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【摘 要】基于对某电厂发电机组用UPS的并机运行原理及其存在的环流问题分析，讨论了并机运行中出现的锁相保护动作致使UPS自动关机负载全部失电，进而影响机组安全稳定运行问题，并提出了将UPS并机运行模式改为串机热备用运行模式的解决方案。
【关键词】UPS 并机运行 环流 锁相 串机热备用运行
0引言
UPS作为在事故情况下能提供可靠不停电电源的设备，在现今的电力系统中得到了广泛的应用。一般情况下，电厂的每台发电机组均配置两台UPS，通常一台处于工作状态，另一台处于冷备用状态。
某电厂火电机组的装机容量为2×600MW的火电机组，单台机组配套SDP31060型UPS，采用2台UPS并机运行的主从机模式，但這种并机运行模式的UPS在实际应用中出现了因环流问题导致锁相保护动作致使UPS失电，影响机组安全稳定运行的重大设备隐患。本文基于对并机运行原理的讨论，分析了其存在的环流问题，并制定了相应的解决方案。
1并机运行原理
两台UPS采用主从机冗余并机运行模式，其输出并接在同一母线上，正常运行时，主从两台UPS平均分担负载，互为热备用状态。当其中一台UPS发生故障时，在并机控制系统的调控下，故障的UPS将自动退出运行，同时非故障的UPS实现无时限切换，并带100%负荷运行。其最大优点是解决了单机容量小，不能满足负荷需要的供电量问题；其次是一台UPS突然故障时，仍有另一台供电。并机运行原理图如图1所示。
2双机之间环流问题
某日，电厂2号机组在检修过程中对锅炉保安MCCⅡ段馈线开关进行停电检修时，发生了2号机组DCS所有工程师站和操作员站失电的现象。经过初步检查和试验发现，当2号机组两台UPS的主路电源和直流电源正常工作而旁路电源（共用同一旁路电源且取自锅炉保安MCCⅡ段）瞬间失电时，两台UPS同时自动关机，负载全部失电。进一步对该并机运行的UPS进行综合分析，以现场应用为出发点，发现其在设计逻辑上存在缺陷——在设计逻辑上没有很好地解决因旁路电源失电时，主从机之间环流增大导致锁相失锁的问题。
锁相技术是一种利用反馈控制原理使被控振荡器的频率和相位受标准信号控制的一种技术，用来实现与标准信号相位同步，或跟踪标准信号的频率或相位。两台UPS并机运行时要求逆变输出之间必须达到同步，否则会出现非同期现象而损坏设备，达到同步的这一过程就是利用锁相技术实现的。在该主从并机运行的UPS设计逻辑中，旁路电源被用来作为标准信号，其控制方式为主机逆变输出跟踪旁路电源，从机逆变输出跟踪主机逆变输出，当旁路电源频率振荡而无法锁相运行时，UPS切换至旁路运行。在设计逻辑中，从机逆变输出跟踪主机逆变输出而不是跟踪旁路电源，其目的是为了保证两台UPS输出之间压差尽可能小，从而产生尽可能小的环流，这在理论上是行得通的，但在实际应用中却因为受标准信号选取对象的限制，存在着严重的安全隐患。
在上述事例中，当并机运行的UPS旁路电源失电时，旁路电源频率的标准信号消失，主从机之间的跟踪环节开始出现不稳定情况，相角发生摆动，逆变单元跟踪发生紊乱，当环流增大到可能损坏UPS逆变器时，锁相失锁，锁相环流保护动作，设计逻辑将UPS切换至旁路运行而此时旁路电源已经失电，所以两台UPS自动关机，负载全部失电。在电厂实际应用中，旁路电源是取自锅炉保安MCCⅡ段，在事故情况下，锅炉保安MCCⅡ段会出现瞬间失电现象，因此基于锅炉保安MCCⅡ段不会失电的设计，选择该电源作为标准信号，这就为事故情况下UPS自动关机，负载全部失电埋下了严重地安全隐患。
并机运行时由于两台UPS输出电压之间存在压差，所以存在一定的环流。一方面在设计上，考虑允许小于额定电流的2%-5%环流存在而不影响并机的稳定运行；另一方面增加负荷量会降低环流，即负荷能够起到一定的泄漏电流的作用。一般来说，单机带载量达到额定电流的30%，就可以有效降低环流，而该并机运行的UPS设计容量偏大，正常运行时，该单机带载量为额定电流的12%，主从机之间的环流相对较大，加之该UPS抑制环流的能力偏弱，长期处于较低带载率（一般为低于额定电流的20%）运行时，不利于UPS的长期安全稳定运行。
3解决措施
基于对产生环流原因的分析，同时考虑到两台UPS并机运行的主要目的是扩容而不是冗余，并经过多次讨论论证，在现场无法修改设计逻辑的情况下，考虑改变两台UPS的运行方式以解决存在的环流问题并且提高UPS的带载率，从而降低UPS的故障率并解决稳定性差的问题，本文提出如下2套解决措施。
