郭長(zhǎng)順

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淺談UPS不間斷電源在垃圾焚燒發(fā)電廠的應(yīng)用問(wèn)題

郭長(zhǎng)順

（佛山市南海綠電再生能源有限公司，廣東 佛山 528225）

分析某垃圾焚燒發(fā)電廠使用的美國(guó)CNC BEST POWER公司生產(chǎn)的電力E2001.2系列在線式UPS多次出現(xiàn)主機(jī)故障的原因，采用排除法找到問(wèn)題的關(guān)鍵，并針對(duì)這一問(wèn)題提出相應(yīng)的解決方案。

垃圾焚燒發(fā)電廠；UPS；主機(jī)故障；再生能量

電力UPS電源是專(zhuān)為發(fā)電廠、變電站等電力行業(yè)設(shè)計(jì)，一般帶單相負(fù)載，將市電整流、再逆變成220 V純正弦波輸出或在市電故障時(shí)利用蓄電池組輸出的直流電逆變成220 V純正弦波輸出，供DCS、監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化儀表、調(diào)度通信系統(tǒng)、微機(jī)系統(tǒng)等需要交流電的核心設(shè)備使用的電源。

1 基本情況

某垃圾焚燒發(fā)電廠使用的UPS是美國(guó)CNC BEST POWER公司生產(chǎn)的電力E2001.2系列在線式UPS，容量為40 kVA，采用了先進(jìn)的IGBT功率器件、性能優(yōu)越的SPWM逆變器及MMBM智能化多模式電池管理技術(shù)等國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，可以在不間斷輸出的情況下實(shí)現(xiàn)市電與直流電的切換，具有很高的可靠性。該UPS市電進(jìn)線電源使用雙電源切換裝置，兩路電源分別取自400 V廠用電不同分段母線，UPS直流電源取自廠用220 V直流系統(tǒng)饋電屏，UPS不再單獨(dú)配置直流蓄電池組，UPS輸出配置一面交流220 V輸出饋線屏，主要負(fù)載有DCS主機(jī)電源，#3、#4機(jī)DEH、TSI及ETS電源，#3、#4發(fā)電機(jī)保護(hù)電源、主變保護(hù)屏電源、計(jì)量屏電源、火災(zāi)報(bào)警控制電源，#4、#5、#6爐煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源等。UPS設(shè)有專(zhuān)門(mén)的旁路柜，可以在UPS主機(jī)故障的情況下自動(dòng)切換至旁路運(yùn)行，其基本工作原理如圖1所示。

圖1 電力E2001.2系列UPS工作原理圖

2 故障情況

該公司UPS投運(yùn)一年后，在不到八個(gè)月的時(shí)間內(nèi)連續(xù)兩次出現(xiàn)同樣的UPS主機(jī)故障，故障時(shí)主機(jī)發(fā)逆變器故障報(bào)警，UPS自動(dòng)切換至旁路運(yùn)行，檢查UPS主機(jī)柜發(fā)現(xiàn)整流輸出保險(xiǎn)已熔斷，IGBT模塊被擊穿，且逆變器峰值吸收板上的電解電容爆解，逆變驅(qū)動(dòng)板的EX841元件損壞。

3 原因分析

第一次故障情況出現(xiàn)后，由于設(shè)備運(yùn)行僅一年多時(shí)間，而且整個(gè)UPS供電系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行任何改動(dòng)工作，除了主機(jī)故障外也無(wú)其他異常情況，因此懷疑是設(shè)備質(zhì)量問(wèn)題。然而在UPS修復(fù)并正常投運(yùn)半年以后又出現(xiàn)同樣的故障情況，證明問(wèn)題一直存在，并未得到根本性解決。為了明確故障原因，只有采取排除法逐一排查故障原因。

