三種高壓變頻器UPS回路設(shè)計(jì)特點(diǎn)和改進(jìn)

王義平，黃春偉

（1.廣州華潤(rùn)熱電有限公司，廣東廣州 511455；2.廣州智光電氣股份有限公司，廣東廣州 510760）

隨著高壓變頻器在火電廠的廣泛應(yīng)用，一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)和凝結(jié)水泵等重要輔機(jī)的節(jié)能效果顯著?；痣姀S對(duì)高壓變頻器穩(wěn)定性有很高的要求，運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)組尤其是高負(fù)荷率運(yùn)行的機(jī)組，一旦出現(xiàn)重要輔機(jī)故障跳閘，將會(huì)影響機(jī)組負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。當(dāng)前火電廠高壓變頻器大多為6 kV電壓等級(jí)、單元串聯(lián)式多電平結(jié)構(gòu)，其控制系統(tǒng)由主控制器、人機(jī)界面和PLC三部分組成，三者協(xié)調(diào)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)不同的功能，任意一部分出現(xiàn)故障，變頻器會(huì)重新啟動(dòng)或故障跳閘?？刂葡到y(tǒng)交流控制電源設(shè)計(jì)為220 V，并配置小型UPS裝置，控制系統(tǒng)負(fù)載均直接或間接依靠UPS供電，因此UPS電源回路的供電穩(wěn)定性對(duì)高壓變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行有決定性作用。

1 三種典型UPS電源控制回路對(duì)比

火電廠高壓變頻器的輔助電源設(shè)計(jì)一般有兩路380 V交流電源和一路220 V直流電源進(jìn)線，其中兩路交流電源互為備用，分別取自不同的廠用MCC饋線或者其中一路由高壓變頻器移相變壓器低壓側(cè)提供，兩路電源采用自動(dòng)切換模式，UPS輸入電源則來(lái)自其中一路輔助電源，UPS的設(shè)計(jì)負(fù)載一般比較重要，各廠家的設(shè)計(jì)也略有差異，圖1、圖2和圖3為三種典型的UPS負(fù)載設(shè)計(jì)圖。

2 UPS選型和故障率對(duì)比

圖1 利德華福HARSVERT變頻器UPS負(fù)載

圖2 東方日立DHVECTOL變頻器UPS負(fù)載

圖3 智光電氣ZINVERT變頻器UPS負(fù)載

完整的高壓變頻器系統(tǒng)UPS電源旁路分內(nèi)部旁路和外部旁路，當(dāng)UPS故障或者檢修停止輸出時(shí)，外部旁路自動(dòng)投入運(yùn)行。小型UPS一般分為在線式和后備式，各變頻器廠家對(duì)UPS選型也存在差異，例如HARSVERT和DHVECTOL型高壓變頻器設(shè)計(jì)主選后備式，而ZINVERT型部分設(shè)備則選用在線式UPS。后備式UPS正常狀態(tài)下其負(fù)載所使用的電源就是輸入交流電源經(jīng)過(guò)自動(dòng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后的輸出電源，內(nèi)部旁路運(yùn)行時(shí)UPS內(nèi)置蓄電池逆變輸出短時(shí)備用。在線式UPS的可對(duì)負(fù)載實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間為零的不間斷供電，正常狀態(tài)下對(duì)輸入電源進(jìn)行整流、逆變后輸出，內(nèi)置蓄電池處于熱備用狀態(tài)，內(nèi)部旁路運(yùn)行時(shí)，UPS內(nèi)部主回路和旁路會(huì)短暫重疊輸出。兩種UPS工作原理如圖4所示。

圖4 小型后備式和在線式UPS原理圖

從UPS輸出電源質(zhì)量和內(nèi)部旁路切換時(shí)間對(duì)比，在線式UPS特性要略高于后備式。但火電廠的高壓變頻器控制電源具有電源質(zhì)量和穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，再者火電廠運(yùn)行環(huán)境粉塵較大，多數(shù)在線式UPS內(nèi)部均設(shè)計(jì)有散熱風(fēng)扇，即使高壓變頻器采用封閉式空調(diào)冷卻方式，在線式UPS運(yùn)行一段時(shí)間后，其內(nèi)部積灰仍然很?chē)?yán)重，這對(duì)在線式UPS有更加不利的影響，此外后備式UPS價(jià)格要低廉，小型后備式UPS市場(chǎng)價(jià)格約為同品牌、同容量在線式UPS的半價(jià)?，F(xiàn)在火電廠一般不具備專(zhuān)業(yè)檢測(cè)小型UPS性能的條件，高壓變頻器運(yùn)行中，一旦UPS切換至內(nèi)部或者外部旁路運(yùn)行，檢修維護(hù)人員出于變頻器最短時(shí)間恢復(fù)運(yùn)行的生產(chǎn)需要和UPS旁路原因不清楚的考慮，通常的做法是更換新UPS迅速恢復(fù)變頻運(yùn)行，更換下的UPS在進(jìn)行各項(xiàng)檢查試驗(yàn)合格后作為備件處理。

