三種高壓變頻器UPS回路設計特點和改進

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用，一次風機、引風機、增壓風機和凝結水泵等重要輔機的節能效果顯著。火電廠對高壓變頻器穩定性有很高的要求，運行中的發電機組尤其是高負荷率運行的機組，一旦出現重要輔機故障跳閘，將會影響機組負荷，嚴重時還可能導致機組停機。當前火電廠高壓變頻器大多為6 kV電壓等級、單元串聯式多電平結構，其控制系統由主控制器、人機界面和PLC三部分組成，三者協調運行實現不同的功能，任意一部分出現故障，變頻器會重新啟動或故障跳閘。控制系統交流控制電源設計為220 V，并配置小型UPS裝置，控制系統負載均直接或間接依靠UPS供電，因此UPS電源回路的供電穩定性對高壓變頻器的穩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計一般有兩路380 V交流電源和一路220 V直流電源進線，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的設計負載一般比較重要，各廠家的設計也略有差異，圖1、圖2和圖3為三種典型的UPS負載設計圖。

2 UPS選型和故障率對比

圖1 利德華福HARSVERT變頻器UPS負載

圖2 東方日立DHVECTOL變頻器UPS負載

圖3 智光電氣ZINVERT變頻器UPS負載

完整的高壓變頻器系統UPS電源旁路分內部旁路和外部旁路，當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型高壓變頻器設計主選后備式，而ZINVERT型部分設備則選用在線式UPS。后備式UPS正常狀態下其負載所使用的電源就是輸入交流電源經過自動穩壓器穩壓后的輸出電源，內部旁路運行時UPS內置蓄電池逆變輸出短時備用。在線式UPS的可對負載實現轉換時間為零的不間斷供電，正常狀態下對輸入電源進行整流、逆變后輸出，內置蓄電池處于熱備用狀態，內部旁路運行時，UPS內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輸出電源質量和內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量和穩定性較高的特點，再者火電廠運行環境粉塵較大，多數在線式UPS內部均設計有散熱風扇，即使高壓變頻器采用封閉式空調冷卻方式，在線式UPS運行一段時間后，其內部積灰仍然很嚴重，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。現在火電廠一般不具備專業檢測小型UPS性能的條件，高壓變頻器運行中，一旦UPS切換至內部或者外部旁路運行，檢修維護人員出于變頻器最短時間恢復運行的生產需要和UPS旁路原因不清楚的考慮，通常的做法是更換新UPS迅速恢復變頻運行，更換下的UPS在進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，質量良莠不齊，設計選型或者改造時應該選擇可靠品牌和型號。小型UPS內置閥控鉛酸蓄電池設計壽命一般非長壽命設計，以較常用的YUASA（湯淺）NP7-12型蓄電池為例，其設計壽命5年[4]，運行環境如果達不到規定要求，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廠家規定的維護要求，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。從維護成本和表1中的運行穩定情況分析，在線式UPS在火電廠高壓變頻器的應用無明顯優勢。

表1 高壓變頻器UPS型號及故障統計表

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，回路負載中全部使用交流電源供電的設備將會短時掉電。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行了模擬試驗，通過現場手動停止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。根據掉電時間的長短情況，可能導致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計。

表3 UPS外部旁路切換與高壓變頻器重啟統計表

目前國產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。

4 220 V直流電源板

直流220 V電源板輸入側電源來自UPS或外部旁路輸出，并配置一路電廠的220 V直流系統電源。以HARSVERT型和ZINVERT型高壓變頻器UPS回路為例（見圖1、圖3），當交流電源正常時，優先采用交流電源，當交流電源異常后，電源板自動切換至直流電源供電。當交流電源恢復正常時，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回路設計改進

5.1 UPS選型和維護

選擇可靠品牌的后備式UPS，并施行周期性更換，預防UPS內置蓄電池容量不足，內部旁路切換后，高壓變頻器控制系統失去交流電源風險。

5.2 設計外部旁路，選用固態繼電器

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，降低整組設備的穩定性。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計和實現比較簡單，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（例如固態繼電器），此外UPS進線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，此處電源切換在設計時也應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考慮允許掉電時間參數，或通過內部程序修改對允許掉電時間進行適當延長；重要負載采用穩定性更高的直流電源供電，次要負載應考慮從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”等負載回路，應采用其他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取消，降低誤動風險。

［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.