淺談UPS不間斷電源在垃圾焚燒發電廠的應用問題

郭長順

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淺談UPS不間斷電源在垃圾焚燒發電廠的應用問題

郭長順

（佛山市南海綠電再生能源有限公司，廣東 佛山 528225）

分析某垃圾焚燒發電廠使用的美國CNC BEST POWER公司生產的電力E2001.2系列在線式UPS多次出現主機故障的原因，采用排除法找到問題的關鍵，并針對這一問題提出相應的解決方案。

垃圾焚燒發電廠；UPS；主機故障；再生能量

電力UPS電源是專為發電廠、變電站等電力行業設計，一般帶單相負載，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、監控系統、自動化儀表、調度通信系統、微機系統等需要交流電的核心設備使用的電源。

1 基本情況

某垃圾焚燒發電廠使用的UPS是美國CNC BEST POWER公司生產的電力E2001.2系列在線式UPS，容量為40 kVA，采用了先進的IGBT功率器件、性能優越的SPWM逆變器及MMBM智能化多模式電池管理技術等國際先進技術，可以在不間斷輸出的情況下實現市電與直流電的切換，具有很高的可靠性。該UPS市電進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直流系統饋電屏，UPS不再單獨配置直流蓄電池組，UPS輸出配置一面交流220 V輸出饋線屏，主要負載有DCS主機電源，#3、#4機DEH、TSI及ETS電源，#3、#4發電機保護電源、主變保護屏電源、計量屏電源、火災報警控制電源，#4、#5、#6爐煙氣監測系統電源等。UPS設有專門的旁路柜，可以在UPS主機故障的情況下自動切換至旁路運行，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投運一年后，在不到八個月的時間內連續兩次出現同樣的UPS主機故障，故障時主機發逆變器故障報警，UPS自動切換至旁路運行，檢查UPS主機柜發現整流輸出保險已熔斷，IGBT模塊被擊穿，且逆變器峰值吸收板上的電解電容爆解，逆變驅動板的EX841元件損壞。

3 原因分析

第一次故障情況出現后，由于設備運行僅一年多時間，而且整個UPS供電系統沒有進行任何改動工作，除了主機故障外也無其他異常情況，因此懷疑是設備質量問題。然而在UPS修復并正常投運半年以后又出現同樣的故障情況，證明問題一直存在，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負載電流在故障前后一直穩定在65～70 A之間，而UPS容量為40 kVA，按80%（標稱額定功率）的阻性負載設計負載能力計算其可帶阻性負載額定電流為145 A，也就是在正常運行時負載率不到50%，因此不可能是過載造成。其次，UPS主機故障后自動切換至旁路運行正常，說明外部回路無永久性故障。接著檢查UPS主機柜內部回路，整流模塊輸出正常，輸出隔離主變壓器正常，逆變回路也沒有短路現象。在更換損壞的逆變驅動板、峰值吸收板及IGBT模塊后，斷開外部回路，測試從輸入380 V電源到整流器輸出再到逆變模塊輸出220 V電壓正常，可排除內部原因導致的故障。在以上檢查完成后再次將UPS主機投入運行正常。

根據以上情況綜合分析，認為故障原因是外部瞬時沖擊造成的，仔細檢查UPS電源各饋線負載，發現接入UPS電源的熱控4#、5#、6#焚燒爐煙氣監測系統帶有冷卻風機之類的感性負載，風機為單相220 V電動機，一共有15臺，每臺額定功率為0.4 kW，額定電流為2.6 A，功率因數為0.7左右，運行總電流為39 A，近似折算為UPS可帶阻性負載電流為55 A，這些風機長期運行，實際上正常運行時還在UPS可承受的負載范圍內，不至于引起UPS故障。但是調出運行值班日志查看歷史記錄，發現曾有多次出現4#爐及5#爐煙氣監測平臺的冷卻風機控制箱，因為被雨水灌入而導致風機總電源開關跳閘事故，由于煙氣在線監測系統屬于熱控專業管轄設備，而其中冷卻風機電機又沒有明確劃分給電氣專業負責，冷卻風機屬于熱控和電氣雙重管轄區域，職責不清晰，相互推諉，因此故障多次出現卻沒有得到重視。

