4   采用UPS才能确保金卤灯照明系统的安全运行

以前因为各种原因,曾经将用于驱动一般应急照明的EPS用于金卤灯的供电电源。然而,无论从理论上还是从奥运测试赛的运行实践中都证明:EPS无法确保金卤灯照明系统的安全运行,只有UPS才能确保金卤灯照明系统的安全运行。之所以有的用户选用EPS的主要原因是:对于由普通应急照明灯和金卤灯所允许的“瞬间供电中断”时间长短之间的差别,以及由此所可能造成的危害程度的认知度不够。这是由于以下两点原因所致:

(1) 在忽视对金卤灯供电的“高可靠性”的情况下,过分地强调供电电源的“高效率”。当初推荐选用EPS的重要论据之一就是认为EPS的效率高于UPS:当市电供电正常时,EPS的系统效率可高达96%～97%。相比之下,在线式双变换UPS的系统效率仅为92%～94%。如图11a所示,对于EPS而言,当市电供电正常时,其逆变器是处于“自动关机”状态或空载的“待机运行”状态之下的。此时的市电经充电器的AC/DC变换处理后,仅需向蓄电池组提供少量电能。在此条件下,市电将直接经其交流旁路向负载提供不稳压、随时都可能发生停电/“闪断”故障的电源,从而给金卤灯的安全运行留下严重的故障隐患。实际上,在此条件下运行的EPS作用仅相当一条传输电缆。与此相反,对于在线式双变换UPS而言(图11b),它是首先经AC/DC变换处理将不稳压的市电变成自动稳压的直流电源,由该直流电源同时承担向蓄电池和逆变器提供直流电的任务。此后,这路直流电源再经UPS的逆变器进行DC/AC变换处理后,向负载输出高品质的“逆变电源”。显而易见,同ESP相比,虽然UPS的效率相对稍低一些。然而从UPS所输出的“逆变电源”同时具有自动稳压特性的、不间断的、无频率“突变”的、无干扰的正弦波电源等优异特性,这样的供电质量是远非EPS的供电质量所能相比拟的,利用它完全可以确保金卤灯的安全运行。

                                    图11  UPS和EPS的控制原理及其运行工况

(2)因各种原因对金卤灯与常见的应急灯运行特性之间的本质区别认识不够。人们主要存在着认为EPS的切换时间也能满足技术需求的“误解”。其原因之一是,误认为可以直接引用GB17945-2000国家标准(消防应急照明)来设计相应的金卤灯供电系统。这是因为按照该标准的相关规定，为了确保消防系统及大楼的应急照明系统能正常运行，要求EPS在执行市电交流旁路供电←→ 逆变器供电的切换操作时,所可能产生的“瞬间供电中断”时间(即EPS的切换时间)小于5s即可(见图11a)。即使对于用于高危险工作区及关键工作区的应急照明而言,也仅要求EPS的“瞬间供电中断”时间小于0.25s(即250ms)即可。这是因为,对于这些应急灯而言,由于输入电源的“瞬间供电中断”所可能造成的影响仅表现为应急灯的“短暂熄灯”。一旦输入电源恢复正常供电后,这些应急灯就会立即被重新点亮，因此可以使用EPS。相关的统计数据表明:EPS在执行市电旁路供电转为逆变器供电的切换操作时,所需的切换时间长达25～100ms。然而,对于金卤灯而言,它所允许的瞬间供电中断时间应该小于4～5ms。否则,就会出现金卤灯系统至少熄灯10min以上的现象。显然,这对于承担奥运会的体育场馆的照明系统来说,是绝对不允许的。基于上述原因,不宜选用EPS作为金卤灯的供电电源,只能选用UPS。这是因为,UPS在执行市电旁路供电转为逆变器供电的切换操作时,它所需的切换时间为零。

