UPS電源和柴油發(fā)電機(jī)組的匹配問(wèn)題

1、UPS電源和柴油發(fā)電機(jī)組的匹配問(wèn)題1前言許多重要負(fù)載需要為它提供穩(wěn)定、可靠和不間斷的交流電源，如互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心(IDC)和移動(dòng)通訊系統(tǒng)中的歸屬位置寄存器(HLR)等。UPS就是為這些關(guān)鍵負(fù)載提供交流不間斷電源的設(shè)備，在市電正常時(shí)，UPS從市電獲取能源，經(jīng)過(guò)電力變換和調(diào)節(jié)，消除市電線路上的各種干擾，為負(fù)載提供頻率和電壓幅值穩(wěn)定的純凈電源，使負(fù)載能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。在市電停電后，UPS利用內(nèi)部蓄電池的儲(chǔ)能，經(jīng)過(guò)逆變器的轉(zhuǎn)換，不間斷地為負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的交流電源。如果遇到較長(zhǎng)時(shí)間的停電，顯然，僅靠蓄電池供電是不夠的，因?yàn)樾铍姵氐娜萘坑邢?，不可能長(zhǎng)時(shí)間地供電，因此，需要為UPS系統(tǒng)配置發(fā)電機(jī)組來(lái)解決

2、長(zhǎng)時(shí)間停電的問(wèn)題。許多現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)UPS和選用采用的柴油發(fā)電機(jī)匹配不當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些異常現(xiàn)象，如發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率不穩(wěn)、電壓波形嚴(yán)重失真、繞組發(fā)熱和震動(dòng)等，嚴(yán)重時(shí)發(fā)電機(jī)和UPS根本不能運(yùn)行。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意確保UPS能夠很好地與發(fā)電機(jī)匹配，要做到這些，我們首先必須了解發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性和UPS輸入特性。2在線式雙變換UPS輸入特性目前應(yīng)用的UPS主要有后備式UPS、在線互動(dòng)式UPS、在線式雙變換UPS和Delta變換式UPS，在中、大功率的圖l在線式雙變換UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。UPS系統(tǒng)中，在線式雙變換UPS應(yīng)用最為廣泛，其技術(shù)性能也是這幾類中最優(yōu)的，但與柴油發(fā)電機(jī)的匹配

3、問(wèn)題也是這種UPS最為突出，下面我們來(lái)分析這種UPs的輸入特性：從該UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，輸入端是一個(gè)整流器，在大、中功率的UPS中這種雙變換的UPs一般都采用三相輸入的6脈沖可控硅的相控整流器，如圖2。在經(jīng)過(guò)了整流濾波后，輸入電流發(fā)生了嚴(yán)重畸變，成了一個(gè)脈沖波形，而不是和輸入電壓相同的正弦波，圖2中給出了A相電壓和電流的波形圖。B相和C相電壓和電流的波形圖是一樣的，只是在相位上彼此相差120度，顯然，這類UPS作為負(fù)載時(shí)屬于非線性負(fù)載。6脈沖整流器的輸入電流，可用富氏級(jí)數(shù)展開(kāi)成基波分量和包含有許多諧波分量的正弦波電流，由于輸入電流的正、負(fù)半周是對(duì)稱的，所以諧波中不會(huì)含有偶次諧波；又由于6

4、脈沖的整流電路中，在理想情況下，每次只會(huì)有兩個(gè)整流管導(dǎo)通，只會(huì)有兩相同時(shí)出現(xiàn)電流，一相進(jìn)，一相出，總有ia+ib+ic=0，也就是說(shuō)諧波中不會(huì)出現(xiàn)零序諧波電流(三相諧波電流具有相同的數(shù)值和方向)，即第3、6、9、12、15次諧波，那么在這種6脈沖的整流電路中只會(huì)有5、7、11、13次諧波電流。輸入電流的THD在30以上，能量主要集中在5次和7次諧波。其中5、11為負(fù)序電流諧波(和基波相序相反的諧波)，7、13為正序電流諧波(和基波相序相同的諧波)。3諧波電流對(duì)發(fā)電機(jī)的影響 (1) 引起電壓失真在交流電源系統(tǒng)中，非線性負(fù)載可以等效為一個(gè)線性負(fù)載和一系列的諧波電流源的并聯(lián)，相當(dāng)于負(fù)載從交流電源吸收

