UPS电源与柴油发电机组接口兼容小议

柴油发电机组制造商很早就已经注意到柴发与UPS之间的配合问题，特别是由整流器出现的电流谐波对供电系统如发电机组的电压调整器、UPS的同步电路出现的不良影响非常明显。因此，康明斯公司规划了输入滤波器并把其应用到UPS中，成功地在UPS运用中控制了电流谐波。这些滤波器对UPS与发电机组的兼容性起到了关键功用。康明斯公司在本文对UPS与柴油发电机组不兼容问题的缘由从原理上进行了详细的阐明，并提出了相应的对策和建议。

      UPS是为关键负载提供交流不间断电源的装置。市电正常时，UPS从市电获得能源，经过适当的电力变换和调整（较典型的是整流/逆变双变换），处理电网线路的各种干扰，从而为负载提供稳定可靠的交流电源。市电停电时，UPS利用内部电瓶的储能，经逆变器不间断地供给负荷稳定可靠的交流电源。但蓄电池的储能通常只能供电10~30 min。对于市电长时间停电，虽然可以选取大容量电瓶．但保护时间仍然是有限的，而且大功率蓄电池是十分昂贵的。目前国内外普遍认为，大、中功率的UPS系统选用大功率蓄电池并不是经济合理的步骤，只有在非常特殊的情况下才介绍采用大容量蓄电池。

      因此，市电长时间停电时，通常需要由应急柴油发电机为UPS提供交流输入电源。然而，许多现场的运转经验表明，UPS和应急柴油发电机两者一起运转时存在一些不兼容的问题康明斯发电机中国官网。当选取较小功率的柴油发电机、UPS是柴油发电机的惟一负荷或者较大负荷的时候，就可能会产生不一样程度的不正常现状或事故。例如，柴油发电机给UPS供电时，出现输出电压、怠速不稳；输出电压严重失真，UPS在由柴油发电机供电时不能与柴油发电机的输出电压同步；UPS的关键负荷无法切换至由旁路电源供电等。这些接口问题出现后，往往不易找出原因和处理方案。为此．有必要熟悉柴油发电机的工作与UPS输人技术数据的关系，然后有针对性地选取途径。

      目前，运用的UPS具体分为线年代发生的Delta变换UPS。其中，与康明斯发电机组不兼容问题较突出的是双变换UPS。备用UPS、线交互UPS和Delta变换UPS与柴油发电机组不兼容问题比较大概，在运用中并不是十分突出。而双变换UPS与柴油发电机组不兼容问题要复杂得多，可能会发生各种各样的不正常状况，对供电装置的危害也更严重。

      双变换UPS供电系统由整流器／充电机、电瓶、逆变器、静态开关和手动修理旁路开关组成。作业原理如图3所示

      将交流输入电源（电网或应急康明斯发电机组）整流为直流电源，供给逆变器，同时给电瓶充电或浮充电。

      在交流输入电源故障时，为逆变器提供应急直流电源。

      将整流器或蓄电池的直流电源逆变为稳定可靠的高品质的交流电源，供给重要负荷。

      UPS本身故障时，用以不间断地将负载从逆变器切换到交流输入电源（经旁路输人开关）。

      UPS修复时，用以将负荷从逆变器切换到交流输入电源（经旁路输人开关）。

      整流器／充电机由大电供电，将交流电变为直流电；逆变器由整流器／充电机供电，将直流电变为交流电；负荷由逆变器供电。因为负载容量经过了两次变换，故而称为双变换UPS。

      大电短时间停电时，逆变器由蓄电池供电，负荷由逆变器供电；大电长时间停电时，整流器／充电机由应急柴油发电机供电，逆变器由整流器／充电机供电，负载由逆变器供电。

      负载直接由交流输入电源供电（经旁路输入开关），电路如图4所示。

      双变换UPS被认为是性能较好、应用范围较广、操作数量较多的UPS。50~500 kW的双变换UPS一般都选择6脉冲可控硅（SCR）相控整流器，这些整流器内部的可控硅元件在每个电源周期内轮流导通，每个可控硅导通1/3周期。因为换相时连接在交流输入电源不同相线上的两个可控硅在极短的时间内同时导通，造成瞬时相间短路，于是在交流电源电压波形上造成了所谓“换相凹口”。此外，当某个可控硅被触发导通时，交流电源相应的相电压就突然加到直流侧的滤波电感上，使交流电源的该相电流突然上升。因为滤波电感足够大，电流基本保持恒定，直到下一个可控硅被触发导通，结果形成了脉冲式的交流输入电流。这种电流波形包含大量的谐波电流，谐波的存在使得波形产生失真，谐波失真的程度用总谐波失真（THD）（所有谐波频率电流之和与基波频率电流的比值）表示。输入端选取6脉冲整流器的双变换UPS输入电流的THD为30%以上，主要含有5次、7次、11次、13次、17次、19次谐波。选择12脉冲整流器的双变换UPS输入电流的THD为10%左右，详细含有11次、13次、23次和25次谐波。