(3)由于各种原因,由于对UPS采用市电优先供电的ECO(节能)工作模式的工作原理和实践运行不够熟悉,目前有的厂家试图采用将EPS中的执行市电交流旁路供电,转为逆变器供电切换操作的切换开关从快速继电器改为SCR型的静态开关的办法,来将其切换时间降到小于3ms以下(注:“快速切换型”EPS的工作原理与处于ECO工作状态下运行的UPS的工作原理并无任何实质上的差别)。然而,多年运行实践表明:为确保市电电网及UPS本身的可靠性不致降低,对于处于ECO工作模式下运行的UPS来说,它执行市电交流旁路供电转为逆变器供电切换操作的切换时间为15ms左右,不能满足金卤灯所需的供电要求。

(4)此外,对于EPS而言,一旦它进入逆变器供电状态时,还存在着与传统UPS在逆变器工作状态有着相同的故障隐患,因发生“谐波电流谐振”而导致逆变器“自动关机”。其故障现象为:当负载比较重时,EPS的逆变器会“莫名其妙”地自动关机(详情见下节分析)。
有关UPS和EPS之间的主要技术区别如表3所示。

                                           表3  UPS与EPS的主要技术区别

5   为金卤灯照明系统研发专用的“场地照明用UPS”的必要性

根据在线式双变换UPS的设计原理:其逆变电源的频率和相位始终同步跟踪交流旁路输入电源,而因故需要它执行逆变电源供电转为市电交流旁路供电的切换操作时,采用的是“重叠供电”式的“先通后断”的切换操作方式。因此,可以确保其切换时间为零。此外,对于UPS而言,一旦其市电输入电源供电因故发生停电/闪断故障时,还可在电池组所提供的直流电支持下,确保不间断地向负载输出高品质的逆变电源,无需执行任何的切换操作。所以,在UPS的各种运行工况下,其切换时间都是零。正是基于UPS具有如此优异的技术性能,因此才将UPS选配为金卤灯照明系统的供电电源。然而,并不是所有的在线式双变换UPS都能直接用于金卤灯的照明系统。对于金卤灯的UPS供电系统而言,当传统UPS接的负载比较轻时,它似乎可以正常工作(见图12a)。然而,随着UPS负载逐渐地增大,就会出现如图12b所示的“电流谐波谐振”现象(注:由于各种UPS的SPWM型脉宽调制调控方式及参数值的设计方案的不同,其临界负载百分比为40%～50%左右)。在此条件下,用户往往会观察到金卤灯的发光亮度会出现周期性的闪烁现象。此时,如果不采取必要的技术改进措施,随着UPS负载的继续增大,就会出现因UPS的输出电压波形和输出电流波形发生严重的波形畸变,而导致UPS因其输出THDV/THDI值“过大”迫使逆变电源进入自动关机状态,并进而使UPS切换到交流旁路供电状态。在此条件下,金卤灯随时有可能熄灭,导致发生上述异常现象发生的原因是,目前市场上销售的UPS均是针对信息产业用的IT设备和工控系统中的DCS设备来进行设计和生产的。当UPS在带这种负载时,面对UPS输出端的负载类型是整流滤波器(见图13a)。在这里,IT设备/DCS设备中的整流滤波器将从UPS所输出的交流电源经AC/DC变换处理,转变成IT设备/DCS设备的控制电路所需的各种低压直流电源,通常配置有“时间常数很大”的滤波器。然而,对于金卤灯照明系统而言,其输入调控特性则完全不同(见图13b)。在这里,从UPS所输出的交流电源,在其“LC型输入滤波器+镇流器”所组成的输入调控电路的控制下,经AC/AC变换处理后,再将50Hz正弦波的输入电源转变成金卤灯的灯管所需的50Hz方波电源,整个调控线路的“时间常数”较小。也就是说,在这里是对50Hz的交流电源进行AC/AC型的波形变换,而不是从交流电源转变成直流电源的AC/DC的变换。两者之间不仅调控原理完全不同,而且“时间常数”相差很大。在这里,还需特别说明的是:

