UPS電源和柴油發(fā)電機組的匹配問題

1、UPS電源和柴油發(fā)電機組的匹配問題1前言許多重要負載需要為它提供穩(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)和移動通訊系統(tǒng)中的歸屬位置寄存器(HLR)等。UPS就是為這些關鍵負載提供交流不間斷電源的設備，在市電正常時，UPS從市電獲取能源，經(jīng)過電力變換和調節(jié)，消除市電線路上的各種干擾，為負載提供頻率和電壓幅值穩(wěn)定的純凈電源，使負載能夠可靠穩(wěn)定地運行。在市電停電后，UPS利用內部蓄電池的儲能，經(jīng)過逆變器的轉換，不間斷地為負載提供穩(wěn)定可靠的交流電源。如果遇到較長時間的停電，顯然，僅靠蓄電池供電是不夠的，因為蓄電池的容量有限，不可能長時間地供電，因此，需要為UPS系統(tǒng)配置發(fā)電機組來解決

2、長時間停電的問題。許多現(xiàn)場經(jīng)驗表明，當UPS和選用采用的柴油發(fā)電機匹配不當時，會出現(xiàn)一些異?，F(xiàn)象，如發(fā)電機的輸出電壓和頻率不穩(wěn)、電壓波形嚴重失真、繞組發(fā)熱和震動等，嚴重時發(fā)電機和UPS根本不能運行。因此，在進行系統(tǒng)設計時應特別注意確保UPS能夠很好地與發(fā)電機匹配，要做到這些，我們首先必須了解發(fā)電機的負載特性和UPS輸入特性。2在線式雙變換UPS輸入特性目前應用的UPS主要有后備式UPS、在線互動式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)結構示意圖。UPS系統(tǒng)中，在線式雙變換UPS應用最為廣泛，其技術性能也是這幾類中最優(yōu)的，但與柴油發(fā)電機的匹配

3、問題也是這種UPS最為突出，下面我們來分析這種UPs的輸入特性：從該UPS的系統(tǒng)結構可以看出，輸入端是一個整流器，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)過了整流濾波后，輸入電流發(fā)生了嚴重畸變，成了一個脈沖波形，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作為負載時屬于非線性負載。6脈沖整流器的輸入電流，可用富氏級數(shù)展開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、負半周是對稱的，所以諧波中不會含有偶次諧波；又由于6

4、脈沖的整流電路中，在理想情況下，每次只會有兩個整流管導通，只會有兩相同時出現(xiàn)電流，一相進，一相出，總有ia+ib+ic=0，也就是說諧波中不會出現(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諧波電流對發(fā)電機的影響 (1) 引起電壓失真在交流電源系統(tǒng)中，非線性負載可以等效為一個線性負載和一系列的諧波電流源的并聯(lián)，相當于負載從交流電源吸收

5、基波電流并向交流電源反饋諧波電流。諧波電流流過電源內阻Zn時將產(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電源內阻；n整數(shù)由上式可見，負載諧波電流和電源內阻越大，電源電壓波形失真越大，市電電源內阻抗很小，吸收諧波電流的能力很強，一般不會造成不可接受的電壓失真。但柴油發(fā)電機的內阻抗較大，很容易受負載諧波的影響，產(chǎn)生較大的電壓失真。因此，應盡力減小負載諧波電流和電源內阻。(2)諧波電流在電路中流動時，使柴油發(fā)電機繞組發(fā)

6、熱，導致發(fā)電機可靠性和壽命降低。(3)輸出電壓不穩(wěn)發(fā)電機多采用自動電壓調節(jié)器(AVR)調節(jié)輸出電壓，對于自激式同步交流發(fā)電機，電樞繞組給AVR同時提供功率源及信號源，如果發(fā)電機帶UPS負載，由于發(fā)電機輸出電壓波形失真，AVR可能會錯誤地斷開激磁電流進行補償，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,畸變越大則功率因數(shù)越小?；蛘哒f，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)可達到0.9。4發(fā)電機的輸出電壓不穩(wěn)和波形失真對UPS的反作用從上分析可知，UPS的輸入諧波電流會使發(fā)電機的輸出電壓不穩(wěn)和波形失真，而發(fā)電機的輸出電壓不穩(wěn)和波形失真，又會反作用于UPS，使它不能正常工作，具體表現(xiàn)為：會導致UPS關機和旁路電源不可用。因為UPS有同步輸入動力電的功能，柴油發(fā)電機輸出電壓波形嚴重失真時，UPS的檢測電路就會判定交流輸入電源質量不合格或故障，就會強迫UPS轉換到蓄電池逆變給負載供電，直

8、到蓄電池的儲能耗盡，最后致使UPS關機。5UPS電源和柴油發(fā)電機匹配問題的解決方法從上面的分析可見，UPS電源和柴油發(fā)電機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，再一個就是發(fā)電機的內阻抗大。傳統(tǒng)的解決方案是將發(fā)電機降額使用，使發(fā)電機有足夠的容量來補償由UPS的輸入諧波電流而引起的無功功率，發(fā)電機所帶負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)濟的，而且柴油發(fā)電機工作在小負荷狀態(tài)，使柴油發(fā)電機組更容易產(chǎn)生故障，降低了柴油發(fā)電機組的工作可靠性，其原因是柴油發(fā)電機機在小負荷下長期工作，氣缸內溫度較低，正常進人氣缸內的潤滑油不能完全燃燒