UPS負(fù)載電流在故障前后一直穩(wěn)定在65～70 A之間，而UPS容量為40 kVA，按80%（標(biāo)稱(chēng)額定功率）的阻性負(fù)載設(shè)計(jì)負(fù)載能力計(jì)算其可帶阻性負(fù)載額定電流為145 A，也就是在正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率不到50%，因此不可能是過(guò)載造成。其次，UPS主機(jī)故障后自動(dòng)切換至旁路運(yùn)行正常，說(shuō)明外部回路無(wú)永久性故障。接著檢查UPS主機(jī)柜內(nèi)部回路，整流模塊輸出正常，輸出隔離主變壓器正常，逆變回路也沒(méi)有短路現(xiàn)象。在更換損壞的逆變驅(qū)動(dòng)板、峰值吸收板及IGBT模塊后，斷開(kāi)外部回路，測(cè)試從輸入380 V電源到整流器輸出再到逆變模塊輸出220 V電壓正常，可排除內(nèi)部原因?qū)е碌墓收?。在以上檢查完成后再次將UPS主機(jī)投入運(yùn)行正常。

根據(jù)以上情況綜合分析，認(rèn)為故障原因是外部瞬時(shí)沖擊造成的，仔細(xì)檢查UPS電源各饋線負(fù)載，發(fā)現(xiàn)接入U(xiǎn)PS電源的熱控4#、5#、6#焚燒爐煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶有冷卻風(fēng)機(jī)之類(lèi)的感性負(fù)載，風(fēng)機(jī)為單相220 V電動(dòng)機(jī)，一共有15臺(tái)，每臺(tái)額定功率為0.4 kW，額定電流為2.6 A，功率因數(shù)為0.7左右，運(yùn)行總電流為39 A，近似折算為UPS可帶阻性負(fù)載電流為55 A，這些風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，實(shí)際上正常運(yùn)行時(shí)還在UPS可承受的負(fù)載范圍內(nèi)，不至于引起UPS故障。但是調(diào)出運(yùn)行值班日志查看歷史記錄，發(fā)現(xiàn)曾有多次出現(xiàn)4#爐及5#爐煙氣監(jiān)測(cè)平臺(tái)的冷卻風(fēng)機(jī)控制箱，因?yàn)楸挥晁嗳攵鴮?dǎo)致風(fēng)機(jī)總電源開(kāi)關(guān)跳閘事故，由于煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于熱控專(zhuān)業(yè)管轄設(shè)備，而其中冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)又沒(méi)有明確劃分給電氣專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)，冷卻風(fēng)機(jī)屬于熱控和電氣雙重管轄區(qū)域，職責(zé)不清晰，相互推諉，因此故障多次出現(xiàn)卻沒(méi)有得到重視。

事實(shí)上，在同一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)過(guò)程中有時(shí)會(huì)發(fā)生從電機(jī)端發(fā)電產(chǎn)生的能量反饋到電源供應(yīng)的UPS或變頻器中來(lái)，這種現(xiàn)象叫“再生能量”。眾所周知，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和停止過(guò)程中，都將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，由于UPS在電路架構(gòu)上常用的結(jié)構(gòu)是整流+電池升壓+逆變器的結(jié)構(gòu)，很大一部分UPS的整流和電池升壓部分都是使用Boost或者變形的電路，能量?jī)H能從市電和電池流動(dòng)到UPS直流母線上，而不能反向流動(dòng)，因此UPS從電動(dòng)機(jī)吸收的能量都會(huì)保存在UPS的電解電容中，導(dǎo)致UPS中的母線電壓升高，如果超過(guò)電容耐壓值，將導(dǎo)致電解電容爆炸或損壞，而且因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流一般為額定電流5～7倍，5臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)的啟動(dòng)將產(chǎn)生65～91 A左右的沖擊電流，多次沖擊對(duì)IGBT模塊及峰值吸收模塊造成極大的損害，最終導(dǎo)致UPS出現(xiàn)這種典型的因能量倒灌而產(chǎn)生故障。

4 解決方案

4.1 查明所有UPS饋線所帶感性負(fù)載

查明所有UPS饋線所帶感性負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、日光燈、空調(diào)等，將其從UPS電源系統(tǒng)中剝離出來(lái)，另接獨(dú)立電源。

