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1、UPS电源和柴油发电机组的匹配问题1前言许多重要负载需要为它提供稳定、可靠和不间断的交流电源，如互联网的数据中心(IDC) 和移动通讯系统中的归属位置寄存器(HLR)等。UPS就是为这些关键负载提供交流不间断电 源的设备，在市电正常时，UPS从市电获取能源，经过电力变换和调节，消除市电线路上 的各种干扰，为负载提供频率和电压幅值稳定的纯净电源，使负载能够可靠稳定地运行。在 市电停电后，UPS利用内部蓄电池的储能，经过逆变器的转换，不间断地为负载提供稳定 可靠的交流电源。如果遇到较长时间的停电，显然，仅靠蓄电池供电是不够的，因为蓄电池 的容量有限，不可能长时间地供电，因此，需要为UPS系统配置发
2、电机组来解决长时间停 电的问题。许多现场经验表明，当UPS和选用采用的柴油发电机匹配不当时，会出现一些异常现 象，如发电机的输出电压和频率不稳、电压波形严重失真、绕组发热和震动等，严重时发电 机和UPS根本不能运行。因此，在进行系统设计时应特别注意确保UPS能够很好地与发电 机匹配，要做到这些，我们首先必须了解发电机的负载特性和UPS输入特性。2在线式双变换UPS输入特性目前应用的UPS主要有后备式UPS、在线互动式UPS、在线式双变换UPS和Delta变 换式UPS，在中、大功率的图l在线式双变换UPS系统结构示意图。图1在线或奴变换UPS索统结构示意囹UPS系统中，在线式双变换UPS应用最
3、为广泛，其技术性能也是这几类中最优的，但 与柴油发电机的匹配问题也是这种UPS最为突出，下面我们来分析这种UPs的输入特性： 从该UPS的系统结构可以看出，输入端是一个整流器，在大、中功率的UPS中这种双变换 的UPs 一般都采用三相输入的6脉冲可控硅的相控整流器，如图2。ife图2 &际冲聽海器及A相输人电压、电滤汞息图在经过了整流滤波后，输入电流发生了严重畸变，成了一个脉冲波形，而不是和输入电 压相同的正弦波，图2中给出了A相电压和电流的波形图。B相和C相电压和电流的波形 图是一样的，只是在相位上彼此相差120度，显然，这类UPS作为负载时属于非线性负载。 6脉冲整流器的输入电流，可用富氏
4、级数展开成基波分量和包含有许多谐波分量的正弦波电 流，由于输入电流的正、负半周是对称的，所以谐波中不会含有偶次谐波；又由于6脉冲的 整流电路中，在理想情况下，每次只会有两个整流管导通，只会有两相同时出现电流，一相 进，一相出，总有ia+ib+ic=0,也就是说谐波中不会出现零序谐波电流（三相谐波电流具有相 同的数值和方向），即第3、6、9、12、15次谐波，那么在这种6脉冲的整流电路中只 会有5、7、11、13次谐波电流。输入电流的THD在30%以上，能量主要集中在5次和 7次谐波。其中5、11为负序电流谐波（和基波相序相反的谐波），7、13为正序电流 谐波（和基波相序相同的谐波）。3谐波电流
5、对发电机的影响（1）引起电压失真在交流电源系统中，非线性负载可以等效为一个线性负载和一系列的谐波电流源的并 联，相当于负载从交流电源吸收基波电流并向交流电源反馈谐波电流。谐波电流流过电源内 阻Zn时将产生各次谐波电压。第N次谐波电压为：Un=InZn电源输出电压Us等于基波电 压和谐波电压的向量和，谐波电压叠加在基波上必然引起电源电压波形失真。U1电源基波电压；Um各次谐波电压；Us电源输出电压；Zm电源内阻；n整数由上式可见，负载谐波电流和电源内阻越大，电源电压波形失真越大，市电电源内阻抗 很小，吸收谐波电流的能力很强，一般不会造成不可接受的电压失真。但柴油发电机的内阻 抗较大，很容易受负载
