核级大功率三相 UPS 系统调试问题分析
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《装备维修技术》2021年第13期
核级大功率三相UPS 系统调试问题分析
张克强 余 峰 张斯其 阴自阳 
（中国核动力研究设计院第一研究所，四川 成都 614106）
摘 要：UPS 系统是含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的不间断电源，在保障反应堆安全运行上有着重要的意义，根据反应堆电气设备调试过程中，核级大功率三相UPS 系统调试中出现的问题，针对UPS 系统效率计算、输入功率因数与电网输入功率计算、输出功率因数与输出功率的关系以及UPS 效率与负载率的关系几个关键性问题进行了理论分析计算与经验总结，解决了系统调试过程中困惑现场调试人员的UPS 系统参数计算问题，为今后核级大功率三相UPS 系统调试与运行提供了系统的理论指导，使大功率三相UPS 系统调试与运行更加科学、安全。关键词：不间断电源；功率因数；效率计算中图分类号：TM07 文件标识码：A UPS 系统是含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的不间断电源。在反应堆运行过程中，核级三相大功率UPS 系统负责向堆内核安全相关的关键设备供电，保证在外电网失电的情况下反应堆安全系统的正确动作，随着信息技术的发展，UPS 系统向数字化方向发展。
本文针对反应堆核级三相大功率UPS 系统调试过程中出现的，UPS 效率计算不明确、输入功率因数对容量的影响、负载率与效率的关系等问题进行了理论分析，通过理论计算以及对UPS 工作曲线进行分析，总结出了核级三相大功率UPS 系统调试中的关键参数计算以及调试中的注意事项。
1 UPS 效率与输入功率计算
1.1根据输入输出参数进行计算
普通话考试最后一题本项目中UPS 所系统使用的UPS 为两套固特公司生产的100KV A 不间断电源，型号为PDW 3100-220/380-EAN 。其设计输出功率为100KV A ，其主要铭牌参数如图1所示
。
图1 PDW 3100-220/380-EAN 主要输入输出参数
Fig1 Main input and output parameters PDW 3100 PDW 3100-220/380-EAN
首先根据其铭牌参数进行计算，本台UPS 在额定功率下的系统效率应为：
（1）
1.2根据系统手册参数进行计算
UPS 中整流器额定功率下的效率为95.5%，其逆变器额定功率下的效率为91%，根据两部分功率虽然无法确定整体系统的最终功率，但其额定负载下的功率必然满足：
（2）这与其系统手册中提到的系统在额定负载下的总效率87%相符，但与使用其铭牌提供的输入输入功率计算的系统效率存在较大。其热损耗参数为11.6kW ，虽未给出计算功率，但其值根据推算也是根据总效率87%计算得到：
（3）
1.3再对其旁路进行效率计算，由于旁路没有整流器和逆变器等电力电子设备，按照给定的输入输出电流有效值对效率进行估算，效
率约为：
（4）
得多。
但设计单位在进行上游电缆以及开关设计的过程中，没有对固特UPS 输入参数，包括功率因数、电流、功率进行详细的查阅、分析和计算，同时也未对输入功率因数进行技术要求。直接使用技术规格书中提出的参数进行计算。
输出视在功率为100kV A 时，按照技术规格书中的要求，其效率不低于90%，当输入功率因数也为0.8时，则输入视在功率最高为：
（5）
则输入最大电流为：
什么是上证指数（6）
这与旁路输入电流的158A 较为接近，故旁路输入和主回路输入电缆均选用了95mm 2的电缆，同时上游选用了300A 的断路器。而根据UPS 厂家技术数据计算以及调试实测，额定负载情况下输入电流高达240A ，这使得主回路输入电缆发热严重，上游断路器跳闸，更换线缆与断路器后调试过程才得以继续。
从计算过程中可以发现，无论是何种参数计算出的系统总效率，均无法达到技术规格书中要求的90%。
2 UPS 输入功率因数与输入容量的关系
2.1系统输入功率因数
UPS 的输入功率因数表示对电网有功功率吸收的能力及对电网影响的程度。这一般在UPS 技术参数中的整流器部分体现，不是一个固定的数值，但变化范围相对较小，从固特UPS 的技术参数可以看出，其值得大小随整流器输出而变化，在额定电压输出时功率因数为0.83感性，随着电压的升高有所提升，但一般整流器均工作在额定电压下，所以我们可以认为UPS 的输入功率因数约为0.8，与一般的感性负载接近。
2.2系统输入功率因数的改善
功率因数主要受整流器拓扑结构以及工作结构的影响，本文所系统所使用的PDW 系列由于采用三桥臂整流的拓扑结构，且未配置功率因数校正模块，所以功率因数保持在0.8左右。
值得注意的是功率因数的改善只能提高UPS 对于电网有功功率的吸收能力，并不能提高系统效率，由于有源校正电路的功率损耗，甚至会使系统效率有所下降。
过低的输入功率因数会使得输入容量大量被无功功率所占据，使得相同输出功率的情况下，UPS 系统容量和上游线缆容量均需要提高，同时将影响上游设备的供电质量。
如果配置一台输入功率因数为0.8，输入功率为100KVA 的UPS 电源，在UPS 电源输出满负荷的情况下，UPS 电源要从电网吸收80KW 的有功功率，同时还要吸收60kVAR 的无功功率，
设备管理
若将功率因数提高至0.9则UPS在相同的视在功率下可从电网吸收90KW的有功功率，而只吸收43kVAR的无功功率，在相同输入电流的情况下，可以使得有功电流分量增大，有效利用电网能量。
