UPS輸入特性與發(fā)電機組的兼容性

    在市電-發(fā)電機-UPS系統(tǒng)中，市電掉電后，發(fā)電機做為輸入電源向UPS供電，此時UPS成為發(fā)電機系統(tǒng)中惟一的或者說主要的負載。發(fā)電機的輸出特性和UPS的輸入特性決定了兩者的匹配關(guān)系。

    (1)柴油發(fā)電機的輸出特性

    發(fā)電機依靠電壓調(diào)節(jié)器控制輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器檢測三相輸出電壓，以其平均值與設(shè)定的電壓值相比較。調(diào)節(jié)器從發(fā)電機內(nèi)部的輔助電源取得能量，通常是與主發(fā)電機同軸的小發(fā)電機，傳送DC電源給發(fā)電機轉(zhuǎn)子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降，控制發(fā)電機定子線圈的磁場(或稱為電動勢NMF的大小。定子線圈的磁通量決定發(fā)電機的輸出電壓。

    發(fā)電機定子線圈的內(nèi)阻，以Z表示，包括感性和阻性部分。由轉(zhuǎn)子勵磁線圈控制的發(fā)電機電動勢用交流電壓源應(yīng)E表示。因為假設(shè)負載是純感性的，在相量圖中電流I滯后電壓寸正好90°電相位角。如果負載是純阻性的，σ和I的矢量圖曲線將重合(或同相)。實際上多數(shù)負載介于純阻性和純感性之間。

    電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量I×Z表示。它實際上是兩個較小的電壓矢量之和，兩個電壓矢量是與I同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降。因為電動勢必須等于發(fā)電機內(nèi)阻的電壓降和輸出電壓之和，即矢量它等于d和I×Z的矢量和。則厄卜山電壓調(diào)節(jié)器改變瓦可以有效地控制輸出電壓沖。

    現(xiàn)在來看一看用純?nèi)菪载撦d代替純感性負載時，發(fā)電機的內(nèi)部情況會發(fā)生什么變化。此時的輸出電流方向正好和感性負載時的相反。電流I超前電壓U正好90°的相位角，內(nèi)阻電壓降矢量I×Z的方向也相反。則U和I×Z的矢量和E對于與感性負載時相同的電動勢瓦在容性負載時就產(chǎn)生了較高的發(fā)電機輸出電壓寸，所以電壓調(diào)節(jié)器必須明顯地減小定子線圈的磁場。實際上，電壓調(diào)節(jié)器可能沒有足夠的調(diào)節(jié)范圍來調(diào)節(jié)輸出電壓。因為發(fā)電機的轉(zhuǎn)子含有一個永久磁場，該永久磁場將在一個方向連續(xù)勵磁，即便電壓調(diào)節(jié)器完全關(guān)閉，轉(zhuǎn)子永久磁場連續(xù)勵磁產(chǎn)生的電動勢仍足以對電容負載充電并產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象稱為"自激"。自激的結(jié)果是過壓或者是電壓調(diào)節(jié)器關(guān)機，發(fā)電機的監(jiān)控系統(tǒng)則認為是電壓調(diào)節(jié)器故障(即"失勵。這兩種情況都會引起發(fā)電機停機。

    當(dāng)柴油發(fā)電機帶有非線性負載(包括超前或滯后功率因數(shù)的負載，以及帶有高次輸入諧波電流的負載)時，都會對柴油發(fā)電機的工作穩(wěn)定性造成危害。在配電系統(tǒng)中，這種性質(zhì)的負載有參數(shù)調(diào)整型交流穩(wěn)壓器、帶整流濾波輸入的UPS及調(diào)速馬達等。特別是圖5-6所示情況，這是一個典型的R、L、C串聯(lián)電路，在負載性質(zhì)和負載量變化過程中，很可能出現(xiàn)串聯(lián)共振，造成柴油發(fā)電機輸出電壓和頻率大幅 度周期性變化。

    (2)UPS對柴油發(fā)電機的污染

    以下凡種情況將造成了UPS對柴油發(fā)電機的污染。

    ①UPS電路結(jié)構(gòu)決定的輸入非線性特性。最典型的是傳統(tǒng)雙變換在線式UPS，由于其輸入端AC仍C變換器是整流濾波電路，它的輸入電流是脈沖電流，不僅輸入功率因數(shù)低(0.7～0.8)，還包含有大量的高次諧波電流(30%～40%)，而低輸入功率因數(shù)和諧波電流都會通過發(fā)電機定子線圈的感性內(nèi)阻，嚴重影響柴油發(fā)電機的工常運行。后備式和在線互動式UPS直接把計算機類型的負載反映到輸入端，也會對發(fā)電機產(chǎn)生同樣的污染，好在這些UPS的輸出功率都很小，不像大功率傳統(tǒng)雙變換在線式UPS那樣，把大容量負載集中整流濾波所形成的污染要嚴重得多。

    ②UPS輸入無源濾波器。為了改善發(fā)電機與UPS之間的匹配，UPS系統(tǒng)工程師們設(shè)計了輸入無源濾波器，這樣便明顯地控制了電流諧波對發(fā)電機的影響。這些濾波器對提高UPS與發(fā)電機組的兼容性起到了關(guān)鍵的作用。

