基于双机UPS的并列操作分析

杨峻峰

(辽宁华电铁岭发电有限公司，辽宁 铁岭 112000)

基于双机UPS的并列操作分析

杨峻峰

(辽宁华电铁岭发电有限公司，辽宁 铁岭 112000)

基于双机并联冗余的不停电电源系统(UPS)结构在大型火力发电厂应用较多，运行可靠性高。由于其输出并联的特点，当故障机器检修结束后并列恢复时，采用不同的操作方式对UPS母线电源质量的影响差异较大。对某发电厂在并机操作过程中UPS母线电源产生波动造成空气预热器跳闸事件进行分析，通过PMDR-200型便携式故障数据记录仪对各种并机操作产生的不同效果进行分析、对比，找出了最佳操作方案，提升了运行人员的操作水平。

双机并联；不停电电源系统(UPS)；空气预热器；并列操作；励磁涌流；合闸

图1 UPS接线及故障录波仪接线示意

1 问题的提出

某发电厂600 MW机组的不停电电源系统(UPS)如图1所示，该系统为双机并行在线式系统，容量为2×60 kV·A。系统双机分为UPS1和UPS2，均为交流220 V输入和交流220 V输出，单台输出额定电流为143 A，用于向分散控制系统(DCS)、励磁系统、发电机变压器组(以下简称发变组)保护装置、消防自动化、空气预热器(以下简称空预器)控制电源等重要负荷供电，系统经常性负荷电流60 A，负荷率20.98%。

整个系统由2台独立的UPS经输出开关Q094/Q095同时处于合闸状态，并列运行向UPS母线提供不间断电源。由于DCS的控制器、励磁系统控制器、发变组保护装置交流电源、消防自动化系统、空预器控制电源等设备对于发电机组来说都是重要辅助设备，电源的可靠性将直接决定着机组的安全，因此，大多数电厂均采用在线式UPS作为此类设备的工作电源[1]。为了进一步提高UPS母线连续供电的可靠性，采用了双机(热备份)向母线供电，即2台UPS并列运行，任何一台因故障退出时，另一台仍能可靠地保证负载不失电。对于UPS，采用3路电源保证自身输出的可靠性，分别是交流380 V三相输入电源、交流220 V单相旁路输入电源、直流220 V输入电源，3路电源互相可以无扰动地切换，任何一路输入电源正常即可保证UPS自身的额定输出[2]。

2 案例

双机并列式UPS的优点是保证母线上设备的连续可靠供电，备用容量大；缺点是单套装置有多路电源来实现切换，输出并列的方式在配置上需要添加电气隔离元件，在一定程度上增加了故障点和运行人员的操作难度。对于运行中的UPS，需要检查其中的一个UPS装置，安全措施实现难度大，带电部位多。由于系统复杂，操作步骤繁琐，恢复方式看似灵活，但稍有偏差就会使设备运行存在严重安全隐患[3]。

2.1 实际案例

2015-03-16 T 15:37,5A/5B空预器主电机同时跳闸，DCS画面无故障报警，15 s后5A/5B空预器辅电机联启，5A空预器运行正常，5B空预器因机械耦合器脱扣，未正常联启。检查5A/5B空预器就地控制箱未发现异常，5B空预器主电机绝缘正常。18：42 启5B空预器主电机成功，5B空预器恢复正常运行。

2.2 现场检查情况

(1)5A/5B空预器电源。5A/5B空预器主、辅电机控制回路总电源取自热工仪表盘，热工仪表盘由UPS供电；5A/5B空预器主电机电源分别取自炉MCC A/B段、5A/5B空预器辅电机电源取自炉保安MCC 段。5A/5B空预器电源回路如图2所示。

图2 5A/5B空预器电源回路

(2)5A/5B空预器主、辅电机控制部分。以5B空预器为例，空预器主辅电机变频器就地检查无异常,5B空预器辅电机变频器显示电流16.20 A ；空预器控制把手置于远程位置。当DCS远方启动主或辅电机时，控制柜就地柜通过扩展继电器实现保持回路，主或辅电机变频器启动，变频器二次接线电源由变频器自带控制，变频器启停控制由中间继电器KA1常开接点控制，常开接点闭合变频器启动，常开接点断开变频器停止。空预器主辅电机启动回路互相闭锁，防止空预器主辅电机同时运行[4]。

(3)空预器主电机运行信号由变频器扩展继电器KA1(辅电机为KA17)常开接点送至DCS；当空预器主电机控制电源波动时，中间继电器KA1瞬间失电，常开接点断开，变频器停止，DCS空预器主电机停止运行信号发出。同理，当热工仪表盘电源电压波动时，运行的5A/5B空预器主电机控制回路瞬间失电，5A/5B空预器主电机变频器停止，DCS空预器主电机停止运行信号发出，由热工保护联启5A/5B空预器辅电机。

(4)经查，热工“#5机DCS电源失电(UPS)光字牌”外接报警发出。

(5)初步结论：5A/5B空预器主电机同时停运，是5A/5B空预器主辅电机控制回路电源瞬间失电或剧烈波动引起的。

根据现场运行人员操作记录和UPS装置上的事件顺序记录查找发现，发生空预器跳闸时恰好有运行人员操作。其原因是，UPS1有异常报警，14：00检修人员对UPS1进行了停电检查，排除故障；15:30运行人员开始对UPS1装置恢复，在利用Q094开关与UPS母线并列后启动过程中(15:37)出现2台空预器跳闸情况。事后查找出其操作步骤是先合Q094开关，后启动UPS1升压并列。

