王義平，黃春偉

（1.廣州華潤熱電有限公司，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、引風(fēng)機、增壓風(fēng)機和凝結(jié)水泵等重要輔機的節(jié)能效果顯著?；痣姀S對高壓變頻器穩(wěn)定性有很高的要求，運行中的發(fā)電機組尤其是高負(fù)荷率運行的機組，一旦出現(xiàn)重要輔機故障跳閘，將會影響機組負(fù)荷，嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致機組停機。當(dāng)前火電廠高壓變頻器大多為6 kV電壓等級、單元串聯(lián)式多電平結(jié)構(gòu)，其控制系統(tǒng)由主控制器、人機界面和PLC三部分組成，三者協(xié)調(diào)運行實現(xiàn)不同的功能，任意一部分出現(xiàn)故障，變頻器會重新啟動或故障跳閘。控制系統(tǒng)交流控制電源設(shè)計為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)定性對高壓變頻器的穩(wěn)定運行有決定性作用。

1 三種典型UPS電源控制回路對比

火電廠高壓變頻器的輔助電源設(shè)計一般有兩路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，兩路電源采用自動切換模式，UPS輸入電源則來自其中一路輔助電源，UPS的設(shè)計負(fù)載一般比較重要，各廠家的設(shè)計也略有差異，圖1、圖2和圖3為三種典型的UPS負(fù)載設(shè)計圖。

2 UPS選型和故障率對比

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，外部旁路自動投入運行。小型UPS一般分為在線式和后備式，各變頻器廠家對UPS選型也存在差異，例如HARSVERT和DHVECTOL型高壓變頻器設(shè)計主選后備式，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)過自動穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后的輸出電源，內(nèi)部旁路運行時UPS內(nèi)置蓄電池逆變輸出短時備用。在線式UPS的可對負(fù)載實現(xiàn)轉(zhuǎn)換時間為零的不間斷供電，正常狀態(tài)下對輸入電源進(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)部旁路運行時，UPS內(nèi)部主回路和旁路會短暫重疊輸出。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)部旁路切換時間對比，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，再者火電廠運行環(huán)境粉塵較大，多數(shù)在線式UPS內(nèi)部均設(shè)計有散熱風(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運行一段時間后，其內(nèi)部積灰仍然很嚴(yán)重，這對在線式UPS有更加不利的影響，此外后備式UPS價格要低廉，小型后備式UPS市場價格約為同品牌、同容量在線式UPS的半價?，F(xiàn)在火電廠一般不具備專業(yè)檢測小型UPS性能的條件，高壓變頻器運行中，一旦UPS切換至內(nèi)部或者外部旁路運行，檢修維護(hù)人員出于變頻器最短時間恢復(fù)運行的生產(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)變頻運行，更換下的UPS在進(jìn)行各項檢查試驗合格后作為備件處理。

表1為貴州某3×200 MW電廠（簡稱A廠）、安徽某2×660 MW電廠（簡稱B廠）、廣東某2×330 MW電廠（簡稱C廠）風(fēng)機和水泵高壓變頻器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)計選型或者改造時應(yīng)該選擇可靠品牌和型號。小型UPS內(nèi)置閥控鉛酸蓄電池設(shè)計壽命一般非長壽命設(shè)計，以較常用的YUASA（湯淺）NP7-12型蓄電池為例，其設(shè)計壽命5年[4]，運行環(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運行工況一般很難滿足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)用無明顯優(yōu)勢。

表1 高壓變頻器UPS型號及故障統(tǒng)計表

3 UPS外部旁路切換影響

UPS具有較高的可靠性，但無法確保零故障率。對設(shè)計有外部旁路的UPS回路，如圖3所示，運行中突然切換至外部旁路供電時，其輸出電壓必然存在擾動或瞬時失電，失電時間和旁路切換繼電器動作特性相關(guān)，回路負(fù)載中全部使用交流電源供電的設(shè)備將會短時掉電。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，外部旁路自動投入運行，在C廠對ZINVERT型高壓變頻器外部旁路切換進(jìn)行了模擬試驗，通過現(xiàn)場手動停止UPS，對UPS輸出和外部旁路自動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。試驗中兩路電源電壓波形的中斷時間為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PLC短時掉電。根據(jù)掉電時間的長短情況，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故障模擬試驗和2010年12月～2012年12月UPS運行中故障對高壓變頻器影響統(tǒng)計。

表3 UPS外部旁路切換與高壓變頻器重啟統(tǒng)計表

目前國產(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運行允許瞬時掉電的參數(shù)如表4所示[6-7]。

表4 兩種PLC運行掉電特性對比

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，其用戶程序未進(jìn)行瞬時掉電時間延長修改。從模擬試驗和運行中故障切換的結(jié)果來看，C廠FX-2N型PLC瞬時掉電后變頻器重啟具有偶然性，與掉電時電壓波形位置和外部旁路切換繼電器動作具體時間的相關(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（見圖1、圖3），當(dāng)交流電源正常時，優(yōu)先采用交流電源，當(dāng)交流電源異常后，電源板自動切換至直流電源供電。當(dāng)交流電源恢復(fù)正常時，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 交流電源失電時電源板輸出電壓波形

其中直流電源板的功率繼電器型號為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，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間為11 ms，電源板切換過程瞬間完成，切換時間小于1 ms。

5 UPS回路設(shè)計改進(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。

5.2 設(shè)計外部旁路，選用固態(tài)繼電器

以DHVECTOL型高壓變頻器為例（見圖2），如果UPS故障停止輸出，變頻器將會因控制系統(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。外部旁路也稱檢修旁路，變頻器交流控制電源外部旁路的設(shè)計和實現(xiàn)比較簡單，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交流電源來自380 V電源，兩路380 V交流電源為主備模式，主電源故障時自動切換至備用電源，此處電源切換在設(shè)計時也應(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外部旁路運行時，兩路380 V電源進(jìn)行多次模擬切換試驗對變頻器運行影響情況，其中電源切換繼電器也為DRM27730L型。

表5 UPS進(jìn)線電源切換對變頻器運行影響

5.3 其他

PLC和其他控制器選型應(yīng)考慮允許掉電時間參數(shù)，或通過內(nèi)部程序修改對允許掉電時間進(jìn)行適當(dāng)延長；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，例如圖2中高壓變頻器UPS輸出回路部分空開應(yīng)取消，降低誤動風(fēng)險。

［1］山特電子（深圳）有限公司.TG系列UPS使用手冊［Z］.2011.

［2］山特電子（深圳）有限公司.MT系列UPS使用手冊［Z］.2011.

［3］廈門科華恒盛股份有限公司.KR系列UPS使用手冊［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.