关于轨道交通行业应要求使用工业型 UPS 的探究

中航太克(厦门)电子有限公司 何春


     摘要: 分析了 UPS 在轨道交通行业里的应用现状,指出尤其地铁系统里,在机车进出站 时,由于大功率非线性用电设备的运行,向电网注入大量的谐波电流,导致电网电压波形畸 变,在发生严重畸变时,电压会出现正负半波不对称,三相电压不对称,频率也会发生变化 等。这是地铁系统里 UPS 故障率居高不下的原因。提出了选择工业型 UPS,提高 UPS 本身的 适应性和可靠性,才能保证轨道交通行业安全可靠地运行。

     关键词: 电网上有大功率非线性负载,电网电压波形畸变,电压会出现正负半波不对称, 三相电压不对称,频率也会发生变化等。选择工业型 UPS。

     当前轨道交通行业,尤其地铁系统里,UPS 电源系统承担了全线范围内控制中心、车 站、车辆段等的通信系统与监控系统的供电,以及信息管理系统在控制中心和车辆段的数据 机房的供电。也正因为 UPS 电源主要是给通信系统、综合监控系统、信息管理系统供电,人 们大量采用商业型 UPS,造成 UPS 的故障率居高不下,为轨道交通行业安全可靠地运行,带 来了极大的安全隐患。就其原因是:对轨道交通行业的电气环境认识不足,只考虑了 UPS 的输入绿色要求,输出的过载能力。即输入功率因数≥ 0.95,输入电流谐波<5%,对电网 没有污染。过载能力 125% 10 分钟,150% 1 分钟。看似对电网及负载两端都有了要求。而 唯独没有考虑到轨道交通行业里工业性的特征,即在轨道交通行业的电气环境中,UPS 本身 的适应性、可靠性。也可以说是 UPS 系统鲁棒性不足(鲁棒性就是系统的健壮性)。

     下面我们就 UPS 在轨道交通行业里的工作电气环境作一个了解。以某地铁为例。 

1、某地铁发输配电系统图

2、地铁低压主配电系统


3、在机车进出站时,UPS 输入端的电压波形实测图


     从波形实测图可看出:在机车进出站时,由于大功率非线性用电设备的运行,向电网注 入大量的谐波电流,导致电网电压波形畸变。根据我们的实测观察,在发生严重畸变时,电 压会出现正负半波不对称,三相电压不对称,频率也会发生变化等。

     我们知道,商业型UPS的三相PWM整流器控制策略中,一般均假设三相电网电压不平衡度 不超过2%,短时不超过4%,即电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值。这样一旦实际 电网电压不平衡度太大时,将使三相PWM整流器直流侧电流产生6、12、18等6的整数倍的特 征谐波和2、4、8、10等次数的非特征谐波,而直流电流谐波又导致产生三相PWM整流器直流 电压谐波,直流电压谐波通过PWM作用反过来又会影响三相PWM整流器交流电流波形,使交流 电流波形中含有奇次谐波。其中直流电压2次谐波和由其产生的交流电流3次谐波,因频率低 幅值高严重影响了三相PWM整流器的运行性能,严重时会烧坏整流器。

     而工业型UPS为了在严苛的工作电气环境中的可靠性,一般三相PWM整流器控制策略,均 假设三相电网电压不平衡度达40%,如电压空间矢量脉宽调制SVPWM的网侧瞬时功率控制策略, 和工频三相IGBT整流技术,即全桥整流加有源滤波器,所以又叫混合式整流技术。混合式整 流技术,可以在带载小于70%时,缺相工作运行。

     在实测图中还可以看出电网电压波形严重畸变,这是轨道交通行业里最严重的问题。我 们知道三相PWM整流器的硬件电路主要包括检测电路、锁相环电路、过流保护电路、光耦隔 离电路和驱动电路。其中驱动电路,工作时是以输入电网电压正弦波形为调制波的。检测电 路、锁相环电路都与电网电压正弦波形有关。检测电路要检测电网电压过零上升,锁相环电 路为了实现三相的单位功率因数控制,需要找到和输入电网电压波形同步的基准量,从而获 得电网电压的频率和相位。

     在这里我们有必要谈谈UPS的输入特性,通常有:输入电压范围:  ±20%,输入频率范 围: 50Hz±10%的表述。所以,我们大都认为超出输入电压、频率范围时,UPS自身会判定为 掉电,而转有电池逆变工作。这在常态的时候是对的,但在一些异常的瞬态畸变却未必,那 怕你再调宽输入电压、频率范围,也不能解决问题。因为,我们在判定输入电压、频率超出 范围时,通常是采用平均值法,就是说它在一个单位时间里有几个参考点要采集后才判定。 举例说:我们不会把50HZ的正弦波形里的过零点,判定为掉电。这样就有个瞬态时间的问 题。如果由于UPS的输入电压波形严重畸变,这时UPS的整流器会因为跟踪的正弦波形畸变率 较高, IGBT驱动脉冲紊乱,驱动器功率不足或选择错误而导致故障,使整流IGBT元件烧毁。 而这些问题,正是工业型UPS的抗扰性要求,已经得到很好的解决,已大量应用于电厂、电 站、冶金、钢铁等电网电压波形严重畸变的行业。

     总结上述,轨道交通行业应使用工业型 UPS。工业型 UPS 就显性而言有三要素:即 1、 高等级的抗扰度、2、可选配的高等级 IP 防护等级 3、工频变压器的电气隔离。在应用环境 方面,商业级 UPS 通常应用于 IDC 机房内,对温度、湿度、粉尘、腐蚀性气体有严格的要求, 不能用于严酷场合,而工业级 UPS 则通常应用于高温高湿多粉尘或盐雾的场合;在可靠性方 面,商业级 UPS 设计寿命通常在 5 年左右,而工业级 UPS 则通过选用工业级甚至军用级器件、 增大冗余度、强化工艺设计和提高安全性配置等技术使产品寿命达到甚至超过 20 年。另外, 在电气环境、负载特性、机械强度、电气隔离、输入输出保护、通讯接口、旁路要求、附件 选择、IP 防护等级和钣金要求等方面,市场对工业级 UPS 的要求均远高于商业级 UPS。



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