3 试验

根据UPS1在恢复阶段，UPS母线电压波动造成机组出现异常情况的初步判断结论，对造成波动的具体操作环节进行查找。查找方向主要针对运行人员的两个操作阶段，一个是先合上Q094开关，另一个是启动UPS1升压，进而来研究该系统在一台不停电电源装置带负荷运行期间，另外一台向系统恢复供电的无扰动操作程序，以确保机组的安全。

3.1 试验过程

利用便携式故障录波仪在UPS2的输出开关和母线上分别采集电流I和电压U，接线如图1所示。根据查找思路，分别记录4组波形。

第1组：双机并列运行时的UPS母线电压、UPS2输出电流波形(如图3所示)。由波形可见，正常运行时电压峰值约302.00V(瞬时值)，电流波形无失真，峰值约70.00A(瞬时值)。

图3 正常并列运行波形

图4 工作状态下合UPS1输出开关并列

第2组：UPS2工作，UPS1零起升压至合格电压后，再用Q094开关与系统并列时的UPS母线电压和UPS2输出电流波形(如图4所示)。由图4可见，在并列时，UPS2输出电流出现32.180ms的短时波动，幅值由并列前的128.00A(瞬时峰值)波动至最大320.00A(瞬时峰值)后稳定在39.00A(瞬时峰值)；UPS母线电压在达到负向最大时有2.583ms的短时波动，波动范围为16.27V，无间断。

第3组：UPS2工作，UPS1合Q094后的波形(如图5所示)以及合Q094后再零起升压的波形(如图6所示)。(1)由图5可见，在UPS1无电压情况下，直接合Q094开关，母线电压由300.00V(瞬时峰值)瞬间降至172.50V(瞬时值)，UPS2的输出电流也陡增至反向913.33A(瞬时值)，波动剧烈。(2)在合Q094开关的状态下，对UPS1零起升压，即先并列再升压。由图6可见，母线电压无明显波动，UPS2输出电流有29.890ms的波形失真。

第4组：利用Q050 3个位置无断点切换的特性，将2台UPS均转至旁路运行(由大旁路开关Q050开关带UPS母线负载运行，先合UPS1的Q092开关使旁路并列，此时Q094与Q095下口的公共输出点被Q050切至“悬空”位，且静态开关处于关断状态)，待UPS1零起升压输出正常后合Q094开关，在2个UPS装置的静态开关均未激活状态下，再把输出公共点切至静态开关和大旁路同时可带负载位置，确认UPS装置的同步指示灯正常后，将静态开关EN激活，此时2个UPS的逆变器将自动关断，由内部的静态开关同时带负载，再将UPS的静态开关切回到逆变器带负载，即可平稳恢复。整个过程只有最后一步时，电流出现小幅失真，其他过程无明显异常，如图7所示。

图5 关机状态下合UPS1输出开关

图6 先并列后上电UPS1

3.2 试验分析

由以上操作的录波图来看，在第2组试验过程中，由于Q094开关两侧的电源存在非同期，造成合闸后的短时振荡；在第3组试验过程中，由于GB1变压器在Q094开关合闸瞬间，UPS1的输出加入了(相对UPS容量)较大的变压器(GB1容量为65kV·A)，出现了励磁涌流，造成系统电压剧烈震荡，甚至UPS2出现了严重过载情况，如果在电压瞬时值为零时合闸，情况最严重[5]。

图7 母线由双机旁路切回双机并列输出侧

4 结论

从3种并机方式的结果来看，第3组试验中的操作方式是最严重的，而运行人员恰好采用了这种对系统冲击最大的并机方式，才造成了空气预热器主电机控制回路失电的情况发生。正确处理措施：应该在检修前将UPS装置切换至外部旁路带负荷运行，双UPS关机进行检修；结束时，先将双UPS启动至输出正常，再有外部旁路电源按照操作说明，利用UPS静态开关切换至UPS装置逆变器输出工作。

[1]赵艳丽, 高学义.浅谈交流不停电电源(UPS)在发电厂中的应用[J].内蒙古石油化工, 2010,36(3):74-75.

[2]王其英,何春华.新型UPS工作原理与实用技术及选购指南[M].北京:人民邮电出版社, 2006：8.

[3]王其英,刘秀荣.新型不停电电源(USP)的管理使用与维护[M].北京:人民邮电出版社，2005:273-275.

[4]王建华.电气工程师手册[M].3版.北京:机械工业出版社,2006:469-470.

[5]邓代记.关于励磁涌流问题的探讨[C]//中国电机工程学会继电保护专业委员会.中国电机工程学会继电保护专业委员会全国保护和控制学术研讨会论文集, 2007.

(本文责编：白银雷)

2017-01-10；

2017-02-10

TM 711

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1674-1951(2017)02-0026-05

杨峻峰(1982—)，男，辽宁铁岭人，工程师，从事火力发电厂继电保护与励磁设备的检修工作(E-mail:giohpen@163.com)。