上柴柴油發電機組與UPS系統的兼容性

1 柴油發電機組和UPS之間的配合問題

不間斷電源系統的制造商和用戶很早就已經注意到發電機組和UPS之間的配合問題，特別是由整流器產生的電流諧波對供電系統如發電機組的電壓調節器、UPS的同步電路　產生的不良影響非常明顯。因此，UPS系統工程師們設計了輸入濾波器并把其應用到UPS中，成功地在UPS應用中控制了電流諧波。這些濾波器對UPS與發電機組的兼容性起到了關鍵作用。

事實上所有的輸入濾波器都使用電容器和電感來吸收UPS輸入端最具破壞性的電流諧波。輸入濾波器的設計考慮了UPS電路固有的和在滿載情況下的最大可能的全部諧波畸變的百分比。大多數濾波器的另一個益處是提高帶載UPS的輸入功率因數。然而輸入濾波器的應用帶來的另一個后果是使UPS整體效率降低。絕大多數濾波器消耗1％左右的UPS功率。輸入濾波器的設計一直在有利和不利因素之間尋求平衡。

為了盡可能提高UPS系統的效率，近期UPS工程師在輸入濾波器的功耗方面做了改進。濾波器效率的提高，從很大程度上取決于將IGBT（絕緣門級晶體管）技術應用到UPS設計中。IGBT逆變器的高效率導致了對UPS的重新設計。輸入濾波器可以吸收某些電流諧波，同時吸收很小一部分有功功率。總之，濾波器中感性因素對容性因素的比率降低了，UPS的體積變小了，效率提高了。在UPS領域的事情好像得以解決了，然而新問題��與發電機的兼容性又出現了，替代了老問題。

2 功率因數的問題

通常，人們把注意力放在UPS滿載或接近滿載情況下的工作狀態。絕大多數工程師都能表述滿載情況下的UPS工作特性，特別是輸入濾波器的特性，然而很少有人對濾波器在空載或接近空載時的狀況感興趣。畢竟UPS及其電氣系統在輕載狀態下的電流諧波影響很小。然而，UPS空載時的工作參數，特別是輸入功率因數對于UPS與發電機的兼容性相當重要。

最新設計的輸入濾波器，在減少電流諧波及提高滿載情況下的功率因數方面有了較好的效果。但是在空載或很小負載情況下卻衍生出一個電容性超前的極低的功率因數，特別是那些為了滿足5％最大電流失真度的濾波器。一般情況下，當負載低于25％時大多數UPS系統的輸入濾波器會導致明顯的功率因數降低。盡管如此，輸入功率因數卻很少會低于30％，有些新的系統甚至已達到空載功率因數低于2％，接近于理想的容性負載。

這種情況不影響UPS輸出和關鍵負載，市電變壓器和輸配電系統也不受影響。但發電機就不同了，有經驗的發電機工程師知道：發電機帶大容性負載時工作會不正常，當接入較低功率因數負載，典型的低于15％～20％容性時，由于系統失調，可能導致發電機停機。在市電停電后出現這種停機應急發電機系統帶動UPS系統負載　將造成災難性事故。由于下述兩種原因停機給關鍵負載帶來危險：第一，發電機需要手動重啟，并且必須在UPS電池放電結束前；第二，在停機前發電機可能引起系統的“過壓”，它可能損壞電話設備、火警系統、監控網絡甚至UPS模塊。更糟糕的是，在事故發生后，很難區分責任，找出問題所在并予以糾正。UPS廠商說UPS系統測試完好，并指出其它地方相同的設備沒有發生類似問題。發電機廠商說是負載的問題，無法調整發電機來解決問題。同時，用戶工程師則說明他的規格要求，希望兩個廠商相互兼容。要了解為何會發生事故及如何避免（或如何在關鍵應用中找出解決方案），首先需要了解發電機與負載的工作關系。

2.1 發電機與負載

發電機依靠電壓調節器控制輸出電壓。電壓調節器檢測三相輸出電壓，以其平均值與要求的電壓值相比較。調節器從發電機內部的輔助電源取得能量，通常是與主發電機同軸的小發電機，傳送DC電源給發電機轉子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降，控制發電機定子線圈的旋轉磁場或稱為電動勢EMF　的大小。定子線圈的磁通量決定發電機的輸出電壓。