6、谐波的影响，产生较大的电压失真。因此，应尽力减小负载谐波电流 和电源内阻。谐波电流在电路中流动时，使柴油发电机绕组发热，导致发电机可靠性和寿命降低。(3) 输出电压不稳发电机多采用自动电压调节器(AVR)调节输出电压，对于自激式同步交 流发电机，电枢绕组给AVR同时提供功率源及信号源，如果发电机带UPS负载，由于发电 机输出电压波形失真，AVR可能会错误地断开激磁电流进行补偿，必然使输出电压升得太 高。接着AVR又根据升高的电压控制激磁电流，使输出电压下降。结果造成输出电压高低 振荡。(4) 输入功率因数低输入功率因数为占，有效值II输入电流基波有效值；a是输入电压，输入电流的相位差从上式可以
7、看出，功率因数由两部分组成，cosal是由电压与基波电流之间的相位差 引起，I1/I这部分由电流的谐波引起，只要输入电流发生畸变，功率因数就总是小于1,畸变 越大则功率因数越小。或者说，输入电流谐波成分越大则功率因数越小。图2形式的整流器 功率因数大约在0.8左右，如果滤波电容后加电感，功率因数可达到0.9。4发电机的输出电压不稳和波形失真对UPS的反作用从上分析可知，UPS的输入谐波电流会使发电机的输出电压不稳和波形失真，而发电 机的输出电压不稳和波形失真，又会反作用于UPS，使它不能正常工作，具体表现为：会导致UPS关机和旁路电源不可用。因为UPS有同步输入动力电的功能，柴油发电机 输出电
8、压波形严重失真时，UPS的检测电路就会判定交流输入电源质量不合格或故障，就会强迫UPS转换到蓄电池逆变给负载供电，直到蓄电池的储能耗尽，最后致使UPS关机。5UPS 电源和柴油发电机匹配问题的解决方法从上面的分析可见，UPS电源和柴油发电机不兼容的原因主要是UPS的输入谐波电流 引起的输入功率因数低而造成的，再一个就是发电机的内阻抗大。传统的解决方案是将发电 机降额使用，使发电机有足够的容量来补偿由 UPS 的输入谐波电流而引起的无功功率，发 电机所带负载的功耗大约为其额定容量的 30左右。显然，这属于一种”大马拉小车”的 现象，是不经济的，而且柴油发电机工作在小负荷状态，使柴油发电机组更容易
9、产生故障， 降低了柴油发电机组的工作可靠性，其原因是柴油发电机机在小负荷下长期工作，气缸内温 度较低，正常进人气缸内的润滑油不能完全燃烧，而燃油也不能充分燃烧，造成活塞环处、 喷油嘴处积炭严重，气缸磨损加剧，因而使上述部位加速故障的产生，使柴油机工作性能下 降，排气冒黑烟。柴油发电机组要求负载必须在 60以上额定负载的情况下工作，对柴油 发电机才较为有利。可以看出，采用柴油发电机降额方案来解决问题不是一种根本解决问题 的方法，根本解决问题的方法应该是对UPS输入端的功率因数进行校正(PFC)，使UPS接 近于一个线性负载，对电网或发电机产生很小的谐波电流。(1)有源功率因数校正功率因数校正分无
10、源校正和有源校正，有源功率因数校正通常是在整流器后接一个升压 型变换器，图3，该方法校正效果好，校正后，输入电流接近于一个正弦波，功率因数可达 到0. 99,谐波电流可以减小到5%以内。但该方法由于多用了一级变换器，UPS的可靠性 就会下降，在大功率 UPS 中显得更为突出，所以有源功率因数校正一般用于单相输入的小 功率UPS中(25KVA以下)，对于三相输入的大、中功率的UPS通常采用无源校正的方法。(2) LC 无源滤波器校正由于这种滤波器仅用了 LC元件，将它并联在整流器的输入端，对UPS的可靠性没有 什么影响，对于三相 6 脉冲的整流器，其谐波电流主要为5、 7 次谐波，将滤波器设计为
