三种高压变频器UPS回路设计特点和改进

王义平，黄春伟

（1.广州华润热电有限公司，广东广州 511455；2.广州智光电气股份有限公司，广东广州 510760）

随着高压变频器在火电厂的广泛应用，一次风机、引风机、增压风机和凝结水泵等重要辅机的节能效果显著。火电厂对高压变频器稳定性有很高的要求，运行中的发电机组尤其是高负荷率运行的机组，一旦出现重要辅机故障跳闸，将会影响机组负荷，严重时还可能导致机组停机。当前火电厂高压变频器大多为6 kV电压等级、单元串联式多电平结构，其控制系统由主控制器、人机界面和PLC三部分组成，三者协调运行实现不同的功能，任意一部分出现故障，变频器会重新启动或故障跳闸。控制系统交流控制电源设计为220 V，并配置小型UPS装置，控制系统负载均直接或间接依靠UPS供电，因此UPS电源回路的供电稳定性对高压变频器的稳定运行有决定性作用。

1 三种典型UPS电源控制回路对比

火电厂高压变频器的辅助电源设计一般有两路380 V交流电源和一路220 V直流电源进线，其中两路交流电源互为备用，分别取自不同的厂用MCC馈线或者其中一路由高压变频器移相变压器低压侧提供，两路电源采用自动切换模式，UPS输入电源则来自其中一路辅助电源，UPS的设计负载一般比较重要，各厂家的设计也略有差异，图1、图2和图3为三种典型的UPS负载设计图。

2 UPS选型和故障率对比

图1 利德华福HARSVERT变频器UPS负载

图2 东方日立DHVECTOL变频器UPS负载

图3 智光电气ZINVERT变频器UPS负载

完整的高压变频器系统UPS电源旁路分内部旁路和外部旁路，当UPS故障或者检修停止输出时，外部旁路自动投入运行。小型UPS一般分为在线式和后备式，各变频器厂家对UPS选型也存在差异，例如HARSVERT和DHVECTOL型高压变频器设计主选后备式，而ZINVERT型部分设备则选用在线式UPS。后备式UPS正常状态下其负载所使用的电源就是输入交流电源经过自动稳压器稳压后的输出电源，内部旁路运行时UPS内置蓄电池逆变输出短时备用。在线式UPS的可对负载实现转换时间为零的不间断供电，正常状态下对输入电源进行整流、逆变后输出，内置蓄电池处于热备用状态，内部旁路运行时，UPS内部主回路和旁路会短暂重叠输出。两种UPS工作原理如图4所示。

图4 小型后备式和在线式UPS原理图

从UPS输出电源质量和内部旁路切换时间对比，在线式UPS特性要略高于后备式。但火电厂的高压变频器控制电源具有电源质量和稳定性较高的特点，再者火电厂运行环境粉尘较大，多数在线式UPS内部均设计有散热风扇，即使高压变频器采用封闭式空调冷却方式，在线式UPS运行一段时间后，其内部积灰仍然很严重，这对在线式UPS有更加不利的影响，此外后备式UPS价格要低廉，小型后备式UPS市场价格约为同品牌、同容量在线式UPS的半价。现在火电厂一般不具备专业检测小型UPS性能的条件，高压变频器运行中，一旦UPS切换至内部或者外部旁路运行，检修维护人员出于变频器最短时间恢复运行的生产需要和UPS旁路原因不清楚的考虑，通常的做法是更换新UPS迅速恢复变频运行，更换下的UPS在进行各项检查试验合格后作为备件处理。

表1为贵州某3×200 MW电厂（简称A厂）、安徽某2×660 MW电厂（简称B厂）、广东某2×330 MW电厂（简称C厂）风机和水泵高压变频器UPS选型和2010年12月～2012年12月UPS故障情况。

目前UPS品牌众多，质量良莠不齐，设计选型或者改造时应该选择可靠品牌和型号。小型UPS内置阀控铅酸蓄电池设计寿命一般非长寿命设计，以较常用的YUASA（汤浅）NP7-12型蓄电池为例，其设计寿命5年[4]，运行环境如果达不到规定要求，其使用寿命将受到很大影响，而火电厂高压变频器UPS运行工况一般很难满足UPS厂家规定的维护要求，通常采用定期更换或者故障后更换模式，其中A厂两次、B厂一次UPS故障均为故障后更换，C厂五次故障后更换、三次定期更换。从维护成本和表1中的运行稳定情况分析，在线式UPS在火电厂高压变频器的应用无明显优势。