表1為貴州某3×200 MW電廠（簡(jiǎn)稱(chēng)A廠）、安徽某2×660 MW電廠（簡(jiǎn)稱(chēng)B廠）、廣東某2×330 MW電廠（簡(jiǎn)稱(chēng)C廠）風(fēng)機(jī)和水泵高壓變頻器UPS選型和2010年12月～2012年12月UPS故障情況。

目前UPS品牌眾多，質(zhì)量良莠不齊，設(shè)計(jì)選型或者改造時(shí)應(yīng)該選擇可靠品牌和型號(hào)。小型UPS內(nèi)置閥控鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)壽命一般非長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，以較常用的YUASA（湯淺）NP7-12型蓄電池為例，其設(shè)計(jì)壽命5年[4]，運(yùn)行環(huán)境如果達(dá)不到規(guī)定要求，其使用壽命將受到很大影響，而火電廠高壓變頻器UPS運(yùn)行工況一般很難滿(mǎn)足UPS廠家規(guī)定的維護(hù)要求，通常采用定期更換或者故障后更換模式，其中A廠兩次、B廠一次UPS故障均為故障后更換，C廠五次故障后更換、三次定期更換。從維護(hù)成本和表1中的運(yùn)行穩(wěn)定情況分析，在線式UPS在火電廠高壓變頻器的應(yīng)用無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

表1 高壓變頻器UPS型號(hào)及故障統(tǒng)計(jì)表

3 UPS外部旁路切換影響

UPS具有較高的可靠性，但無(wú)法確保零故障率。對(duì)設(shè)計(jì)有外部旁路的UPS回路，如圖3所示，運(yùn)行中突然切換至外部旁路供電時(shí)，其輸出電壓必然存在擾動(dòng)或瞬時(shí)失電，失電時(shí)間和旁路切換繼電器動(dòng)作特性相關(guān)，回路負(fù)載中全部使用交流電源供電的設(shè)備將會(huì)短時(shí)掉電。以ZINVERT型UPS外部旁路為例，外部旁路切換繼電器選用Weidumuller DRM27730L型，其電氣特性如表2所示。

表2 DRM27730L中間繼電器電氣特性[5]

當(dāng)UPS停止輸出時(shí)，外部旁路自動(dòng)投入運(yùn)行，在C廠對(duì)ZINVERT型高壓變頻器外部旁路切換進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)停止UPS，對(duì)UPS輸出和外部旁路自動(dòng)切換的空載電壓波形進(jìn)行記錄，波形如圖5所示，其中錄播儀器采樣頻率2 kHz。試驗(yàn)中兩路電源電壓波形的中斷時(shí)間為8 ms，與表2中DRM27730L型中間繼電器電氣特性基本符合。

圖5 切換到外部旁路時(shí)掉電情況

C廠ZINVERT型高壓變頻器的PLC電源由UPS直接供電，外部旁路切換時(shí)PLC短時(shí)掉電。根據(jù)掉電時(shí)間的長(zhǎng)短情況，可能導(dǎo)致PLC停止正常輸出，影響變頻器重啟或跳閘。表3為C廠UPS故障模擬試驗(yàn)和2010年12月～2012年12月UPS運(yùn)行中故障對(duì)高壓變頻器影響統(tǒng)計(jì)。

表3 UPS外部旁路切換與高壓變頻器重啟統(tǒng)計(jì)表

目前國(guó)產(chǎn)高壓變頻器大多配置S7-200和FX-2N小型PLC，例如A廠、B廠均為S7-200型，C廠選用FX-2N型，這兩種PLC運(yùn)行允許瞬時(shí)掉電的參數(shù)如表4所示[6-7]。

表4 兩種PLC運(yùn)行掉電特性對(duì)比

C廠高壓變頻器配置的FX-2N型PLC接線屬于“交流電源，直流輸入”型，其用戶(hù)程序未進(jìn)行瞬時(shí)掉電時(shí)間延長(zhǎng)修改。從模擬試驗(yàn)和運(yùn)行中故障切換的結(jié)果來(lái)看，C廠FX-2N型PLC瞬時(shí)掉電后變頻器重啟具有偶然性，與掉電時(shí)電壓波形位置和外部旁路切換繼電器動(dòng)作具體時(shí)間的相關(guān)。