若将工程实验堆系统中的UPS输入功率提高至1.0，则输入电流为：
（7）
相比于现在的234A降低了40A，能够有效降低输入电缆和开关的容量，所以输入功率因数也是UPS选型计算中不可忽视的因素之一。
3 UPS的效率跟负载率的关系
UPS系统效率并不是一个固定的数值，而是负载率的一个函数。在UPS参数表上给出的效率值，是满载（即100%负载率）时的效率值。通常这个数值既不是最高值也不是最低值，更不代表UPS 实际运行时的效率值。
由于固特UPS并未给出系统在不同负载条件下的效率值，故选取了一台传统大功率UPS 的效率曲线进行展示，如图2所示
。
图2 某三相大功率UPS系统负载率曲线
Fig2 Load rate curve of a three phase high-power UPS system
通过以上曲线及参数，我们可以分析并得出以下几点结论：
1. UPS的运行效率与负载率相关，负载率低于某种程度后，效率将大幅下降
2. 负载率为40%到80%的区间，效率曲线刚性较强，UPS运行效率最高（一般计算机属于阻性负载，负载率最佳为0.75）。
系统的负载率，决定了系统的运行效率。故若需要对UPS系统进行效率测试，则需尽量保证UPS的负载率保持在40%以上，这样测得的结果才符合系统的设计要求。
4 UPS输出功率因数与带载能力
4.1UPS输出功率因数的定义
输出功率因数在GB/T7260.3-2003标准中使用的是“负载功率因数”一词，其定义为：在假定理想正弦电压下，用有功功率对表观功率之比所表示的交流负载特性。从该定义可以看出，这个参数不是UPS本身固有的一个参数，而是与负载有关的参数，其大小是由负载性质决定的。
4.2UPS输出功率因数与输出功率的关系
输出功率因数表示对非线性负载的适应能力。在一般的常识中，我们认为输出功率为100kV A的UPS，在其额定设计的功率因数下，如本系统使用的固特UPS为0.8，因能输出100kV A视在功率，其中有功功率为80kW，这是与设计相符的，当我们提供的负载功率因数为1时，我们仍然认为UPS系统在这种情况下仍能输出80kW 的有功功率，大部分调试单位也是采用纯电阻负载进行测试的，但这种
调试方式是错误的。
一般UPS的产品样本，仅提供额定输出功率与负载功率因数值。在各种负载功率因数下，UPS能提供多大的功率，各生产厂家各个系列的UPS的技术参数是不相同的，需要厂家单独提供。UPS输出功率与负载功率因数的关系数据，有的是曲线图，有的是直方图，有的是数据表。图3为容量10～300kV A的某品牌UPS的关系曲线。
从图3可以看出，感性负载功率因数小于0.8时，UPS输出电流I比额定电流I n大；当负载为容性时，其输出电流比同功率因数的感性负载要小得多
。
图3 某三相大功率UPS系统输出电流与负载功率因数的关系曲线Fig3 The relationship between output current and load power factor of a 
three-phase high power UPS system
4.3 UPS调试过程中的降容使用
从图6中可以看出，在设计输出功率因数为0.8的UPS系统正常工作时，只有当功率因数与其设计值相等时，才能实现最大的功率输出，在其余的功率因数下，尤其是在功率因数为1时需要降容使用。
表1 某三相大功率UPS负载功率因数对应功率折算系数Table1 Power conversion factor of a three phase high power UPS system 
with load power factor
容性负载（超前）
阻性
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感性负载（滞后）功率因数0.60.70.80.910.90.80.70.6功率折算系数0.50.530.550.60.750.92111
在UPS系统调试过程中，许多调试单位使用纯电阻负载进行UPS系统满功率带载试验，简单地根据输出功率因数与视在功率的乘积对有功功率进行计算，以本文介绍的100kV A的UPS系统为例。根据输出功率因数与视在功率计算输出有功功率：
（8）但根据系统输出功率与输出功率因数的关系，若使用80kW纯阻性负载对UPS系统进行满功率实验，实际上已经使得UPS系统在调试过程中超出了额定功率运行，存在很大的安全风险，所以在纯电阻负载运行情况下应当降容测试，选取合适的功率折算系数，根据表3进行计算：
高铁专业学费（9）故使用纯电阻负载进行UPS系统进行满功率试验过程总，纯阻性负载应选取60kW。
5 结论
本文针对反应堆核级三相大功率UPS系统调试过程中出现的，UPS效率计算不明确、输入功率因数对容量的影响、负载率与效率的关系等问题进行了理论分析与经验总结，通过理论计算以及对UPS工作曲线进行分析，总结出了核级三相大功率UPS系统调试中的关键参数计算以及调试中的注意事项。为今后核级大功率三相UPS系统调试与运行提供了系统的理论指导，使大功率三相UPS 系统调试与运行
更加科学、安全。
参考文献：
[1]刘希禹. UPS系统结构和性能分析[J]. 电信工程与标准化. 2004，（01）：3~8
[2]王琳，章彬宏. 关于UPS功率因数的探讨[J]. 电气开关， 2003（04）.
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