措施1：串机热备用运行即UPS主机主路和直流正常运行，将主机原旁路电源拆除，从机的输出作为主机的旁路输入，从机主路、直流和旁路电源正常运行，从机作为热备用。这样UPS即使在旁路工作时仍是一台完整的UPS，保证了供电质量，这种运行方式也摆脱了锅炉保安MCCⅡ段永远不会失电的思维定式限制，运行更加稳定，停电事故率极低。同时，该种运行方式也降低了操作的复杂程度，大大降低了人员误操作的概率。
措施2：单机运行即UPS主机主路、直流和旁路电源正常运行，主机正常运行；将从机主路、直流和旁路电源断开，从机作为冷备用。而因为该UPS旁路稳压柜是电子式的，抗冲击能力稍差，切换至旁路时可控硅可能烧损，当可控硅烧损时，旁路稳压柜将自动切换至自身的旁路模式运行，此过程可能会使UPS负荷短时失电。此外，为保证主机在事故情况下从机能可靠投入运行，需要对主从机进行定期倒换，在倒换过程中存在UPS负载失电的可能性。
考虑到现场的供电方式、设备倒换的安全性和可操作性，最终选择了措施1，即将两台UPS运行方式改为串机热备用方式。在串机热备用运行方式下对两台UPS进行了相应的切换试验和外部电源失电试验，切换时间小于3ms，满足规程指标要求，所带负载没有发生失电现象。从试验结果看，串机热备用运行方式从根源上解决了UPS并机运行时产生的环流问题，也解决了高度依赖锅炉保安MCCⅡ段电源可靠性的问题，大大提高了UPS供电运行的可靠性，增强了机组安全运行的稳定性。
4结束语
在大电网的时代背景下，UPS在发电厂的电源系统中，其地位的重要性不言而喻，肩负着为DCS、ETS和远动系统等重要系统供电的使命，在机组运行中，一旦该系统出现故障或瘫痪，轻则出现设备跳闸、机组非停、与调度传送的信息中断等后果，重则出现运行设备失去控制而导致设备损坏、人员伤亡等无法想象的严重后果。能否提供可靠的交流电源是衡量UPS性能的唯一标准，因此，熟悉UPS并机运行机理，发现UPS存在的缺陷，制定并实施有效的整改方案，对电厂的安全、稳定、可靠运行有着非常重要的意义。
参考文献：
[1] 《UPS电源维修手册》，徐国家，电子工业出版社
[2] 《锁相技术》，张厥盛，西安电子科技大学出版社
[3] 《现代UPS电源及电路图集》，李成章，电子工业出版社
[4] 《大中型火力发电厂设计规范》
[5] 《SDP31060型UPS用户手册》
【关键词】UPS 并机运行 环流 锁相 串机热备用运行
0引言
UPS作为在事故情况下能提供可靠不停电电源的设备，在现今的电力系统中得到了广泛的应用。一般情况下，电厂的每台发电机组均配置两台UPS，通常一台处于工作状态，另一台处于冷备用状态。
某电厂火电机组的装机容量为2×600MW的火电机组，单台机组配套SDP31060型UPS，采用2台UPS并机运行的主从机模式，但這种并机运行模式的UPS在实际应用中出现了因环流问题导致锁相保护动作致使UPS失电，影响机组安全稳定运行的重大设备隐患。本文基于对并机运行原理的讨论，分析了其存在的环流问题，并制定了相应的解决方案。
1并机运行原理
两台UPS采用主从机冗余并机运行模式，其输出并接在同一母线上，正常运行时，主从两台UPS平均分担负载，互为热备用状态。当其中一台UPS发生故障时，在并机控制系统的调控下，故障的UPS将自动退出运行，同时非故障的UPS实现无时限切换，并带100%负荷运行。其最大优点是解决了单机容量小，不能满足负荷需要的供电量问题；其次是一台UPS突然故障时，仍有另一台供电。并机运行原理图如图1所示。
2双机之间环流问题
某日，电厂2号机组在检修过程中对锅炉保安MCCⅡ段馈线开关进行停电检修时，发生了2号机组DCS所有工程师站和操作员站失电的现象。经过初步检查和试验发现，当2号机组两台UPS的主路电源和直流电源正常工作而旁路电源（共用同一旁路电源且取自锅炉保安MCCⅡ段）瞬间失电时，两台UPS同时自动关机，负载全部失电。进一步对该并机运行的UPS进行综合分析，以现场应用为出发点，发现其在设计逻辑上存在缺陷——在设计逻辑上没有很好地解决因旁路电源失电时，主从机之间环流增大导致锁相失锁的问题。