4 220 V直流電源板

直流220 V電源板輸入側(cè)電源來(lái)自UPS或外部旁路輸出，并配置一路電廠的220 V直流系統(tǒng)電源。以HARSVERT型和ZINVERT型高壓變頻器UPS回路為例（見(jiàn)圖1、圖3），當(dāng)交流電源正常時(shí)，優(yōu)先采用交流電源，當(dāng)交流電源異常后，電源板自動(dòng)切換至直流電源供電。當(dāng)交流電源恢復(fù)正常時(shí)，電源板再次切換至交流電源供電。圖6為ZINVERT型高壓變頻器直流電源板在直流輸入電源正常（223 V）、模擬交流電源失去后，空載輸出電壓錄波圖。

圖6 交流電源失電時(shí)電源板輸出電壓波形

其中直流電源板的功率繼電器型號(hào)為Panason?ic DSP1-DC24V-F，錄波儀器采樣頻率2 kHz。從交流輸入電源供電時(shí)，直流電源板輸出221 V，交流電源中斷到直流電源板切換完成時(shí)間為11 ms，電源板切換過(guò)程瞬間完成，切換時(shí)間小于1 ms。

5 UPS回路設(shè)計(jì)改進(jìn)

5.1 UPS選型和維護(hù)

選擇可靠品牌的后備式UPS，并施行周期性更換，預(yù)防UPS內(nèi)置蓄電池容量不足，內(nèi)部旁路切換后，高壓變頻器控制系統(tǒng)失去交流電源風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 設(shè)計(jì)外部旁路，選用固態(tài)繼電器

以DHVECTOL型高壓變頻器為例（見(jiàn)圖2），如果UPS故障停止輸出，變頻器將會(huì)因控制系統(tǒng)失電后跳閘；而HARSVERT型變頻器在UPS停止輸出后，電源回路失去備用電源，降低整組設(shè)備的穩(wěn)定性。外部旁路也稱(chēng)檢修旁路，變頻器交流控制電源外部旁路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，UPS故障后也方便更換。在UPS外部旁路切換繼電器的選用上，建議選擇快速型切換繼電器（例如固態(tài)繼電器），此外UPS進(jìn)線220 V交流電源來(lái)自380 V電源，兩路380 V交流電源為主備模式，主電源故障時(shí)自動(dòng)切換至備用電源，此處電源切換在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮使用快速切換繼電器。表5為C廠ZINVERT型高壓變頻器UPS外部旁路運(yùn)行時(shí)，兩路380 V電源進(jìn)行多次模擬切換試驗(yàn)對(duì)變頻器運(yùn)行影響情況，其中電源切換繼電器也為DRM27730L型。

表5 UPS進(jìn)線電源切換對(duì)變頻器運(yùn)行影響

5.3 其他

PLC和其他控制器選型應(yīng)考慮允許掉電時(shí)間參數(shù)，或通過(guò)內(nèi)部程序修改對(duì)允許掉電時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)延長(zhǎng)；重要負(fù)載采用穩(wěn)定性更高的直流電源供電，次要負(fù)載應(yīng)考慮從UPS回路分離，例如圖1、圖2中高壓變頻器“聲光報(bào)警”、圖3中“電磁鎖，帶電顯示裝置”等負(fù)載回路，應(yīng)采用其他220 V交流電源供電，以降低UPS故障概率；UPS控制回路合理布置控制回路電源空開(kāi)，例如圖2中高壓變頻器UPS輸出回路部分空開(kāi)應(yīng)取消，降低誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

［1］山特電子（深圳）有限公司.TG系列UPS使用手冊(cè)［Z］.2011.

［2］山特電子（深圳）有限公司.MT系列UPS使用手冊(cè)［Z］.2011.

［3］廈門(mén)科華恒盛股份有限公司.KR系列UPS使用手冊(cè)［Z］.2008.

［4］Yuasa Battery（Guangdong）Co.，Ltd.NP Series prod?ucts introduction［Z］.2008.

［5］Weidumuller Interface International Trading（Shanghai）Co.，Ltd.Product Description of DRM Series Auxiliary Relay for Control Supply［Z］.2010.

［6］Mitsubishi Electric Automation（Shanghai）Ltd.Hard?ware Manual FX-2N Series Programmable Controllers［Z］.2007.

［7］Siemens Ltd.China Automation Drives Group.S7-200 Programmable Controller System Manual［Z］.2000.