發電機定子線圈的內阻以Z表示，包括感性和阻性部分；由轉子勵磁線圈控制的發電機電動勢用交流電壓源以E表示。假設負載是純感性的，在向量圖中電流I滯后電壓U正好90°電相位角。如果負載是純阻性的，U和I的矢量將重合或同相。實際上多數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，與I同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降。在本例中，它恰好與U同相。因為電動勢必須等于發電機內阻的電壓降和輸出電壓之和，即矢量E＝U和I×Z的矢量和。電壓調節器改變E可以有效地控制電壓U。

現在考慮用純容性負載代替純感性負載時，發電機的內部情況會發生什么變化。這時的電流和感性負載時正好相反。電流I現在超前電壓矢量U，內阻電壓降矢量I×Z，也正好反相。則U和I×Z的矢量和小于U。

由于和感性負載時相同的電動勢E在容性負載時產生了較高的發電機輸出電壓U，所以電壓調節器必須明顯地減小旋轉磁場。實際上，電壓調節器可能沒有足夠的范圍來完全調節輸出電壓。所有發電機的轉子在一個方向連續勵磁含有永久磁場　，即使電壓調節器全關，轉子仍有足夠的磁場對電容負載充電并產生電壓，這種現象稱為“自激”。自激的結果是過壓或者是電壓調節器關機，發電機的監控系統則認為是電壓調節器故障（即“失勵”）。這任一種情況都會引起發電機停機。

發電機輸出端所接的負載，可能是獨立的，也可能是并聯的，決定于自動切換柜工作的定時和設置。在某些應用中，停電時UPS系統是發電機接入的第一個負載。在其它情況下，UPS和機械負載同時接入。機械負載通常有啟動接觸器，停電后重新閉合需要一定時間，補償UPS輸入濾波電容器的感性電動機負載要有延時。UPS本身有一段時間稱為“軟啟動”周期，將負載從電池轉向發電機，使其輸入功率因數提高。然而，UPS的輸入濾波器并不參與軟啟動過程，他們連接在UPS的輸入端是UPS的一部分，因此，在某些情況下，停電時首先接到發電機輸出端的主要負載是UPS的輸入濾波器，它們是高容性的（有時是純容性的）。 解決這一問題的方法很明顯要用功率因數校正。這有多種方法可以實現，大致如下：

安裝自動切換柜，使電動機負載先于UPS接入。某些切換柜可能不能實現這種方法。另外，在維護時，工廠工程師可能需要單獨調試UPS和發電機。

增加一個永久性反應電抗來補償容性負載，通常使用并聯纏繞電抗器，接在E-G或發電機輸出并聯板上。這是很容易實現的，而且成本較低。但是無論在高負載還是在低負載的情況下，電抗器總是在吸收電流并影響負載功率因數。而且不論UPS的數量多少，電抗器的數量總是固定的。

在每一臺UPS中加裝感性電抗器，正好補償UPS的容抗。在低負載情況下由接觸器（選件）控制電抗器的投入。此方法電抗器較精確，但數量較大且安裝和控制的成本高。

在濾波電容前安裝接觸器，在低負載時斷開。由于接觸器的時間必須精確，控制比較復雜，只能在工廠安裝。

哪一種方法是最佳的，要根據現場的情況和設備的性能來確定。

3 典型案例

以下是一個UPS和發電機兼容性問題的案例，一個在線服務供應商的新建數據中心在調試運行時發生的。它表明廠商、工程師和用戶如何發現并解決問題的。

現場裝有3套MGE UPS 3000kVA系統，每一套由4臺75 kVA IGBT調寬調頻模塊組成，可擴展到6臺。模塊的設計負載率是65％，UPS模塊配有輸入隔離變壓器和最大5％輸入電流諧波濾波器。所有的模塊分別連到兩組發電機并聯總線，每組總線有3臺1600 kW的發電機，可以擴展到6臺。每臺發電機都配有電子調壓器。每條并聯總線的電源轉換計劃是，在第一批負載接入前，等待兩臺發電機并聯。第一批負載包含每套系統中的一臺UPS和部分空調負載。隨著后續發電機的并入，與第一批相同的負載隨后加入。在故障模式測試中操作員發現，帶第一批負載的兩臺發電機中有一臺故障時，另一臺將出現過壓報警并于2s后關機。但是第一批負載遠低于一臺發電機的容量，因為此時UPS的負載很輕。隨即安排了進一步的測試，以確定UPS對單臺發電機的影響。因為首先懷疑的是UPS的輸入環節對調壓器的干擾，因此測試的UPS不帶負載，或UPS的逆變器關閉。測試裝置包括直流電壓和電流表，直接監測場激勵線圈，因為這些參數由調壓器控制，可以立即反映出調壓器的動作。同時用發電機本身的儀表監測負載的功率（W）、電流電壓（VA）、乏（var）。