5、基波電流并向交流電源反饋諧波電流。諧波電流流過(guò)電源內(nèi)阻Zn時(shí)將產(chǎn)生各次諧波電壓。第N次諧波電壓為：Un=InZn電源輸出電壓Us等于基波電壓和諧波電壓的向量和，諧波電壓疊加在基波上必然引起電源電壓波形失真。電源電壓總諧波失真為： U1電源基波電壓；Um各次諧波電壓；Us電源輸出電壓；Zm電源內(nèi)阻；n整數(shù)由上式可見(jiàn)，負(fù)載諧波電流和電源內(nèi)阻越大，電源電壓波形失真越大，市電電源內(nèi)阻抗很小，吸收諧波電流的能力很強(qiáng)，一般不會(huì)造成不可接受的電壓失真。但柴油發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗較大，很容易受負(fù)載諧波的影響，產(chǎn)生較大的電壓失真。因此，應(yīng)盡力減小負(fù)載諧波電流和電源內(nèi)阻。(2)諧波電流在電路中流動(dòng)時(shí)，使柴油發(fā)電機(jī)繞組發(fā)

6、熱，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)可靠性和壽命降低。(3)輸出電壓不穩(wěn)發(fā)電機(jī)多采用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)調(diào)節(jié)輸出電壓，對(duì)于自激式同步交流發(fā)電機(jī)，電樞繞組給AVR同時(shí)提供功率源及信號(hào)源，如果發(fā)電機(jī)帶UPS負(fù)載，由于發(fā)電機(jī)輸出電壓波形失真，AVR可能會(huì)錯(cuò)誤地?cái)嚅_(kāi)激磁電流進(jìn)行補(bǔ)償，必然使輸出電壓升得太高。接著AVR又根據(jù)升高的電壓控制激磁電流，使輸出電壓下降。結(jié)果造成輸出電壓高低振蕩。(4)輸入功率因數(shù)低輸入功率因數(shù)為： 其中：輸入電壓，輸入電流，有效值I1輸入電流基波有效值；是輸入電壓，輸入電流的相位差從上式可以看出，功率因數(shù)由兩部分組成，cos1是由電壓與基波電流之間的相位差引起，I1/I這部分由電流的諧波引起，

7、只要輸入電流發(fā)生畸變，功率因數(shù)就總是小于1,畸變?cè)酱髣t功率因數(shù)越小?；蛘哒f(shuō)，輸入電流諧波成分越大則功率因數(shù)越小。圖2形式的整流器功率因數(shù)大約在0.8左右，如果濾波電容后加電感，功率因數(shù)可達(dá)到0.9。4發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)和波形失真對(duì)UPS的反作用從上分析可知，UPS的輸入諧波電流會(huì)使發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)和波形失真，而發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)和波形失真，又會(huì)反作用于UPS，使它不能正常工作，具體表現(xiàn)為：會(huì)導(dǎo)致UPS關(guān)機(jī)和旁路電源不可用。因?yàn)閁PS有同步輸入動(dòng)力電的功能，柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓波形嚴(yán)重失真時(shí)，UPS的檢測(cè)電路就會(huì)判定交流輸入電源質(zhì)量不合格或故障，就會(huì)強(qiáng)迫UPS轉(zhuǎn)換到蓄電池逆變給負(fù)載供電，直

