浅谈UPS不间断电源在垃圾焚烧发电厂的应用问题

郭长顺



浅谈UPS不间断电源在垃圾焚烧发电厂的应用问题

郭长顺

（佛山市南海绿电再生能源有限公司，广东 佛山 528225）

分析某垃圾焚烧发电厂使用的美国CNC BEST POWER公司生产的电力E2001.2系列在线式UPS多次出现主机故障的原因，采用排除法找到问题的关键，并针对这一问题提出相应的解决方案。

垃圾焚烧发电厂；UPS；主机故障；再生能量

电力UPS电源是专为发电厂、变电站等电力行业设计，一般带单相负载，将市电整流、再逆变成220 V纯正弦波输出或在市电故障时利用蓄电池组输出的直流电逆变成220 V纯正弦波输出，供DCS、监控系统、自动化仪表、调度通信系统、微机系统等需要交流电的核心设备使用的电源。

1 基本情况

某垃圾焚烧发电厂使用的UPS是美国CNC BEST POWER公司生产的电力E2001.2系列在线式UPS，容量为40 kVA，采用了先进的IGBT功率器件、性能优越的SPWM逆变器及MMBM智能化多模式电池管理技术等国际先进技术，可以在不间断输出的情况下实现市电与直流电的切换，具有很高的可靠性。该UPS市电进线电源使用双电源切换装置，两路电源分别取自400 V厂用电不同分段母线，UPS直流电源取自厂用220 V直流系统馈电屏，UPS不再单独配置直流蓄电池组，UPS输出配置一面交流220 V输出馈线屏，主要负载有DCS主机电源，#3、#4机DEH、TSI及ETS电源，#3、#4发电机保护电源、主变保护屏电源、计量屏电源、火灾报警控制电源，#4、#5、#6炉烟气监测系统电源等。UPS设有专门的旁路柜，可以在UPS主机故障的情况下自动切换至旁路运行，其基本工作原理如图1所示。

图1 电力E2001.2系列UPS工作原理图

2 故障情况

该公司UPS投运一年后，在不到八个月的时间内连续两次出现同样的UPS主机故障，故障时主机发逆变器故障报警，UPS自动切换至旁路运行，检查UPS主机柜发现整流输出保险已熔断，IGBT模块被击穿，且逆变器峰值吸收板上的电解电容爆解，逆变驱动板的EX841元件损坏。

3 原因分析

第一次故障情况出现后，由于设备运行仅一年多时间，而且整个UPS供电系统没有进行任何改动工作，除了主机故障外也无其他异常情况，因此怀疑是设备质量问题。然而在UPS修复并正常投运半年以后又出现同样的故障情况，证明问题一直存在，并未得到根本性解决。为了明确故障原因，只有采取排除法逐一排查故障原因。

UPS负载电流在故障前后一直稳定在65～70 A之间，而UPS容量为40 kVA，按80%（标称额定功率）的阻性负载设计负载能力计算其可带阻性负载额定电流为145 A，也就是在正常运行时负载率不到50%，因此不可能是过载造成。其次，UPS主机故障后自动切换至旁路运行正常，说明外部回路无永久性故障。接着检查UPS主机柜内部回路，整流模块输出正常，输出隔离主变压器正常，逆变回路也没有短路现象。在更换损坏的逆变驱动板、峰值吸收板及IGBT模块后，断开外部回路，测试从输入380 V电源到整流器输出再到逆变模块输出220 V电压正常，可排除内部原因导致的故障。在以上检查完成后再次将UPS主机投入运行正常。

根据以上情况综合分析，认为故障原因是外部瞬时冲击造成的，仔细检查UPS电源各馈线负载，发现接入UPS电源的热控4#、5#、6#焚烧炉烟气监测系统带有冷却风机之类的感性负载，风机为单相220 V电动机，一共有15台，每台额定功率为0.4 kW，额定电流为2.6 A，功率因数为0.7左右，运行总电流为39 A，近似折算为UPS可带阻性负载电流为55 A，这些风机长期运行，实际上正常运行时还在UPS可承受的负载范围内，不至于引起UPS故障。但是调出运行值班日志查看历史记录，发现曾有多次出现4#炉及5#炉烟气监测平台的冷却风机控制箱，因为被雨水灌入而导致风机总电源开关跳闸事故，由于烟气在线监测系统属于热控专业管辖设备，而其中冷却风机电机又没有明确划分给电气专业负责，冷却风机属于热控和电气双重管辖区域，职责不清晰，相互推诿，因此故障多次出现却没有得到重视。