4.2 充分利用UPS自身結(jié)構(gòu)來(lái)解決再生能源

充分利用UPS自身結(jié)構(gòu)來(lái)解決再生能源，比如在市電模式下，最簡(jiǎn)單的方式不外乎采用旁路解決，只需配備一個(gè)檢測(cè)電路，并對(duì)UPS主控程序稍加更改即可實(shí)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)負(fù)載回饋的能量過(guò)大時(shí)，把UPS切換到旁路模式下，通過(guò)旁路來(lái)吸收電機(jī)再生能量。不過(guò)這一方法只有在旁路真正是市電，并且正常情況下可以使用，因此其應(yīng)用是有一些局限性的。如果要求UPS不管在市電還是電池模式下都能搭配電機(jī)類(lèi)感性負(fù)載工作，就必須用其他的方法。

4.3 對(duì)UPS主機(jī)加裝能量反饋處理裝置

傳統(tǒng)意義上的UPS并沒(méi)有設(shè)計(jì)使再生能量反饋到三相電源的功能，因此所有UPS從電機(jī)吸收的能量都會(huì)保存在電解電容中。在UPS應(yīng)用中，當(dāng)負(fù)載是會(huì)產(chǎn)生再生能量的電機(jī)時(shí)，一般UPS系統(tǒng)比較容易由于電機(jī)制動(dòng)能量回饋到UPS的直流母線的問(wèn)題而產(chǎn)生逆變器故障或者直流母線高壓故障。為了兼容這種類(lèi)型負(fù)載，UPS系統(tǒng)需要附加額外的功能模塊來(lái)達(dá)到可靠工作的目的。

最為可靠和簡(jiǎn)單的方法是為UPS配備可選的制動(dòng)模塊，這一設(shè)計(jì)在變頻器上已經(jīng)非常成熟，可以很方便移植到UPS上使用。由于傳統(tǒng)上UPS并不具有專(zhuān)門(mén)為制動(dòng)使用的IGBT，所以需要把制動(dòng)電阻和制動(dòng)IGBT單獨(dú)設(shè)計(jì)為一個(gè)模塊，再加上檢測(cè)電路和控制電路組成能量反饋處理裝置，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)，從電機(jī)回饋的能量被檢測(cè)到，UPS即可通過(guò)中控板輸出信號(hào)控制接通制動(dòng)回路，使得多余的能量以熱方式消耗掉。當(dāng)然設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要充分考慮到檢測(cè)電路的靈敏性和可靠性，而且還需要核實(shí)制動(dòng)時(shí)最大的電流容量、負(fù)載周期和消耗到制動(dòng)電阻上的額定功率來(lái)選擇合適的制動(dòng)單元，并以連續(xù)的方式消耗電能，最終能夠保持母線電壓的平衡，避免設(shè)備損壞。能量反饋處理裝置如圖2所示。

圖2 能量反饋處理裝置系統(tǒng)圖

5 總結(jié)

在垃圾焚燒發(fā)電廠這種相對(duì)小規(guī)模的機(jī)組中，UPS系統(tǒng)接入感性負(fù)載可以說(shuō)不是一種個(gè)別現(xiàn)象，因?yàn)樾C(jī)組從客觀上來(lái)說(shuō)并沒(méi)有大機(jī)組要求的那么嚴(yán)格，因此在日常維護(hù)中，應(yīng)該仔細(xì)檢查，深入理解設(shè)備原理性的設(shè)計(jì)，認(rèn)真分析故障情況，不斷總結(jié)事故原因才能徹底解決問(wèn)題，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另外，隨著科技的進(jìn)步，目前專(zhuān)門(mén)針對(duì)感性負(fù)載設(shè)計(jì)的UPS已經(jīng)面世，作為電廠維護(hù)人員應(yīng)該加強(qiáng)知識(shí)的更新與學(xué)習(xí)，更好地面對(duì)科技進(jìn)步帶來(lái)的一系列挑戰(zhàn)。

［1］李成章.新型UPS不間斷電源原理與維修技術(shù)［M］.第2版.北京：電子工業(yè)出版社，1995.

［2］謝東藩.帶非線性負(fù)載能力強(qiáng)的不間斷電源：中國(guó)，ZL96247270.0［P］.1998-08-05.

［3］秦曾惶.電工學(xué)［M］.第4版.北京：高等教育出版社，1990.

［4］易龍強(qiáng).單相在線式數(shù)字化UPS的設(shè)計(jì)研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2000.

2095－6835（2019）02－0140－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.140

郭長(zhǎng)順（1985—），畢業(yè)于山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，本科學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