8、到蓄電池的儲(chǔ)能耗盡，最后致使UPS關(guān)機(jī)。5UPS電源和柴油發(fā)電機(jī)匹配問(wèn)題的解決方法從上面的分析可見(jiàn)，UPS電源和柴油發(fā)電機(jī)不兼容的原因主要是UPS的輸入諧波電流引起的輸入功率因數(shù)低而造成的，再一個(gè)就是發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗大。傳統(tǒng)的解決方案是將發(fā)電機(jī)降額使用，使發(fā)電機(jī)有足夠的容量來(lái)補(bǔ)償由UPS的輸入諧波電流而引起的無(wú)功功率，發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載的功耗大約為其額定容量的30左右。顯然，這屬于一種”大馬拉小車”的現(xiàn)象，是不經(jīng)濟(jì)的，而且柴油發(fā)電機(jī)工作在小負(fù)荷狀態(tài)，使柴油發(fā)電機(jī)組更容易產(chǎn)生故障，降低了柴油發(fā)電機(jī)組的工作可靠性，其原因是柴油發(fā)電機(jī)機(jī)在小負(fù)荷下長(zhǎng)期工作，氣缸內(nèi)溫度較低，正常進(jìn)人氣缸內(nèi)的潤(rùn)滑油不能完全燃燒

9、，而燃油也不能充分燃燒，造成活塞環(huán)處、噴油嘴處積炭嚴(yán)重，氣缸磨損加劇，因而使上述部位加速故障的產(chǎn)生，使柴油機(jī)工作性能下降，排氣冒黑煙。柴油發(fā)電機(jī)組要求負(fù)載必須在60以上額定負(fù)載的情況下工作，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)才較為有利?？梢钥闯?，采用柴油發(fā)電機(jī)降額方案來(lái)解決問(wèn)題不是一種根本解決問(wèn)題的方法，根本解決問(wèn)題的方法應(yīng)該是對(duì)UPS輸入端的功率因數(shù)進(jìn)行校正(PFC)，使UPS接近于一個(gè)線性負(fù)載，對(duì)電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)產(chǎn)生很小的諧波電流。(1)有源功率因數(shù)校正功率因數(shù)校正分無(wú)源校正和有源校正，有源功率因數(shù)校正通常是在整流器后接一個(gè)升壓型變換器，圖3，該方法校正效果好，校正后，輸入電流接近于一個(gè)正弦波，功率因數(shù)可達(dá)到099

10、，諧波電流可以減小到5以內(nèi)。但該方法由于多用了一級(jí)變換器，UPS的可靠性就會(huì)下降，在大功率UPS中顯得更為突出，所以有源功率因數(shù)校正一般用于單相輸入的小功率UPS中(25KVA以下)，對(duì)于三相輸入的大、中功率的UPS通常采用無(wú)源校正的方法。(2)LC無(wú)源濾波器校正由于這種濾波器僅用了LC元件，將它并聯(lián)在整流器的輸入端，對(duì)UPS的可靠性沒(méi)有什么影響，對(duì)于三相6脈沖的整流器，其諧波電流主要為5、7次諧波，將濾波器設(shè)計(jì)為對(duì)幅度最大的5次諧波電流的阻抗為零，對(duì)7次諧波電流的阻抗很低，因此，5次和7次諧波電流基本流進(jìn)了濾波器，而不會(huì)反送給柴油發(fā)電機(jī)，引起發(fā)電機(jī)輸出電壓失真。這種方法簡(jiǎn)單，濾波效果也很好，

11、諧波電流總THD可以減小到10以內(nèi)，功率因數(shù)可以達(dá)到0.95。但缺點(diǎn)是由于加了濾波器，加大了UPS的體積和重量，但UPS的體積和重量大一點(diǎn)并沒(méi)有太大的關(guān)系，關(guān)鍵是要求可靠性高，所以這種LC濾波器校正功率因數(shù)的方法在三相輸入的大、中功率UPS中得到了廣泛的應(yīng)用。(3) LC無(wú)源濾波器存在的問(wèn)題由于UPS輕載時(shí)的輸入諧波電流對(duì)交流電源系統(tǒng)影響很小，甚至可以忽略，我們?cè)O(shè)計(jì)的LC濾波器主要考慮UPS滿載時(shí)輸入諧波電流的抑制和改善輸入功率因數(shù)的性能，因此，有無(wú)源濾波器的UPS在空載和輕載時(shí)往往呈現(xiàn)特別低的超前功率因數(shù)，即為電容性負(fù)載，這種情況對(duì)市電的變壓器沒(méi)有什么影響，但是，柴油發(fā)電機(jī)給電容負(fù)載供電時(shí)可