            图12  传统的UPS在带金卤灯负载时,UPS的负载对其运行特性的影响

                                  图13  UPS与其负载输入端的不同调控关系

① 当UPS的负载为IT设备/DCS设备时,由于在它们的整流滤波器中配置有大容量的滤波电容(典型值为几万微法数量级),所以,它们允许UPS的瞬间断电时间较长(10～20ms);

② 当UPS的负载为金卤灯照明系统时,由于在其LC型无源滤波器中所配置的滤波电容的电容量较小(典型值为几十微法数量级),因此允许UPS的瞬间断电时间较短(<4ms)。

在金卤灯的50Hz正弦波形的输入电流波上叠加有大量的频率为几千赫的高频脉动电流。正是由于这种高频脉动电流的出现,极易导致UPS因产生电流谐波振荡,迫使其“实际带载量”大幅度下降。有鉴于此,为确保奥运场馆用的金卤灯照明系统能安全可靠地运行,不宜采用传统UPS供电。因此,有研发实力的UPS产品制造商有必要开发新型的“场馆专用UPS”。

6   高可靠的场馆专用UPS的运行特性

艾默生公司针对金卤灯的上述特殊运行特性,在传统在线式双变换UPS的基础上,对其SPWM脉宽调控方案及其保护参数的设置进行了5项专用技术改进,从而研发出完全能适应金卤灯的安全运行所需的场馆专用UPS。从用户应用的角度看,在带金卤灯负载时,这种场地专用UPS的带载能力得到了大幅提高。目前,这种UPS已被成功地应用到各奥运场馆的UPS供电系统中。其典型的应用案例之一是国家体育场(鸟巢/奥运会主会场)所用的由“800A的ATS开关+300kVA UPS供电系统”所组成的4套金卤灯照明系统(见图14)。这4套UPS供电系统分别为在“鸟巢”体育馆中所举办的奥运测试赛、奥运会和残奥会所用的照明系统提供了安全可靠的电源供应。

        图14  奥运鸟巢工程用300kVA UPS带金属卤化物照明灯的供电系统图

在图14中,由来自两个不同变电站的“两路市电+800A的ATS开关”共同组成UPS的双总线输入冗余供电系统。每台300kVA UPS所带的负载是:由80台400V/2kW的金卤灯所组成的金卤灯照明系统,总负载量为160kW。为了便于对金卤灯照明系统实施分批、延时型的启动操作,以便尽可能地降低它们的开灯启动浪涌电流,在300kVA UPS的输出端配置有受控于PLC控制器的分批、延时启动装置:

①将80台400V/2kW的金卤灯所组成的照明系统划分为4组,每组内含20台金卤灯;

②在由20台400V/2kW的金卤灯所组成的金卤灯分组中,为每台金卤灯配置一套由“断路器开关+接触器”所组成的分批、延时启动型的输入配电和保护电路;

③ 在每组由20台400V/2kW的金卤灯所组成的照明系统中,配置一套可编程控制器(PLC)来为各台金卤灯提供它们各自所需的分批、延时启动控制信号。

在UPS逆变器供电的条件下,这套金卤灯照明系统的输入运行特性如表4所示。

                     表4  UPS带金卤灯照明系统时的典型输入谐波特性

为了检验在UPS的各种工作情况下,这个金卤灯照明系统能否安全可靠运行,对金卤灯照明系统进行了现场检测工作,以便确认在UPS的任何情况下,均不会发生金卤灯熄灯的事故:

① 在UPS逆变器供电的条件下,对照明系统执行开灯启动浪涌电流的检测;

② 在金卤灯全部开灯的条件下,对UPS反复执行逆变器电源供电转为交流旁路供电的切换操作;

③ 在金卤灯全部开灯的条件下,在UPS的输入端上反复执行市电中断转为市电恢复正常供电的切换操作;

④ 在金卤灯全部开灯的条件下,在ATS开关上对UPS的双总线输入供电系统,执行优化电源供电转为备用电源供电的切换操作;