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，使柴油機工作性能下降，排氣冒黑煙。柴油發(fā)電機組要求負載必須在60以上額定負載的情況下工作，對柴油發(fā)電機才較為有利。可以看出，采用柴油發(fā)電機降額方案來解決問題不是一種根本解決問題的方法，根本解決問題的方法應該是對UPS輸入端的功率因數(shù)進行校正(PFC)，使UPS接近于一個線性負載，對電網(wǎng)或發(fā)電機產(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正弦波，功率因數(shù)可達到099

10、，諧波電流可以減小到5以內。但該方法由于多用了一級變換器，UPS的可靠性就會下降，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)，對于三相輸入的大、中功率的UPS通常采用無源校正的方法。(2)LC無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UPS的可靠性沒有什么影響，對于三相6脈沖的整流器，其諧波電流主要為5、7次諧波，將濾波器設計為對幅度最大的5次諧波電流的阻抗為零，對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了濾波器，而不會反送給柴油發(fā)電機，引起發(fā)電機輸出電壓失真。這種方法簡單，濾波效果也很好，

11、諧波電流總THD可以減小到10以內，功率因數(shù)可以達到0.95。但缺點是由于加了濾波器，加大了UPS的體積和重量，但UPS的體積和重量大一點并沒有太大的關系，關鍵是要求可靠性高，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中得到了廣泛的應用。(3) LC無源濾波器存在的問題由于UPS輕載時的輸入諧波電流對交流電源系統(tǒng)影響很小，甚至可以忽略，我們設計的LC濾波器主要考慮UPS滿載時輸入諧波電流的抑制和改善輸入功率因數(shù)的性能，因此，有無源濾波器的UPS在空載和輕載時往往呈現(xiàn)特別低的超前功率因數(shù)，即為電容性負載，這種情況對市電的變壓器沒有什么影響，但是，柴油發(fā)電機給電容負載供電時可

12、能出現(xiàn)輸出電壓過高或無激磁而關機，造成供電系統(tǒng)嚴重故障。下面我們來分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，圖5是發(fā)電機供電系統(tǒng)簡化電路圖，U1是發(fā)電機的電勢，U1的大小取決于發(fā)電機的激磁電流。Zs是發(fā)電機定子的阻抗，Z是負載的阻抗，Us是發(fā)電機的輸出電壓，I是負載電流。 圖5b是發(fā)電機給純電感性負載供電時的向量圖，因為發(fā)電機的電勢必須等于發(fā)電機內部阻抗和外部負載阻抗的壓降之和，因此，可以調節(jié)電壓調節(jié)器改變發(fā)電機電勢U來控制發(fā)電機的輸出電壓。圖5c是發(fā)電機給純電容性負載供電時的向量圖，其中電流向量I超前電壓向量Us90°，內部電壓降IZs的相位與電感性負載時相反，結果發(fā)電機發(fā)出的電勢U1比輸出的電壓U

13、s小，也就是說，較小的電勢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)電機輸出電壓Us恒定，電壓調節(jié)器必須大大地減小轉子激磁電流以減小發(fā)電機電勢U1，但是因為發(fā)電機轉子都有一定的剩磁，即使電壓調節(jié)器完全關閉，仍有足夠的磁場產(chǎn)生輸出電壓，所以電壓調節(jié)器不可能有足夠的調節(jié)范圍完全控制輸出電壓。這將導致輸出過壓，或者電壓調節(jié)器關閉，最終使發(fā)電機關閉。因此，柴油發(fā)電機帶電容性負載時不能正常工作。UPS在空載或輕載時屬于電容性負載，圖5c的情況是實際存在的。顯然，要解決上述問題，必須對UPS在空載和輕載時的輸入功率因數(shù)進行調節(jié)。具體解決問題的方法為：在發(fā)電機所帶的負載包括UPs和機房空調的

14、情況下，可先將空調設備加到發(fā)電機上，具體方法可在UPs的輸入電路上接一個延時繼電器，以延緩UPs負載電力的接通。采用帶接觸器的UPs輸入濾波器，當UPs輕載時通過接觸器自動斷開濾波器。6UPS電源和柴油發(fā)電機選型的建議上文中我們分析了UPS和柴油發(fā)電機不匹配的原因，并分析了解決問題的方法，因此，在工程設計時，只要慎重考慮UPs和柴油發(fā)電機選型的技術要求，可以避免它們之間的不匹配，建議如下：(1)對于三相輸入的UPs輸入功率因數(shù)不小0.95，THD應小于l0，如果達不到這個要求，就需加裝濾波器。并且輸入濾波器應帶接入和斷開的接觸器，以確保濾波器的電容器不會造成柴油發(fā)電機輸出電壓過高或電壓調節(jié)器關閉。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應能正常工作。(2)發(fā)電機輸出的頻率變換范圍應小于±l0，輸出電源頻率變化率小于5Hzs。(3)選擇的柴油發(fā)電機的電壓調節(jié)器(AVR)應不受機組輸出電壓波形失真的影響，內阻應較小。如PMG(永磁發(fā)電機)激勵式