表1 高压变频器UPS型号及故障统计表

3 UPS外部旁路切换影响

UPS具有较高的可靠性，但无法确保零故障率。对设计有外部旁路的UPS回路，如图3所示，运行中突然切换至外部旁路供电时，其输出电压必然存在扰动或瞬时失电，失电时间和旁路切换继电器动作特性相关，回路负载中全部使用交流电源供电的设备将会短时掉电。以ZINVERT型UPS外部旁路为例，外部旁路切换继电器选用Weidumuller DRM27730L型，其电气特性如表2所示。

表2 DRM27730L中间继电器电气特性[5]

当UPS停止输出时，外部旁路自动投入运行，在C厂对ZINVERT型高压变频器外部旁路切换进行了模拟试验，通过现场手动停止UPS，对UPS输出和外部旁路自动切换的空载电压波形进行记录，波形如图5所示，其中录播仪器采样频率2 kHz。试验中两路电源电压波形的中断时间为8 ms，与表2中DRM27730L型中间继电器电气特性基本符合。

图5 切换到外部旁路时掉电情况

C厂ZINVERT型高压变频器的PLC电源由UPS直接供电，外部旁路切换时PLC短时掉电。根据掉电时间的长短情况，可能导致PLC停止正常输出，影响变频器重启或跳闸。表3为C厂UPS故障模拟试验和2010年12月～2012年12月UPS运行中故障对高压变频器影响统计。

表3 UPS外部旁路切换与高压变频器重启统计表

目前国产高压变频器大多配置S7-200和FX-2N小型PLC，例如A厂、B厂均为S7-200型，C厂选用FX-2N型，这两种PLC运行允许瞬时掉电的参数如表4所示[6-7]。

表4 两种PLC运行掉电特性对比

C厂高压变频器配置的FX-2N型PLC接线属于“交流电源，直流输入”型，其用户程序未进行瞬时掉电时间延长修改。从模拟试验和运行中故障切换的结果来看，C厂FX-2N型PLC瞬时掉电后变频器重启具有偶然性，与掉电时电压波形位置和外部旁路切换继电器动作具体时间的相关。

4 220 V直流电源板

直流220 V电源板输入侧电源来自UPS或外部旁路输出，并配置一路电厂的220 V直流系统电源。以HARSVERT型和ZINVERT型高压变频器UPS回路为例（见图1、图3），当交流电源正常时，优先采用交流电源，当交流电源异常后，电源板自动切换至直流电源供电。当交流电源恢复正常时，电源板再次切换至交流电源供电。图6为ZINVERT型高压变频器直流电源板在直流输入电源正常（223 V）、模拟交流电源失去后，空载输出电压录波图。

图6 交流电源失电时电源板输出电压波形

其中直流电源板的功率继电器型号为Panason⁃ic DSP1-DC24V-F，录波仪器采样频率2 kHz。从交流输入电源供电时，直流电源板输出221 V，交流电源中断到直流电源板切换完成时间为11 ms，电源板切换过程瞬间完成，切换时间小于1 ms。

5 UPS回路设计改进

5.1 UPS选型和维护

选择可靠品牌的后备式UPS，并施行周期性更换，预防UPS内置蓄电池容量不足，内部旁路切换后，高压变频器控制系统失去交流电源风险。

5.2 设计外部旁路，选用固态继电器

以DHVECTOL型高压变频器为例（见图2），如果UPS故障停止输出，变频器将会因控制系统失电后跳闸；而HARSVERT型变频器在UPS停止输出后，电源回路失去备用电源，降低整组设备的稳定性。外部旁路也称检修旁路，变频器交流控制电源外部旁路的设计和实现比较简单，UPS故障后也方便更换。在UPS外部旁路切换继电器的选用上，建议选择快速型切换继电器（例如固态继电器），此外UPS进线220 V交流电源来自380 V电源，两路380 V交流电源为主备模式，主电源故障时自动切换至备用电源，此处电源切换在设计时也应考虑使用快速切换继电器。表5为C厂ZINVERT型高压变频器UPS外部旁路运行时，两路380 V电源进行多次模拟切换试验对变频器运行影响情况，其中电源切换继电器也为DRM27730L型。

表5 UPS进线电源切换对变频器运行影响

5.3 其他

PLC和其他控制器选型应考虑允许掉电时间参数，或通过内部程序修改对允许掉电时间进行适当延长；重要负载采用稳定性更高的直流电源供电，次要负载应考虑从UPS回路分离，例如图1、图2中高压变频器“声光报警”、图3中“电磁锁，带电显示装置”等负载回路，应采用其他220 V交流电源供电，以降低UPS故障概率；UPS控制回路合理布置控制回路电源空开，例如图2中高压变频器UPS输出回路部分空开应取消，降低误动风险。

［1］山特电子（深圳）有限公司.TG系列UPS使用手册［Z］.2011.

［2］山特电子（深圳）有限公司.MT系列UPS使用手册［Z］.2011.

［3］厦门科华恒盛股份有限公司.KR系列UPS使用手册［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.