工业 UPS 常用案例分析
摘要
本文列举了能源（含石油、化工、煤炭及煤化工）行业用户现场应用工业 UPS 的一些案例，对其中涉及的 操作和运行维护等问题进行阐述，比较各个方案的不同差异和适用范围，为设备维护管理者提供工业 UPS 系统整体电源保护解决方案一些建议和思路。
关键词：
工业 UPS 案例分析 并机系统 供电系统
前言
典型工业 UPS 系统常用的电源保护解决方案包括单机系统、并机系统、2N（双母线）供电系统。如何选 择合适的供电方案，起决于系统所带负载的特点和重要性。对于运行当中可以有计划中断或停止运行的设 备，可以选用单机供电；对于运行当中不能停电的重要单电源负载，选用并机供电；对于可以接入两路 UPS 电源的负载，优先选用 2N（双母线）供电方案。本文从现场应用案例入手，通过操作和运行维护阐述， 提供工业 UPS 系统供电解决方案的一些建议和思路。
1 单机系统的应用
单机系统是能源行业应用最多的解决方案，根据 UPS 的设计，单机运行 UPS 主机本体可以进行系统不停 电维护。
1.1 UPS 单机供电方案四种工作状态
单机运行供电方案的各点交流负载独立地由一台 UPS 提供动力保护，不停电维护是通过切换到手动维修旁 路退出运行当中的 UPS 主机，进行不停电维护的。手动维修旁路的切换，可以进行无中断的“先通后断” 切换过程，不会引起负载中断供电的问题。实现主机、旁路之间的无间断切换过程。如下图（图 1：UPS 单机供电方案四种工作状态）所示，UPS 单机供电方案四种工作状态所对应的开关操作顺序为：
图 1：UPS 单
机供电方案四种工作状态
1 正常工作
Q1、Q2、Q4、Q5、BAT MCB 在接通位置，Q3 闭锁在断开位置。UPS 通过整流器、逆变器、逆变静态 开关向负载供电，同时向电池进行充电管理。
2 主电源消失或者整流器故障转直流电池组工作
Q1、Q2、Q4、Q5、BAT MCB 在接通位置，Q3 闭锁在断开位置，所有开关位置不发生变化。UPS 直流 母线电压低于电池电压时，将自动把负载切换到电池系统上。UPS 电池系统经逆变器、逆变静态开关向负 载供电。
此时若主电源恢复或者整流器故障消失，UPS 逻辑判断无误时，UPS 可自动恢复至正常工作状态。
3 逆变器电源消失或逆变器故障转旁路工作
Q1、Q2、Q4、Q5、BAT MCB 在接通位置，Q3 闭锁在断开位置，所有开关位置不发生变化。UPS 通过 逻辑检测，根据直流母线情况和逆变器的情况，会自动将负载通过逆变静态开关无扰动的切换到旁路系统 上。UPS 旁路系统经旁路静态开关向负载供电。
此时若逆变器电源恢复或逆变器故障故障消失，UPS 逻辑判断无误时，UPS 可自动恢复至正常工作状态。
4 维修供电方式
维修供电方式需要人工操作才能完成，首先在逆变器与旁路的同步情况下，人工操作将 UPS 负载切换到静 态切换开关旁路，此时的工作状态由 1 或 2 切换到了 3；在此情况下，先合上 Q3 开关，再断开 Q2 开关， 再断开 Q4 开关，通过先通后断的切换，就实现了 UPS 退出运行时对负载的连续供电。所有负载的供电， 由旁路系统实现。
当然，此时的供电可靠性，由旁路电源决定。因此，不建议在生产装置运行时对单机运行的 UPS 进行检修 和维护。
上述方案实现了 UPS 系统的典型应用，但也有不利于维护的一些缺点。在此基础上，实践采用的单机系统 解决方案做了一些优化，主要有下面几种应用
1.2 旁路带备用开关的单机供电方案
如图 2 所示，旁路带备用开关的单机供电方案是最典型的应用方案。UPS 系统的上游可以分别来自两个独 立的不同接地点电气系统（或者不接地系统），所有负载系统通过两个隔离变压器与上游完全隔离，负载 侧既可以采用 TN-S 系统，也可以采用 IT 系统。QF3 备用开关用于紧急情况下的旁路直通，也可用于并机 系统的扩容，或者构成双输出系统使用。
图 2 旁路带备
用开关的单机供电方案
1.3 脱机旁路柜方式单机供电方案
“脱机旁路柜”方式单机供电方案在实现典型单机应用方案的基础上，重点考虑了维护的安全性。尽管各 个厂家提供了无扰动退出 UPS 主机的切换方案，但由于 UPS 维修旁路输入和总输出的端子排、UPS 内部 采样回路仍然带电，给维修工作带来安全隐患。因此在实践应用中，有时也采用如图 3 所示：“脱机旁路 柜”设计方式。
UPS 系统正常运行时，UPS 主机内部 Q1、Q2、Q4 合上，Q3 断开且挂锁；旁路柜中 QF1、QF2、QF4、 QF5 合上，QF3 断开且挂锁。
当 UPS 主机需要 W 维护时，先将 UPS 从逆变器输出切换为静态旁路输出（断开逆变器静态开关，合上旁 路静态开关），再合上 Q3 到 UPS 主机维修旁路，然后将 Q2、Q4 断开，切断逆变器、静态开关和输出负
载之间的联系，再通过等电位的操作，将“脱机旁路柜”QF3 合上，QF2、QF4 断开，就可以通过旁路隔 离变压器、QF3、QF5 向所有负载供电了。
此时，切断 UPS 的上游整流器电源和电池开关，则可使 UPS 内部完全停电，安全检修了。
柜”方式单机供电方案
图 3“脱机旁路
1.4 双输出方式单机供电方案
如图 4 所示，双输出方式单机供电方案能够在投资有限的情况下，为双电源负载提供两路独立的电源供电。 一路由 UPS 提供稳定的电压，另一路由旁路系统提供经过电气隔离的电网电源。这种方案在实现典型单机 应用方案的基础上，可以提供双路交流输出给下游的相关专业，也是一种给双电源负载供电的优秀的解决 方案。
图 4 双输出方
式单机供电方案
2 并机系统的应用
随着大型控制系统在能源工业领域的应用，UPS 并机系统得到了大量和广泛的应用。这种方案考虑到了装 置长周期的运行中对 UPS 主机进行维护，相比单机系统的应用方案有很大的优越性。并机系统应用有以下 几种典型设计
2.1 标准并机供电方案
如图 5 所示，正常运行时，1＋1 并机运行供电方案的全部交流负载由 2 台 UPS 平均分担，任何一台 UPS 均可以带 100％负载长期工作。因此，1＋1 并机运行供电方案可以完全退出 1 台 UPS 主机进行维护。
这种典型并机方案应用非常广泛。正常运行时，除每台 UPS 主机的旁路维修开关 Q3 断开且挂锁外，其余 开关均正常闭合。当需要检修或者维护其中的一台 UPS 时，断开旁路柜及输出配电柜的对应开关，就能将 所要退出的 UPS 主机设备完全隔离。
图 5 标准并机
供电方案
2.2 输出配电系统与 UPS 不同室的并机供电方案
由于 UPS 的负载分散性以及跨专业管理等多种原因，会存在 UPS 的负载分配柜与 UPS 不同室，或者距离 UPS 较远的情况，导致图 5 标准 UPS 并机供电方案中，UPS 出口点到电气并机点的距离超出 UPS 控制范 围，无法有效实现并机控制的情况。因此出现了如图 6 所示 输出配电系统与 UPS 不同室的并机供电方案