锁相技术是一种利用反馈控制原理使被控振荡器的频率和相位受标准信号控制的一种技术，用来实现与标准信号相位同步，或跟踪标准信号的频率或相位。两台UPS并机运行时要求逆变输出之间必须达到同步，否则会出现非同期现象而损坏设备，达到同步的这一过程就是利用锁相技术实现的。在该主从并机运行的UPS设计逻辑中，旁路电源被用来作为标准信号，其控制方式为主机逆变输出跟踪旁路电源，从机逆变输出跟踪主机逆变输出，当旁路电源频率振荡而无法锁相运行时，UPS切换至旁路运行。在设计逻辑中，从机逆变输出跟踪主机逆变输出而不是跟踪旁路电源，其目的是为了保证两台UPS输出之间压差尽可能小，从而产生尽可能小的环流，这在理论上是行得通的，但在实际应用中却因为受标准信号选取对象的限制，存在着严重的安全隐患。
在上述事例中，当并机运行的UPS旁路电源失电时，旁路电源频率的标准信号消失，主从机之间的跟踪环节开始出现不稳定情况，相角发生摆动，逆变单元跟踪发生紊乱，当环流增大到可能损坏UPS逆变器时，锁相失锁，锁相环流保护动作，设计逻辑将UPS切换至旁路运行而此时旁路电源已经失电，所以两台UPS自动关机，负载全部失电。在电厂实际应用中，旁路电源是取自锅炉保安MCCⅡ段，在事故情况下，锅炉保安MCCⅡ段会出现瞬间失电现象，因此基于锅炉保安MCCⅡ段不会失电的设计，选择该电源作为标准信号，这就为事故情况下UPS自动关机，负载全部失电埋下了严重地安全隐患。
并机运行时由于两台UPS输出电压之间存在压差，所以存在一定的环流。一方面在设计上，考虑允许小于额定电流的2%-5%环流存在而不影响并机的稳定运行；另一方面增加负荷量会降低环流，即负荷能够起到一定的泄漏电流的作用。一般来说，单机带载量达到额定电流的30%，就可以有效降低环流，而该并机运行的UPS设计容量偏大，正常运行时，该单机带载量为额定电流的12%，主从机之间的环流相对较大，加之该UPS抑制环流的能力偏弱，长期处于较低带载率（一般为低于额定电流的20%）运行时，不利于UPS的长期安全稳定运行。
3解决措施
基于对产生环流原因的分析，同时考虑到两台UPS并机运行的主要目的是扩容而不是冗余，并经过多次讨论论证，在现场无法修改设计逻辑的情况下，考虑改变两台UPS的运行方式以解决存在的环流问题并且提高UPS的带载率，从而降低UPS的故障率并解决稳定性差的问题，本文提出如下2套解决措施。
措施1：串机热备用运行即UPS主机主路和直流正常运行，将主机原旁路电源拆除，从机的输出作为主机的旁路输入，从机主路、直流和旁路电源正常运行，从机作为热备用。这样UPS即使在旁路工作时仍是一台完整的UPS，保证了供电质量，这种运行方式也摆脱了锅炉保安MCCⅡ段永远不会失电的思维定式限制，运行更加稳定，停电事故率极低。同时，该种运行方式也降低了操作的复杂程度，大大降低了人员误操作的概率。
措施2：单机运行即UPS主机主路、直流和旁路电源正常运行，主机正常运行；将从机主路、直流和旁路电源断开，从机作为冷备用。而因为该UPS旁路稳压柜是电子式的，抗冲击能力稍差，切换至旁路时可控硅可能烧损，当可控硅烧损时，旁路稳压柜将自动切换至自身的旁路模式运行，此过程可能会使UPS负荷短时失电。此外，为保证主机在事故情况下从机能可靠投入运行，需要对主从机进行定期倒换，在倒换过程中存在UPS负载失电的可能性。
考虑到现场的供电方式、设备倒换的安全性和可操作性，最终选择了措施1，即将两台UPS运行方式改为串机热备用方式。在串机热备用运行方式下对两台UPS进行了相应的切换试验和外部电源失电试验，切换时间小于3ms，满足规程指标要求，所带负载没有发生失电现象。从试验结果看，串机热备用运行方式从根源上解决了UPS并机运行时产生的环流问题，也解决了高度依赖锅炉保安MCCⅡ段电源可靠性的问题，大大提高了UPS供电运行的可靠性，增强了机组安全运行的稳定性。
4结束语
在大电网的时代背景下，UPS在发电厂的电源系统中，其地位的重要性不言而喻，肩负着为DCS、ETS和远动系统等重要系统供电的使命，在机组运行中，一旦该系统出现故障或瘫痪，轻则出现设备跳闸、机组非停、与调度传送的信息中断等后果，重则出现运行设备失去控制而导致设备损坏、人员伤亡等无法想象的严重后果。能否提供可靠的交流电源是衡量UPS性能的唯一标准，因此，熟悉UPS并机运行机理，发现UPS存在的缺陷，制定并实施有效的整改方案，对电厂的安全、稳定、可靠运行有着非常重要的意义。
参考文献：
[1] 《UPS电源维修手册》，徐国家，电子工业出版社
[2] 《锁相技术》，张厥盛，西安电子科技大学出版社
[3] 《现代UPS电源及电路图集》，李成章，电子工业出版社
[4] 《大中型火力发电厂设计规范》
[5] 《SDP31060型UPS用户手册》