11、对 幅度最大的5次谐波电流的阻抗为零，对7次谐波电流的阻抗很低，因此， 5次和7次谐波 电流基本流进了滤波器，而不会反送给柴油发电机，引起发电机输出电压失真。这种方法简 单，滤波效果也很好，谐波电流总THD可以减小到10%以内，功率因数可以达到0.95。但 缺点是由于加了滤波器，加大了UPS的体积和重量，但UPS的体积和重量大一点并没有太 大的关系，关键是要求可靠性高，所以这种LC滤波器校正功率因数的方法在三相输入的大、 中功率UPS中得到了广泛的应用。(3) LC无源滤波器存在的问题由于UPS轻载时的输入谐波电流对交流电源系统影响很小，甚至可以忽略，我们设计 的LC滤波器主要考虑UPS满载时
12、输入谐波电流的抑制和改善输入功率因数的性能，因此, 有无源滤波器的 UPS 在空载和轻载时往往呈现特别低的超前功率因数，即为电容性负载， 这种情况对市电的变压器没有什么影响，但是，柴油发电机给电容负载供电时可能出现输出电压过高或无激磁而关机，造成供电系统严重故障。下面我们来分析产生这种现象的原因, 图5是发电机供电系统简化电路图，U1是发电机的电势，U1的大小取决于发电机的激磁电 流。Zs是发电机定子的阻抗，Z是负载的阻抗，Us是发电机的输出电压，I是负载电流。SI图5b是发电机给纯电感性负载供电时的向量图，因为发电机的电势必须等于发电机内 部阻抗和外部负载阻抗的压降之和，因此，可以调节电压调
13、节器改变发电机电势U.来控制 发电机的输出电压。图5c是发电机给纯电容性负载供电时的向量图，其中电流向量I超前 电压向量Us90，内部电压降IZs的相位与电感性负载时相反，结果发电机发出的电势U1 比输出的电压Us小，也就是说，较小的电势U1就能产生很大的输出电压Us。IS5 发电机供电丟统园电宦、电流矢虽图在这种情况下，为了维持发电机输出电压Us恒定，电压调节器必须大大地减小转子激 磁电流以减小发电机电势U1,但是因为发电机转子都有一定的剩磁，即使电压调节器完全 关闭，仍有足够的磁场产生输出电压，所以电压调节器不可能有足够的调节范围完全控制输 出电压。这将导致输出过压，或者电压调节器关闭，最
14、终使发电机关闭。因此，柴油发电机 带电容性负载时不能正常工作。UPS在空载或轻载时属于电容性负载，图5c的情况是实际 存在的。显然，要解决上述问题，必须对UPS在空载和轻载时的输入功率因数进行调节。 具体解决问题的方法为：在发电机所带的负载包括UPs和机房空调的情况下，可先将空调设备加到发电机上， 具体方法可在UPs的输入电路上接一个延时继电器，以延缓UPs负载电力的接通。采用带接触器的UPs输入滤波器，当UPs轻载时通过接触器自动断开滤波器。6UPS 电源和柴油发电机选型的建议上文中我们分析了 UPS和柴油发电机不匹配的原因，并分析了解决问题的方法，因此， 在工程设计时，只要慎重考虑 UPs
15、 和柴油发电机选型的技术要求，可以避免它们之间的不 匹配，建议如下：(1)对于三相输入的UPs输入功率因数不小0.95, THD应小于10%，如果达不到这个要 求，就需加装滤波器。并且输入滤波器应带接入和断开的接触器，以确保滤波器的电容器不 会造成柴油发电机输出电压过高或电压调节器关闭。 UPS 的整流器在输入电源频率变化范 围小于10%、输入电源频率变化率小于5Hz/s应能正常工作。(2 )发电机输出的频率变换范围应小于土 10%，输出电源频率变化率小于5Hz/s。(3) 选择的柴油发电机的电压调节器(AVR)应不受机组输出电压波形失真的影响，内阻应 较小。如PMG(永磁发电机)激励式同步交流发电机。(4) 在满足上述要求时，发电机的容量可按UPs满载加蓄电池充电时UPs的输入功率的 1.31.5倍考虑。(5) 由于蓄电池的容量越大，则蓄电池的充电功率也就越大，相应地发电机需求的容量 也就要求越大，这样会导致成本增加；而且，蓄电池的充电功率越大，则占总负荷的比重也 就越大，在充电结束时，发电机就可能工作在轻载状态，这样运行对发电机也是非常不利的。 所以不要将UPS蓄电池的容量选得太大，通常能保证UPS工作l030分钟就行，停电时主 要靠发电机供电。