⑤ 当用户在工厂对UPS产品执行现场检验的过程中,还做模拟UPS逆变器故障的试验性操作。

所有相关检测数据表明:在以上各种运行条件下,这种金卤灯照明系统均能安全可靠地运行。为说明此问题,列举部分检测结果:如图15所示,当对UPS反复执行逆变器电源供电转为交流旁路供电的切换操作时,对于这些UPS供电系统而言,都能确保金卤灯照明系统时刻均能获得切换时间为零的连续电源的供应,不存在任何形式的瞬间供电中断的故障隐患。此时,出现在金卤灯上的输入电源的唯一变化是:由于在幅值较低时(214V)不稳压的市电与具有自动稳压特性的逆变器电源的电压(220V)之间存在电压差,产生了输入电压和输入电流幅值较小的波动。

图15  UPS在反复执行逆变器电源供电转为交流旁路供电的切换操作时,金属卤化灯照明系统的运行特性

图16  当UPS的市电输入电源发生停电/闪断事故时,UPS及其金卤灯系统的运行特性

如图16所示,在UPS的输入端上,对其执行市电中断←→ 市电恢复正常供电的切换操作时,均能确保金卤灯照明系统获得切换时间为零的连续电源的供应,不存在任何形式的瞬间供电中断的故障隐患。此时,出现在UPS输入端的唯一变化是,尽管在市电中断与市电恢复正常供电之间存在着巨大电压幅值的差别,但是,仍保证UPS一直运行在具有自动稳压特性的逆变器电源的供电状态之下,所以此时的金卤灯输入电压和输入电流均保持在相对稳定的工作状态之中。 

7   体育场馆用金卤灯照明系统的节能工作模式

鉴于在体育场馆用金卤灯照明系统的运行中,在绝大多数时间内处于一般照明状态。仅在少数的运行时间内才需要为重要的比赛和会议提供“万无一失”的照明需求,为了尽可能地节能,建议采取以下措施来管理金卤灯照明系统。

(1)对非专业的电气管理人员而言,可用位于UPS的LCD显示屏上的逆变器的“开机”按钮和“关机”按钮来进行管理(见图17)。在无重大比赛和重要会议期间,采取持续地按住LCD屏上的逆变器关机按钮2s以上的操作办法,将UPS置于交流旁路供电状态。在此条件下,UPS的效率高达97%～98%,从而达到节能降耗的目的。当需要为重大比赛和重要的会议提供照明时,再采取持续地按LCD屏上的逆变器开机按钮2s以上的操作办法,重新将UPS置于逆变器电源供电状态,确保金卤灯照明系统处于万无一失的安全工作模式中。

                                 图17  UPS的大屏幕中文/英文显示屏

(2)对于比较熟悉UPS的电气管理人员而言,可采取修改其系统运行软件的设置参数的办法来进行管理。在无重大比赛和会议期间,将UPS置于ECO(节能)工作模式。在此条件下,UPS处于交流旁路供电状态,其效率高达97%～98%。与此相反,当需要为重大比赛和重要的会议提供照明时,通过修改“系统运行软件”设置参数的办法,重新将UPS置于逆变器供电状态,从而确保金卤灯照明系统处于万无一失的安全工作模式中。

8   结束语

由于EPS存在着如下缺点:执行市电交流旁路供电←→ UPS逆变器电源供电切换操作的切换时间长;在其逆变器中的IGBT功放管的“设计裕量”偏小的条件下,如果遇到市电突然停电/闪断时,当其逆变器执行从空载→满载的阶跃性加载操作时,故障率偏高;当负载百分比偏大时,其逆变器存在因发生电流谐波谐振而迫使其逆变器进入自动关机的故障隐患。而传统在线式双变换UPS存在着当负载百分比偏大时,其逆变器存在因发生电流谐波谐振而迫使其逆变器进入自动关机的故障隐患。鉴于EPS和传统在线式双变换UPS存在上述的故障隐患,它们都不能确保金卤灯照明系统的安全运行。

为此,艾默生公司在深入分析金卤灯的种种特殊供电需求的基础上,开发出新型的“场地专用UPS”。迄今为止,这种UPS已经大量地应用于奥运工程用的各种UPS供电系统中。■