      下面的诠释可以表明，交流输入电源电压波形上的“换相凹口”和输入谐波电流是造成UPS和柴油发电机接口问题的主要缘由。

      在交流电源装置中，非线性负载可以等效为一个线性负荷和一系列的谐波电流源（对应于各个谐波频率电流）。可以认为，连接到交流电源的非线性负荷从交流电源吸取基波电流并向交流电源反馈各种频率的谐波电流。谐波电流流过电源的内阻（对各次谐波电流的阻抗）时将出现各次谐波电压。

      电源输出电压等于基波电压与谐波电压的向量和，谐波电压迭加在基波上必然引起电源电压波形失真发电机十大品牌。电源电压波形失真与负载谐波电流和电源内阻有关，负载谐波电流和电源内阻越大，电源电压波形失真越大。因此应尽力减轻负荷谐波电流和电源内阻。

      柴油发电机的内阻比市电电源大，在给线性负载供电时，输出电压波形为正弦波。但是当带有非线性负荷时，由于它的内阻较大，输出电压波形会出现严重失线）配电损耗增大

      谐波电流在配电系统中流动时，会使柴油发电机绕组过热，导致可靠性和寿命减小。

      发电机都采用自动电压调整器（稳压板）调整输出电压，调压板实时监视输出电压，根据输出电压的变化控制发电机的激磁，以保持输出电压的稳定。当选用由SCR接通和断开激磁电源的AVR时，如果发电机带UPS负载，因为发电机输出电压波形失真（包括电压波形的换相凹口），AVR可能会错误地断开激磁电流，从而造成发电机的输出电压降低。电压板根据减轻的电压对激磁电流进行补偿，必然使输出电压升得太高。接着稳压板又根据升高的电压控制激磁电流，使输出电压下降，结果造成输出电压不稳和装置事故。

      由于UPS输入端的整流器／充电机是交流输入电源的非线性负载，输入电流含有谐波成分，谐波电流产生的失真容量，会使视在容量增大，因为取决于基波电流的有功功率是固定的，所以容量因数下降。交流电源给UPS供电时，需要供出额外的视在容量。

硅整流器根本无法正常工作，UPS的检查电路判定为交流输人电源品质不合格或损坏，强迫UPS切换到蓄电池备用能源，经逆变器为负荷供电。当负载转换到蓄电池时，柴油发电机变为空载，输出电压波形失真消失。当UPS恢复由柴油发电机供电时，柴油发电机输出电压波形失真重新出现，这将引起UPS再次切换到由电瓶供电。以上步骤将以一定的时间间隔无限制地循环下去，直到电瓶的储能完全耗尽，导致UPS最后关机。

      过去，一般是在柴油发电机上想办法，较常载的途径是将柴油发电机降容使用，以减小谐波失真和绕组高温。该种举措是根据不一样柴油发电机的主要情形将柴油发电机容量加大到UPS容量的2~5倍。柴油发电机相对于UPS的容量越大，柴油发电机输出电压失真越小，但工程投资越大。因此．这是非常昂贵的举措，而且也无法保证UPS和柴油发电机组的完全兼容；另外，柴油发电机组的欠载还会引出康明斯发电机组运转保养方面的问题。因此，不宜过分追求电压波形失真小，一般将柴油发电机输出电压失线%即可保证UPS和柴油发电机的正常运行。

      20世纪90年代以来，人们对电源装置谐波电流越来越重视，一些国际标准对通常配电装置的谐波电流提出了限制。为了满足国际标准的要求柴油发电机工作原理，许多UPS厂商致力于减轻UPS输入端相控整流器产生的谐波电流的探讨，并采用了比较高效的、低成本的处置措施。IEEE std 519要求商业和工业用户向公共电源装置反馈的较大总谐波失线%。如果UPS的输入谐波电流达到了这个标准要点，UPS与柴油发电机的兼容性问题就彻底排除了。

      减轻双变换UPS输入谐波电流的策略详细有在整流器输入端串联电感、在整流器输入端加LC无源滤波器、12脉冲滤波器和总谐波控制有源滤波器。

      在交流输入电源（柴油发电机）和UPS的输入端之间加上一个电感LF，可以衰减各次谐波。假设发电机和电缆的总电感为LS，那么LF和LS组成的分压电路，可将发电机输出端的电压失真减少为UPS输人端电压失真的LS／（LS+LF）。

