燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程中UPS逆變不同步報(bào)警原因分析及處理

深圳市廣前電力有限公司 鐘億森

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)，需要由SFC（靜止變頻器）將燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子加速到自持的轉(zhuǎn)速，使得燃?xì)廨啓C(jī)能產(chǎn)生足夠的動(dòng)能帶動(dòng)它繼續(xù)加速運(yùn)行。SFC由變壓器、DC電抗器、整流器、逆變器等組成，運(yùn)行時(shí)從單元機(jī)組6kV廠用電系統(tǒng)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(dòng)發(fā)電機(jī)平穩(wěn)升速，期間容易對(duì)廠用電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波污染。機(jī)組UPS系統(tǒng)改造后選用VERTIV公司生產(chǎn)的Chloride FP 80k 3x1系列在線式UPS，UPS旁路電源取自對(duì)應(yīng)機(jī)組380V廠用電系統(tǒng)。在對(duì)應(yīng)機(jī)組SFC啟動(dòng)過程中UPS頻發(fā)逆變不同步報(bào)警，每次報(bào)警持續(xù)時(shí)間幾秒到幾分鐘不等，SFC啟動(dòng)完成后自動(dòng)復(fù)歸。

1 報(bào)警現(xiàn)象

根據(jù)設(shè)備廠家報(bào)警邏輯設(shè)置，UPS主機(jī)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(cè)DSP就會(huì)報(bào)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(dāng)逆變器跟蹤旁路或者輸出時(shí)，逆變器電壓超過后臺(tái)設(shè)定范圍的-2.3%或+2.3%時(shí)；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(shí)。在燃?xì)廨啓C(jī)由SFC拖動(dòng)啟機(jī)，UPS報(bào)逆變不同步報(bào)警的各個(gè)時(shí)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?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)前后

首先測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)。在燃?xì)廨啓C(jī)開啟前UPS波形正常，在SFC啟動(dòng)瞬間廠用電系統(tǒng)受到較小沖擊，此時(shí)頻率相位變化不大，UPS可跟蹤旁路，未出現(xiàn)逆變器不同步告警。

1.2 SFC加速至0～700轉(zhuǎn)期間

接著燃?xì)廨啓C(jī)通過SFC啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速從0～700轉(zhuǎn)提升，此階段持續(xù)約2分鐘，UPS連續(xù)告逆變器不同步告警，發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定在700轉(zhuǎn)后UPS告警消失一段時(shí)間，整個(gè)升速過程系統(tǒng)波形見波形1，可看出廠用電頻率確實(shí)發(fā)生變化，且可看到部分紋理變化較快，對(duì)應(yīng)的是燃機(jī)0～700轉(zhuǎn)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(chǎn)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(nèi)，UPS輸出相位基本一致。從波形2可看出，隨著燃?xì)廨啓C(jī)升速，UPS輸出與旁路相位開始產(chǎn)生相位差。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)波形圖

從波形3可看出，燃機(jī)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(shí)相差遠(yuǎn)大于6度（UPS同步條件允許范圍），出現(xiàn)逆變器不同步告警。對(duì)此時(shí)的旁路輸出電壓進(jìn)行諧波頻譜分析，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致了波形的畸變，進(jìn)而影響到電壓頻率的實(shí)時(shí)測(cè)量。在燃機(jī)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(huì)持續(xù)加大，隨著燃機(jī)加速度降低后電網(wǎng)頻率變化也將減緩。在這個(gè)過程中，只要廠用電頻率在UPS的跟蹤范圍內(nèi)（系統(tǒng)默認(rèn)可跟蹤范圍為48～52Hz），UPS將會(huì)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?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定在700轉(zhuǎn)時(shí)，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(xù)減小，最終趨于同步。在燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定在700轉(zhuǎn)燃機(jī)準(zhǔn)備點(diǎn)火時(shí)，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(xù)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(shí)消失。