12、能出現(xiàn)輸出電壓過(guò)高或無(wú)激磁而關(guān)機(jī)，造成供電系統(tǒng)嚴(yán)重故障。下面我們來(lái)分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，圖5是發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路圖，U1是發(fā)電機(jī)的電勢(shì)，U1的大小取決于發(fā)電機(jī)的激磁電流。Zs是發(fā)電機(jī)定子的阻抗，Z是負(fù)載的阻抗，Us是發(fā)電機(jī)的輸出電壓，I是負(fù)載電流。 圖5b是發(fā)電機(jī)給純電感性負(fù)載供電時(shí)的向量圖，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的電勢(shì)必須等于發(fā)電機(jī)內(nèi)部阻抗和外部負(fù)載阻抗的壓降之和，因此，可以調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器改變發(fā)電機(jī)電勢(shì)U來(lái)控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓。圖5c是發(fā)電機(jī)給純電容性負(fù)載供電時(shí)的向量圖，其中電流向量I超前電壓向量Us90°，內(nèi)部電壓降IZs的相位與電感性負(fù)載時(shí)相反，結(jié)果發(fā)電機(jī)發(fā)出的電勢(shì)U1比輸出的電壓U

13、s小，也就是說(shuō)，較小的電勢(shì)U1就能產(chǎn)生很大的輸出電壓Us。 在這種情況下，為了維持發(fā)電機(jī)輸出電壓Us恒定，電壓調(diào)節(jié)器必須大大地減小轉(zhuǎn)子激磁電流以減小發(fā)電機(jī)電勢(shì)U1，但是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子都有一定的剩磁，即使電壓調(diào)節(jié)器完全關(guān)閉，仍有足夠的磁場(chǎng)產(chǎn)生輸出電壓，所以電壓調(diào)節(jié)器不可能有足夠的調(diào)節(jié)范圍完全控制輸出電壓。這將導(dǎo)致輸出過(guò)壓，或者電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉，最終使發(fā)電機(jī)關(guān)閉。因此，柴油發(fā)電機(jī)帶電容性負(fù)載時(shí)不能正常工作。UPS在空載或輕載時(shí)屬于電容性負(fù)載，圖5c的情況是實(shí)際存在的。顯然，要解決上述問(wèn)題，必須對(duì)UPS在空載和輕載時(shí)的輸入功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體解決問(wèn)題的方法為：在發(fā)電機(jī)所帶的負(fù)載包括UPs和機(jī)房空調(diào)的

14、情況下，可先將空調(diào)設(shè)備加到發(fā)電機(jī)上，具體方法可在UPs的輸入電路上接一個(gè)延時(shí)繼電器，以延緩UPs負(fù)載電力的接通。采用帶接觸器的UPs輸入濾波器，當(dāng)UPs輕載時(shí)通過(guò)接觸器自動(dòng)斷開(kāi)濾波器。6UPS電源和柴油發(fā)電機(jī)選型的建議上文中我們分析了UPS和柴油發(fā)電機(jī)不匹配的原因，并分析了解決問(wèn)題的方法，因此，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，只要慎重考慮UPs和柴油發(fā)電機(jī)選型的技術(shù)要求，可以避免它們之間的不匹配，建議如下：(1)對(duì)于三相輸入的UPs輸入功率因數(shù)不小0.95，THD應(yīng)小于l0，如果達(dá)不到這個(gè)要求，就需加裝濾波器。并且輸入濾波器應(yīng)帶接入和斷開(kāi)的接觸器，以確保濾波器的電容器不會(huì)造成柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓過(guò)高或電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉。UPS的整流器在輸入電源頻率變化范圍小于±10、輸入電源頻率變化率小于5Hzs應(yīng)能正常工作。(2)發(fā)電機(jī)輸出的頻率變換范圍應(yīng)小于±l0，輸出電源頻率變化率小于5Hzs。(3)選擇的柴油發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器(AVR)應(yīng)不受機(jī)組輸出電壓波形失真的影響，內(nèi)阻應(yīng)較小。如PMG(永磁發(fā)電機(jī))激勵(lì)式