燃氣輪機啟動過程中UPS逆變不同步報警原因分析及處理

深圳市廣前電力有限公司 鐘億森

燃氣輪機啟動時，需要由SFC（靜止變頻器）將燃氣輪機和發電機的轉子加速到自持的轉速，使得燃氣輪機能產生足夠的動能帶動它繼續加速運行。SFC由變壓器、DC電抗器、整流器、逆變器等組成，運行時從單元機組6kV廠用電系統取電，通過大功率電力電子元器件將電壓和頻率恒定的電源變換成電壓和頻率可變的電源帶動發電機平穩升速，期間容易對廠用電系統產生諧波污染。機組UPS系統改造后選用VERTIV公司生產的Chloride FP 80k 3x1系列在線式UPS，UPS旁路電源取自對應機組380V廠用電系統。在對應機組SFC啟動過程中UPS頻發逆變不同步報警，每次報警持續時間幾秒到幾分鐘不等，SFC啟動完成后自動復歸。

1 報警現象

根據設備廠家報警邏輯設置，UPS主機頻率跟蹤速率為1Hz/s，UPS逆變開啟后，滿足下列條件之一逆變側DSP就會報出逆變不同步告警：逆變器電壓和跟蹤源電壓的相位差超過6度；逆變器處于本振；當逆變器跟蹤旁路或者輸出時，逆變器電壓超過后臺設定范圍的-2.3%或+2.3%時；逆變器電壓的有效值超出跟蹤源（旁路或輸出）的-1.15%或+1.15%時。在燃氣輪機由SFC拖動啟機，UPS報逆變不同步報警的各個時間段，用示波器分別錄取UPS旁路柜輸入電壓波形、旁路柜輸出電壓波形及UPS逆變輸出電壓波形。

1.1 燃氣輪機啟動前后

首先測試整個系統。在燃氣輪機開啟前UPS波形正常，在SFC啟動瞬間廠用電系統受到較小沖擊，此時頻率相位變化不大，UPS可跟蹤旁路，未出現逆變器不同步告警。

1.2 SFC加速至0～700轉期間

接著燃氣輪機通過SFC啟動，轉速從0～700轉提升，此階段持續約2分鐘，UPS連續告逆變器不同步告警，發電機組穩定在700轉后UPS告警消失一段時間，整個升速過程系統波形見波形1，可看出廠用電頻率確實發生變化，且可看到部分紋理變化較快，對應的是燃機0～700轉加速過程，UPS輸出與旁路（廠用電）電壓相位形成了相位差，此過程產生逆變器不同步告警。從波形1可看出，廠用電電壓波形存在部分畸變，但旁路相位在跟蹤范圍內，UPS輸出相位基本一致。從波形2可看出，隨著燃氣輪機升速，UPS輸出與旁路相位開始產生相位差。

圖1 燃氣輪機相關波形圖

從波形3可看出，燃機處于加速過程旁路電壓波形畸變較大，UPS輸出相位與旁路相位差較大，此時相差遠大于6度（UPS同步條件允許范圍），出現逆變器不同步告警。對此時的旁路輸出電壓進行諧波頻譜分析，發現電壓中含有較高的諧波分量，并主要以五次諧波為主，從而導致了波形的畸變，進而影響到電壓頻率的實時測量。在燃機加速過程中，旁路電壓頻率的變化速度大于UPS的跟蹤速度（UPS跟蹤速度為1Hz/s），所以在加速初期兩者的相差會持續加大，隨著燃機加速度降低后電網頻率變化也將減緩。在這個過程中，只要廠用電頻率在UPS的跟蹤范圍內（系統默認可跟蹤范圍為48～52Hz），UPS將會一直跟蹤旁路電壓的頻率，從而減小與旁路的相差。

從波形4可看出，在燃氣輪機轉速趨于穩定在700轉時，旁路電壓波形畸變減小，UPS輸出相位與旁路電壓相位相差持續減小，最終趨于同步。在燃氣輪機穩定在700轉燃機準備點火時，電壓波形畸變減小，旁路電壓頻率在49.5～50.5Hz間快速變化，UPS持續地跟蹤著旁路頻率輸出相位與旁路相位同步，逆變器不同步告警暫時消失。