事實上，在同一個電力拖動系統中的一個或多個傳動過程中有時會發生從電機端發電產生的能量反饋到電源供應的UPS或變頻器中來，這種現象叫“再生能量”。眾所周知，電動機在啟動和停止過程中，都將產生反電動勢，由于UPS在電路架構上常用的結構是整流+電池升壓+逆變器的結構，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，能量僅能從市電和電池流動到UPS直流母線上，而不能反向流動，因此UPS從電動機吸收的能量都會保存在UPS的電解電容中，導致UPS中的母線電壓升高，如果超過電容耐壓值，將導致電解電容爆炸或損壞，而且因為電動機啟動時電流一般為額定電流5～7倍，5臺風機電機的啟動將產生65～91 A左右的沖擊電流，多次沖擊對IGBT模塊及峰值吸收模塊造成極大的損害，最終導致UPS出現這種典型的因能量倒灌而產生故障。

4 解決方案

4.1 查明所有UPS饋線所帶感性負載

查明所有UPS饋線所帶感性負載，如電動機、日光燈、空調等，將其從UPS電源系統中剝離出來，另接獨立電源。

4.2 充分利用UPS自身結構來解決再生能源

充分利用UPS自身結構來解決再生能源，比如在市電模式下，最簡單的方式不外乎采用旁路解決，只需配備一個檢測電路，并對UPS主控程序稍加更改即可實現。發現負載回饋的能量過大時，把UPS切換到旁路模式下，通過旁路來吸收電機再生能量。不過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類感性負載工作，就必須用其他的方法。

4.3 對UPS主機加裝能量反饋處理裝置

傳統意義上的UPS并沒有設計使再生能量反饋到三相電源的功能，因此所有UPS從電機吸收的能量都會保存在電解電容中。在UPS應用中，當負載是會產生再生能量的電機時，一般UPS系統比較容易由于電機制動能量回饋到UPS的直流母線的問題而產生逆變器故障或者直流母線高壓故障。為了兼容這種類型負載，UPS系統需要附加額外的功能模塊來達到可靠工作的目的。

最為可靠和簡單的方法是為UPS配備可選的制動模塊，這一設計在變頻器上已經非常成熟，可以很方便移植到UPS上使用。由于傳統上UPS并不具有專門為制動使用的IGBT，所以需要把制動電阻和制動IGBT單獨設計為一個模塊，再加上檢測電路和控制電路組成能量反饋處理裝置，當電機制動時，從電機回饋的能量被檢測到，UPS即可通過中控板輸出信號控制接通制動回路，使得多余的能量以熱方式消耗掉。當然設計時不僅需要充分考慮到檢測電路的靈敏性和可靠性，而且還需要核實制動時最大的電流容量、負載周期和消耗到制動電阻上的額定功率來選擇合適的制動單元，并以連續的方式消耗電能，最終能夠保持母線電壓的平衡，避免設備損壞。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圖

5 總結

在垃圾焚燒發電廠這種相對小規模的機組中，UPS系統接入感性負載可以說不是一種個別現象，因為小機組從客觀上來說并沒有大機組要求的那么嚴格，因此在日常維護中，應該仔細檢查，深入理解設備原理性的設計，認真分析故障情況，不斷總結事故原因才能徹底解決問題，保證機組的安全穩定運行。另外，隨著科技的進步，目前專門針對感性負載設計的UPS已經面世，作為電廠維護人員應該加強知識的更新與學習，更好地面對科技進步帶來的一系列挑戰。

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

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

［3］秦曾惶.電工學［M］.第4版.北京：高等教育出版社，1990.

［4］易龍強.單相在線式數字化UPS的設計研究［D］.長沙：湖南大學，2000.

2095－6835（2019）02－0140－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.140

郭長順（1985—），畢業于山東大學電氣工程學院，本科學士學位，高級工程師。

〔編輯：嚴麗琴〕