逆變不同步告警發(fā)生時(shí)，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(shù)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(xù)地在49.5～50.5Hz間快速變化，所以UPS輸出電壓相位仍有段時(shí)間的小幅擺動(dòng)（動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程）。

1.3 機(jī)組點(diǎn)火至SFC退出

燃機(jī)升速至700轉(zhuǎn)后，燃機(jī)點(diǎn)火成功SFC繼續(xù)帶動(dòng)機(jī)組升速至2000轉(zhuǎn)退出，在此過程中UPS偶發(fā)逆變不同步告警，錄得波形及現(xiàn)象與0～700轉(zhuǎn)速區(qū)間相似。

1.4 燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)完畢后

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)完畢后，旁路電壓波形恢復(fù)正常，廠用電頻率穩(wěn)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(rèn)為48～52Hz，當(dāng)旁路頻率在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，UPS將持續(xù)地跟蹤旁路電壓的頻率和相位。頻率超出范圍后UPS將進(jìn)入本振狀態(tài)，頻率、相位與旁路無關(guān)。UPS的頻率跟蹤速率默認(rèn)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(diào)節(jié)變化。如：當(dāng)旁路頻率由50Hz突然跳變到51Hz并穩(wěn)定在51Hz時(shí)，UPS的輸出頻率將在允許的跟蹤速率下隨時(shí)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(dāng)頻率相同后相位才能進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)同步。

因此，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形可知，在SFC拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)升速時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)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(duì)廠用電基波的幅值和相位進(jìn)行有效的計(jì)算，降低高次諧波干擾，但燃機(jī)在升速過程中實(shí)測(cè)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(dāng)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(jié)及處理措施

UPS由于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組拖動(dòng)升速過程中，旁路頻率變化速度超出UPS跟蹤速度，導(dǎo)致UPS輸出相位與旁路相位產(chǎn)生差值，所以UPS提示了逆變器不同步告警。待SFC退出發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，UPS的相位與旁路相位能恢復(fù)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(jù)上述報(bào)警情況及原因分析，在帶SFC啟動(dòng)的燃機(jī)電廠選用UPS時(shí)應(yīng)注意關(guān)注廠用電的諧波含量，若諧波含量較高應(yīng)采取有效措施解決。根據(jù)此報(bào)警出現(xiàn)的特點(diǎn)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(dòng)過程中加強(qiáng)對(duì)UPS系統(tǒng)的巡視管理，SFC啟動(dòng)結(jié)束后檢查UPS系統(tǒng)報(bào)警復(fù)歸、輸出無異常即可；更改UPS的頻率跟蹤速率。為適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)電廠特殊使用場(chǎng)景，使用后臺(tái)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(huì)使得UPS主機(jī)輸出電壓頻率短時(shí)以較大的速率變化，在UPS所帶負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合較不適用；在旁路柜設(shè)計(jì)時(shí)考慮在輸入側(cè)增加濾波裝置，改善廠用電電壓波形；在SFC隔離變輸入測(cè)選用符合其性能特點(diǎn)的諧波濾波裝置，從根本上減小諧波對(duì)廠用電系統(tǒng)的影響。

3 結(jié)語

綜上所述，本次機(jī)組用UPS系統(tǒng)升級(jí)改造后，在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程中頻發(fā)逆變不同步報(bào)警的主要原因是SFC系統(tǒng)對(duì)廠用電產(chǎn)生的諧波污染。UPS系統(tǒng)為了保證在逆變器故障的情況下能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切換至旁路電源供電，會(huì)時(shí)刻保持對(duì)旁路電源的跟蹤。當(dāng)旁路電源諧波含量高、頻率變化快、波形畸變嚴(yán)重時(shí)，若UPS對(duì)輸出電壓穩(wěn)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(jī)電廠UPS選型時(shí)應(yīng)充分考慮廠用電電源質(zhì)量對(duì)UPS的影響，對(duì)UPS的控制邏輯及性能參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)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(fù)荷對(duì)電源質(zhì)量的高可靠要求。