    事實上，所有的輸入無源濾波器都使用電容器和電感來吸收UPS輸入端產(chǎn)生的最具破壞性的電流諧波。這樣的設(shè)計雖然考慮到了UPS電路固有的和在滿載情況下總諧波可能的最大畸變量，但是由于輸入濾波器的影響卻會使UPS的輸入功率因數(shù)成為一個變數(shù)。

    通常，人們大多把注意力放在UPS滿載或接近滿載情況下的工作狀態(tài)。在我們進行的調(diào)查了解過程中接觸的絕大多數(shù)工程師都能描述UPS在滿載情況下的工作特性，特別是輸入無源濾波器的特性，卻很少有人對濾波器在空載或接近空載時的狀況感興趣，這或許是由于叨B及其他電氣系統(tǒng)在輕載狀態(tài)下產(chǎn)生的電流諧波影響畢竟很小。然而，UPS空載時的工作參數(shù)，特別是輸入功率因數(shù)，對于UPS與發(fā)電機兼容性的影響依然同樣是相當(dāng)重要的。

    最新設(shè)計的UPS輸入濾波器，在減少電流諧波及提高滿載情況下的輸入功率因數(shù)方面雖然有較明顯的效果，但在空載或很小負載的情況下卻衍生出一個電容性超前的、極低的功率因數(shù)。特別是使用那些為了滿足5%最大電流失真度要求設(shè)計的無源濾波器的UPS，這種情況更甚。一般情況下，當(dāng)負載低于25%時，這種UPS系統(tǒng)的輸入濾波器會導(dǎo)致明顯的功率因數(shù)降低，有些新的系統(tǒng)己達到空載功率因數(shù)<2%，接近理想的容性負載。

    并聯(lián)電感、串聯(lián)扼流圈和輸入隔離變壓器是UPS的常規(guī)部件，這些部件都是感性的。事實上，它們和濾波器的電容一起，便UPS總體的輸入特性表現(xiàn)為容性，從而可能在UPS內(nèi)部產(chǎn)生振蕩。有經(jīng)驗的發(fā)電機運行維護人員知道，當(dāng)發(fā)電機接入較低功率因數(shù)的負載，特別是功率因數(shù)低于15%～20%容性負載，就可能會便系統(tǒng)失調(diào)，甚至可能導(dǎo)致發(fā)電機停機。在市電停電后出現(xiàn)這種停機將可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故，給關(guān)鍵負載帶來危險:第一，發(fā)電機需要手動重后，并且必須在UPS電池放電結(jié)束前手動重啟成功，否則負載將因斷電而癱瘓;第二，在停機前發(fā)電機可能引起系統(tǒng)"過壓"而可能損壞電話設(shè)備、火警系統(tǒng)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以至包括UPS在內(nèi)的系統(tǒng)中的其他供電設(shè)備。

    (3)系統(tǒng)配置造成柴油發(fā)電機加載時的容性電流沖擊

    負載不可能是100%感性的。在發(fā)電機啟動過程中，輸出端所接的負載可能是獨立的，也可能是與供電系統(tǒng)中其他負載并聯(lián)的，這取決于發(fā)電機輸出負載分配自動切換柜動作時間和順序的設(shè)置。在某些應(yīng)用中，停電時UPS系統(tǒng)是發(fā)電機接入的第一個負載，而在另外一些情況下UPS則和其他負載同時接入。其他負載通常有啟動接觸器，停電后重新閉合需要一定時間。不管是其他負載設(shè)備的接入，還是UPS由電池逆變轉(zhuǎn)向柴油發(fā)電機系統(tǒng)供電，這個過程都便發(fā)電機負載發(fā)生突變，且突變負載又常常表現(xiàn)為容性，便柴油發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓幅值和頻率不正常，這就會使UPS在兩種工作狀態(tài)之間頻繁切換，甚至造成柴油發(fā)電機系統(tǒng)停機。再者，IPS的輸入濾波器并不參與UPS電池逆變和交流輸入逆變的轉(zhuǎn)換過程，它們連接在UPS的輸入端，是叨冶的一部分。因此，在某些情況下，停電時首先接到發(fā)電機輸出端的主要負載就是UPS的輸入濾波器，它們是高容性的，有時甚至是純?nèi)菪缘摹?

    這種情況在并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)中更為嚴重，UPS供電系統(tǒng)做冗余配置后，安裝的UPS臺數(shù)增加，而每臺UPS的負載容量減少，但是，發(fā)電機容量的增加并沒有與UPS臺數(shù)(容量)的增加保持一致。況且，在用戶看來，發(fā)電機通常是備用的、容易安排維護的，一些大的項目如果是碰到資金壓力的話就會限制昂貴的大功率發(fā)電機組的數(shù)量，其結(jié)果是每臺發(fā)電機要帶更多的UPS。例如，某UPS供電系統(tǒng)柴油發(fā)電機系統(tǒng)容量與UPS負載的容量配比為2:1，由于UPS采用了"1+1"冗余配置，于是柴油發(fā)電機系統(tǒng)與UPS輸入濾波器的容量的相對比例就變成了1:1，如果不加大柴油發(fā)電機系統(tǒng)容量，是肯定要影響柴油發(fā)電機系統(tǒng)-UPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性的。■