新型电力系统加快构建,对电力系统电能质量管理提出新的要求。
  
  1.保障电力安全供应的需要
  
  党中央高度重视电力安全保供工作,电能质量管理是支撑电力系统安全稳定运行的重要基础性工作,电能质量管理需深入贯彻落实能源安全新战略,保障电力系统电能质量水平,支撑电力安全可靠供应。
  
  2.加快构建新型电力系统的需要
  
  随着新型电力系统加快构建,大量新能源电源和新型负荷接入,电力系统面临电压和频率调节支撑能力弱、源荷功率波动性大、电能质量指标越限等一系列新的挑战。需加强电能质量管理,维护电力系统的安全稳定运行,支撑新型电力系统构建。
  
  3.服务社会经济发展的需要
  
  随着现代化产业体系建设深入推进,高端制造业等的发展对电能质量提出更高要求。需要把满足中国式现代化发展和人民追求美好生活的电力需要作为电能质量管理工作的出发点和落脚点,保障电能质量水平,支撑我国经济高质量发展。
  
  4.加强电能质量管理顶层设计的需要
  
  目前社会对电能质量认知还不清晰,电能质量治理责权有待进一步明确。《办法》旨在加强电能质量管理顶层设计,提出电能质量管理内涵,明确各方责任与义务,推动各责任主体共同参与电能质量管理,营造良好的供用电环境。
  
  二、电能质量主要标准、绿色工业型UPS简介
  
  1.电能质量主要标准
  
  1)电网频率
  
  我国电力系统的标称频率为50Hz,GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》中规定:电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz,当系统容量较小时,偏差限值可放宽到±0.5Hz,标准中没有说明系统容量大小的界限。在《全国供用电规则》中规定"供电局供电频率的允许偏差:电网容量在300万千瓦及以上者为±0.2HZ;电网容量在300万千瓦以下者,为±0.5HZ。实际运行中,从全国各大电力系统运行看都保持在不大于±0.1HZ范围内。
  
  2)电压偏差
  
  GB/T12325-2008《电能质量供电电压偏差》中规定:35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%;20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的土7%;220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%,-10%。
  
  3)三相电压不平衡
  
  GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中规定,电力系统公共连接点电压不平衡度限值为:电网正常运行时,负序电压不平衡度不超过2%,短时不得超过4%;低压系统零序电压限值暂不做规定,但各相电压必须满足GB/T12325的要求。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%,短时不超过2.6%。
  
  4)公用电网谐波
  
  GB/T14549--93《电能质量公用电网谐波》中规定:6~220kV各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是0.38kV为5.0%,6~10kV为4.0%,35~66kV为3.0%,110kV为2.0%;用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内,所以国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是:0.38kV为2.6%,6~10kV为2.2%,35~66kV为1.9%,110kV为1.5%。对220kV电网及其供电的电力用户参照本标准110kV执行。
  
  5)公用电网间谐波
  
  GB/T24337-2009《电能质量公用电网间谐波》中规定:间谐波电压含有率是1000V及以下<100Hz为0.2%,100~800Hz为0.5%,1000V以上<100Hz为0.16%,100~800Hz为0.4%,800Hz以上处于研究中。单一用户间谐波含有率是1000V及以下<100Hz为0.16%,100~800Hz为0.4%,1000V以上<100Hz为0.13%,100~800Hz为0.32%。
  
  6)波动和闪变
  
  GB/T12326-2008《电能质量电压波动和闪变》规定:电力系统公共连接点,在系统运行的较小方式下,以一周(168h)为测量周期,所有长时间闪变值Plt满足:
  
  ≤110kV,Plt=1;>110kV,Plt=0.8。以及单个用户的相关规定。
  
  7)电压暂降与短时中断
  
  GB/T30137-2013《电能质量电压暂降与短时中断》定义:电压暂降是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1p.u.~0.9p.u.,并在短暂持续10ms~1min后恢复正常的现象;短时中断是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1p.u.以下,并在短暂持续10ms~1min后恢复正常的现象。
  