逆變不同步告警發生時，若廠用電電壓波形畸變程度下降、頻率變化范圍變小，可明顯看到UPS相位與旁路電壓相位相差逐漸縮小，數秒后相位基本跟上了旁路相位。跟蹤過程中廠用電頻率持續地在49.5～50.5Hz間快速變化，所以UPS輸出電壓相位仍有段時間的小幅擺動（動態調節過程）。

1.3 機組點火至SFC退出

燃機升速至700轉后，燃機點火成功SFC繼續帶動機組升速至2000轉退出，在此過程中UPS偶發逆變不同步告警，錄得波形及現象與0～700轉速區間相似。

1.4 燃氣輪機啟動完畢后

燃氣輪機啟動完畢后，旁路電壓波形恢復正常，廠用電頻率穩定，UPS輸出相位與旁路相位能后保持同步跟蹤。

1.5 原因分析

UPS的頻率跟蹤范圍默認為48～52Hz，當旁路頻率在這個范圍內時，UPS將持續地跟蹤旁路電壓的頻率和相位。頻率超出范圍后UPS將進入本振狀態，頻率、相位與旁路無關。UPS的頻率跟蹤速率默認為1Hz/s，UPS的輸出電壓頻率和相位不允許突變而只能逐漸地調節變化。如：當旁路頻率由50Hz突然跳變到51Hz并穩定在51Hz時，UPS的輸出頻率將在允許的跟蹤速率下隨時間變化逐漸增大輸出電壓頻率，分別為50.1Hz、50.2Hz、50.3Hz…51Hz。在跟蹤過程中，輸出電壓相位與旁路相位是一直在變化的，只有當頻率相同后相位才能進行相應的調節同步。

因此，從現場測試波形可知，在SFC拖動燃氣輪機升速時出現兩個問題，旁路電壓的諧波較大和旁路頻率的小幅度快速的變化。雖然UPS可通過軟件的檢波方式對廠用電基波的幅值和相位進行有效的計算，降低高次諧波干擾，但燃機在升速過程中實測的旁路頻率變化速率是大于UPS的跟蹤速率的，且在加速初期變化速率最大，當相位差值大于6度后UPS將提示逆變不同步告警。

2 事件總結及處理措施

UPS由于燃氣發電機組拖動升速過程中，旁路頻率變化速度超出UPS跟蹤速度，導致UPS輸出相位與旁路相位產生差值，所以UPS提示了逆變器不同步告警。待SFC退出發電機組轉速穩定后，UPS的相位與旁路相位能恢復同步，逆變器不同步告警信息消失，聲音告警需要人為清除。根據上述報警情況及原因分析，在帶SFC啟動的燃機電廠選用UPS時應注意關注廠用電的諧波含量，若諧波含量較高應采取有效措施解決。根據此報警出現的特點可考慮采取以下措施處理：

不做特殊處理。考慮到UPS帶有后備蓄電池組，在SFC啟動過程中加強對UPS系統的巡視管理，SFC啟動結束后檢查UPS系統報警復歸、輸出無異常即可；更改UPS的頻率跟蹤速率。為適應燃氣輪機電廠特殊使用場景，使用后臺軟件修改UPS的輸出跟蹤速率，通過加快UPS的跟蹤速率可減小UPS輸出與旁路的相差，改善不同步告警的情況。此方案會使得UPS主機輸出電壓頻率短時以較大的速率變化，在UPS所帶負荷對電能質量要求較高的場合較不適用；在旁路柜設計時考慮在輸入側增加濾波裝置，改善廠用電電壓波形；在SFC隔離變輸入測選用符合其性能特點的諧波濾波裝置，從根本上減小諧波對廠用電系統的影響。

3 結語

綜上所述，本次機組用UPS系統升級改造后，在燃氣輪機啟動過程中頻發逆變不同步報警的主要原因是SFC系統對廠用電產生的諧波污染。UPS系統為了保證在逆變器故障的情況下能夠在規定時間內切換至旁路電源供電，會時刻保持對旁路電源的跟蹤。當旁路電源諧波含量高、頻率變化快、波形畸變嚴重時，若UPS對輸出電壓穩定性要求較高、頻率跟蹤速率較慢，則難免與旁路電源失去同步。因此，在燃機電廠UPS選型時應充分考慮廠用電電源質量對UPS的影響，對UPS的控制邏輯及性能參數進行適當的優化和匹配性修改，使其在正常工況下均能滿足交流不停電負荷對電源質量的高可靠要求。