事实上，在同一个电力拖动系统中的一个或多个传动过程中有时会发生从电机端发电产生的能量反馈到电源供应的UPS或变频器中来，这种现象叫“再生能量”。众所周知，电动机在启动和停止过程中，都将产生反电动势，由于UPS在电路架构上常用的结构是整流+电池升压+逆变器的结构，很大一部分UPS的整流和电池升压部分都是使用Boost或者变形的电路，能量仅能从市电和电池流动到UPS直流母线上，而不能反向流动，因此UPS从电动机吸收的能量都会保存在UPS的电解电容中，导致UPS中的母线电压升高，如果超过电容耐压值，将导致电解电容爆炸或损坏，而且因为电动机启动时电流一般为额定电流5～7倍，5台风机电机的启动将产生65～91 A左右的冲击电流，多次冲击对IGBT模块及峰值吸收模块造成极大的损害，最终导致UPS出现这种典型的因能量倒灌而产生故障。

4 解决方案

4.1 查明所有UPS馈线所带感性负载

查明所有UPS馈线所带感性负载，如电动机、日光灯、空调等，将其从UPS电源系统中剥离出来，另接独立电源。

4.2 充分利用UPS自身结构来解决再生能源

充分利用UPS自身结构来解决再生能源，比如在市电模式下，最简单的方式不外乎采用旁路解决，只需配备一个检测电路，并对UPS主控程序稍加更改即可实现。发现负载回馈的能量过大时，把UPS切换到旁路模式下，通过旁路来吸收电机再生能量。不过这一方法只有在旁路真正是市电，并且正常情况下可以使用，因此其应用是有一些局限性的。如果要求UPS不管在市电还是电池模式下都能搭配电机类感性负载工作，就必须用其他的方法。

4.3 对UPS主机加装能量反馈处理装置

传统意义上的UPS并没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能，因此所有UPS从电机吸收的能量都会保存在电解电容中。在UPS应用中，当负载是会产生再生能量的电机时，一般UPS系统比较容易由于电机制动能量回馈到UPS的直流母线的问题而产生逆变器故障或者直流母线高压故障。为了兼容这种类型负载，UPS系统需要附加额外的功能模块来达到可靠工作的目的。

最为可靠和简单的方法是为UPS配备可选的制动模块，这一设计在变频器上已经非常成熟，可以很方便移植到UPS上使用。由于传统上UPS并不具有专门为制动使用的IGBT，所以需要把制动电阻和制动IGBT单独设计为一个模块，再加上检测电路和控制电路组成能量反馈处理装置，当电机制动时，从电机回馈的能量被检测到，UPS即可通过中控板输出信号控制接通制动回路，使得多余的能量以热方式消耗掉。当然设计时不仅需要充分考虑到检测电路的灵敏性和可靠性，而且还需要核实制动时最大的电流容量、负载周期和消耗到制动电阻上的额定功率来选择合适的制动单元，并以连续的方式消耗电能，最终能够保持母线电压的平衡，避免设备损坏。能量反馈处理装置如图2所示。

图2 能量反馈处理装置系统图

5 总结

在垃圾焚烧发电厂这种相对小规模的机组中，UPS系统接入感性负载可以说不是一种个别现象，因为小机组从客观上来说并没有大机组要求的那么严格，因此在日常维护中，应该仔细检查，深入理解设备原理性的设计，认真分析故障情况，不断总结事故原因才能彻底解决问题，保证机组的安全稳定运行。另外，随着科技的进步，目前专门针对感性负载设计的UPS已经面世，作为电厂维护人员应该加强知识的更新与学习，更好地面对科技进步带来的一系列挑战。

［1］李成章.新型UPS不间断电源原理与维修技术［M］.第2版.北京：电子工业出版社，1995.

［2］谢东藩.带非线性负载能力强的不间断电源：中国，ZL96247270.0［P］.1998-08-05.

［3］秦曾惶.电工学［M］.第4版.北京：高等教育出版社，1990.

［4］易龙强.单相在线式数字化UPS的设计研究［D］.长沙：湖南大学，2000.

2095－6835（2019）02－0140－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.140

郭长顺（1985—），毕业于山东大学电气工程学院，本科学士学位，高级工程师。

〔编辑：严丽琴〕