  2.绿色工业型UPS简介
  
  绿色工业型UPS的绿色是指为了减小对电网的污染,整流器采用了功率因数校正(PFC)的IGBT整流技术,输入功率因数PF大于0.95,输入谐波畸变率THDi小于5%,逆变器采用SVPWM(空间矢量脉冲宽度调制)技术,输出电压失真率在线性负载时小于1%,非线性负载时小于3%。绿色工业型UPS它采用了高度工程组件化的方法。它的定义是以用户为中心,并与用户一起来研判行业的用电环境(如输入三相不平衡、晃电、谐波等)、负载特征(如整流器、变压器、电机等)、空间及气候环境等(如粉尘、高温、高湿、海拔等),控制算法及采样设计适应性强的“量身定制”UPS系统解决方案。例如:最能代表工业型UPS定制特点的电力专用UPS诞生。随着DCS的引进,电力行业开始批量使用UPS,发现UPS里的电池故障高,国内外的变电站、电厂等有直流屏的用户,对UPS电池的管理提出了一个设想,希望用“UPS机头”,即UPS不配电池和充电,直流端直接接到直流屏上。这样用户的直流维护人员保证了电池的安全,提高了UPS的可靠性,也降低了电池的投入。
  
  为提高功率密度及整机效率,减小对电网的污染,整流器采用了功率因数校正(PFC)的高频整流技术,如图1所示。每相的高频整流电路IGBT~可提供高利用率的直流母线电压,效率得到提高。采用了带功率因数校正的高频整流技术后,可实现UPS输入的功率因数为大于0.95,输入电流谐波大大降低(谐波畸变率小于5%),可对直流母线电压实现快速调控,从而在大大减少对电网谐波污染的同时,显著降低了直流母线电压的纹波系数,提高了直流母线电压的稳定性,此外,对蓄电池的充放电更加灵活(含有升压Boos有源功率因数校正)。逆变器采用SVPWM(空间矢量脉冲宽度调制)技术。在SVPWM调制中可大大降低IGBT的开关频率。使得逆变器的热损耗小、噪音低、电磁干扰小、功率密度高,瞬态响应速度快,且性能可靠,工作稳定、寿命长。输出的SVPWM电压波形经过LC滤波后输出纯净的正弦电压波形。逆变器输出电压失真率在线性负载时小于1%,非线性负载时小于3%。这种逆变器输出电压失真率在非线性负载时也很低的特性,可以治理大多数非线性负载产生的电能质量问题,甚至隔离间谐波对输入公共点的干扰。
  
  三、绿色工业型UPS在机器人中的应用案例
  
  1.“晃电”的概念
  
  电压暂降(VoltageSag;VoltageDip)俗称“晃电”,是指供电电压有效值在短时间内突然大幅下降又恢复正常的突发事件。电压暂降在国内也称为电压骤降、电压跌落、电压瞬间波动、电压凹陷等。多数为电网因雷击、短路、大负载起动等情况引起,供电电源电压大幅度下跌或电压短时中断数秒,致使用电设备不能正常工作。描述电压暂降常采用暂降幅值、持续时间和发生频次三大特征量,有时还要考虑相位的突变。国际电气与电子工程师协会(IEEE)将电压暂降定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90%~10%,然后回升至正常值附近;而国际电工委员会(IEC)则将其定义为下降到额定值的90%~1%,持续时间为10ms~1min。
  
  2.“晃电”的危害
  
  电动机的运行大多数采用交流接触器、软起动器和变频器等起动控制设备进行控制。“晃电”时交流接触器会释放,软起动器和变频器也会停机,因此在工业生产中常常会因“晃电”引起许多重要的低压电机停机。而关键机组停机又会导致大机组、甚至会导致整个生产装置连锁停机,最终导致连续生产过程被迫中断,生产装置被迫紧急停止运行,从而给企业造成巨大的经济损失,有时还会引起火灾、爆炸等恶性事故发生。
  
  四、绿色工业型UPS在机器人中的全电能质量治理解决方案
  
  我们依据用户需求,采用一体化解决方案,解决了原有分体式解决方案中不同国家设备的不同电压等级、不同频率等级以及不受UPS主机监控的问题,不仅缩小了占地面积,提高了可用性,而且也为用户节约了成本。通过对现场的负载分析以及现场环境的勘察,坚持“高度工程组件化”的方法,顺应“工业4.0”的潮流,发扬“工匠精神”的态度,攻关克难,重新设计与调整UPS系统中部分组件的电气参数,按时为用户提供“量身定制”化的解决方案。该解决方案具有稳定性强、高可靠性、扩容性强等诸多优势。满足了用户防护等级、系统架构简单、操作简便、系统可靠性等特殊要求,保证UPS在现场供电系统断电情况下,能够持续地为其提供高可靠UPS电源。
  
  用绿色工业型UPS替换进口原厂机器人稳压电源后,九年来运行良好,从未发生紧急报修的情况,备受用户赞誉。
  
  作者简介
  
  何春,中航太克(厦门)电力技术股份有限公司总工程师。
  
  编辑:Harris
  
  

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