首先用純阻性負載進行測試以建立基準。它表明隨著負載增加勵磁電流和電壓上升，如我們所預期。較大的負載電流在發電機內阻Z上產生較大的壓降I×Z，必須克服它以保持輸出電壓U穩定。接著測試UPS對發電機的影響，每次增加一臺。UPS不帶負載，觀察UPS整流器軟啟動過程。測試結果很明顯調壓器的動作和純阻性負載時相反。接入兩臺UPS后，調壓器已接近允許范圍的邊緣，再加一臺使得發電機2s后進入過載狀態。

請注意單臺750kVA UPS對應的負載值。它造成發電機關機實質上卻沒有真實負載，每臺UPS接近230kvar的容抗使得功率因數為0。

由工程師、業主、承包商、供貨商和廠商組成的項目小組，在考慮了所有的可能性后，選擇了在每個容性負載上安裝反應電抗器的方案。根據前面測試的數據，廠商為每臺UPS設計了200kvar并聯電抗器，并由接觸器控制，承包商在現場將其與UPS的輸入濾波器并聯安裝，工程師設計了外部控制電路，它測發電機的負載，僅當UPS由發電機供電且發電機的總kW負載低于一個（可調）設定值時，才允許電抗器接入。項目小組用修改后的UPS接入一臺發電機重新測試。

這時電容的影響依然存在，電抗器只能平衡部分而不是全部電容。因此，隨著UPS的增加，勵磁電流慢慢減少，然而這并不會造成問題。因為6臺UPS已超出一臺發電機的容量，而調壓器依然正常并控制著輸出電壓。

2.2 共振問題

電容自激問題可能被其他電氣狀態所加重或掩蓋，如串聯共振。當發電機的感抗的歐姆值和輸入濾波器容抗的歐姆值相互拉近，并且系統的電阻值較小時將產生振蕩，電壓可能超出電力系統的額定值。新近設計的UPS系統實質上為100％的電容性輸入阻抗。一臺500kVA的UPS可能有150kvar的電容和接近于0的功率因數。并聯電感、串聯扼流圈和輸入隔離變壓器是UPS的常規部件，這些部件都是感性的。事實上他們和濾波器的電容一起使UPS總體表現為容性，可能在UPS內部已經存在一些振蕩。加上連到UPS的輸電線的電容特性，整個系統的復雜性大為提高，超出了一般工程師所能分析的范圍。

近來在關鍵應用中兩個附加因素使得這些問題更普遍。首先，根據用戶高可靠數據處理的要求，計算機設備廠商在其設備中更多地提供冗余電源輸入。現在典型的計算機柜都帶有兩個或更多電源線。其次，設備經理要求系統支持在線維護，他們希望在UPS關機維護時關鍵負載也有保護。這兩個因素使得典型數據中心UPS的安裝數量增加，每臺UPS的負載容量減少。但是發電機的增加沒有與UPS保持一致。在設備經理的眼中發電機通常是備用的，容易安排維護。另外在一些大的項目中資金壓力限制昂貴的大功率發電機組的數量。結果是每臺發電機帶更多的UPS，這是一個令UPS廠商高興發電機廠商煩惱的趨勢。

對自激和振蕩的最佳防衛是物理學的基本知識。工程師應仔細地確定UPS系統在所有負載條件下的功率因數特性。UPS設備安裝后，業主應堅持全面的測試，在調試驗收時仔細測量整個系統的工作參數。當發現問題時，最佳的方案是成立由廠商、工程師、承包商和業主組成的項目小組，對系統進行完全測試并找出解決辦法。