      这是较大概和较经济的方法，但是抑制谐波的效果有限，而且体积较大。

      LC无源滤波器由电感L和电容C结构的LC无源滤波器与整流器并列，这个滤波器布置对幅度较大的5次谐波（250 Hz）电流的阻抗为零，对7次谐波（350 Hz）电流的阻抗也很低。因此，5次谐波电流和大部分7次谐波电流都流经滤波器，不会流向发电机，导致发电机输出电压的失真。

      这种办法比较简易，滤波效果也很好，谐波电流总谐波失真（THDI）可以降低到5%。

      12脉冲滤波器就是选用12脉冲整流器。12脉冲整流器是由两个相差30°的6脉冲整流器构成的。由两个6脉冲整流器发生的谐波电流在整流变压器输人端迭加，消除了6脉冲整

      总谐波控制有源滤波器通过检验整流器输入电流谐波，滤波器输出与整流器谐波电流大小相同、相位相反的谐波电流。这样，交流电源只需要供给整流器基波电流。

      总谐波控制有源滤波器是较有效的滤波器，可以做到UPS输入（THDI）小于4%，而且功率因数可以提升到0.95~0.98（同时相移功率因数也得到改良）。但是，由于总谐波控制有源滤波器价格昂贵，目前详细用在大型UPS中。

       上述控制UPS谐波电流的对策各有优劣势，可以应用在不一样的UPS装备中。其中无源滤波器的滤波性能较好、成本较低，在UPS中应用较多。值得提出的是，无源滤波器虽然成功地抑制了谐波电流，但有时会导致UPS和柴油发电机新的不兼容问题，因此在进行装置布置时必须给予足够的重视。下面探讨无源滤波器对UPS和柴油发电机兼容性的危害。

      采用无源滤波器除了成功地抑制了谐波电流外，还有一个附加的亮点就是提升了UPS的输入容量因数。

      因为UPS在轻载时输入谐波电流对交流电源装置的危害很小，甚至可以忽略，无源滤波器的规划一般详细考虑UPS满载时输入谐波电流抑制和改进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容量因数。

       这种状况对UPS系统输出和负载没有什么危害，对大电变电站的变压器和配电装置也没有什么危害。但是，柴油发电机给超前功率因数的负荷（电容性负载）供电时可能会由于输出电压过高或无激磁而关机，给供电系统造成严重事故。这是因为无源滤波器存在而导致的UPS和柴油发电机不兼容的新问题。下面解读这种新的不兼容问题发生的原因。

      为了说明上述新的不兼容问题发生的缘由，我们首先浅述柴油发电机运转特征与其负荷性质的关系。图5是柴油发电机供电系统简化电路图。V1

1的大小取决于发电机的激磁电流。ZS是发电机定子绕组的阻抗（由电感和电阻元件构造），ZL是负载阻抗，Vs是发电机的输出电压，I是负荷电流。      负荷ZL

中，电流I滞后于发电机输出电压Vs90°，电流I流过定子绕组产生的压降表示为IxZL。由于定子阻抗包含电阻和电感两个分量，这个定子阻抗压降实际上是两个小的电压向量的和（与电流同相的电阻压降VR和超前电流90°的电感压降VL）。因为发电机的电势必须等于发电机内部阻抗和外部负荷阻抗的压降之和，于是发电机的电势向量V1等于发电机输出电压Vs和IxZS的向量和。因此，可以通过电压调整器改变发电机电势V1有效地控制发电机输出电压VS。 

S的相位与电感性负载时相反，结果向量Vs和IxZS合成的向量V1比Vs小。也就是说，很小的电势V1就能出现很大的输出电压VS。      在这种情况下，为了维持发电机输出电压Vs

1。但是，电压调整器不可能有足够的调整范围完全控制输出电压。由于发电机转子都有一定的剩磁，即使电压调整器完全关闭，仍有足够的磁场产生输出电压。这将致使输出过压或者电压调节器关闭，较终使发电机关机。因此，柴油发电机带电容性负载时无法正常作业。      值得注意的是，图6（b）的情形是实际存在的。在某些装置中，UPS是大电停电期间加到备用发电机上的第一个负载，UPS本身有软起动功用，可以在很短的时间逐渐将负荷加到备用发电机上。而UPS的输人滤波器是固定接在UPS输人端的，在UPS启动程序中输入电流呈现很强的电容性或UPS具有超前容量因数。

      因此，要解决上述问题，必须对UPS在空载和轻载时的输入容量因数进行调整。

      可以采用下列几种措施对UPS空载和轻载时的输人功率因数进行调整：

② 在发电机上或发电机配电屏上加上一个补偿电抗器。这个电抗器可以调节UPS空载和轻载时的容量因数，但也会危害大负载时UPS的容量因数。

③ 在每个UPS设备上加一个补偿电抗器，仅补偿本UPS发生的超前容量因数。这个策略可以根据该UPS发生的电容性电流精确地确定电抗器的容量。

      为了妥善解决UPS和柴油发电机组接口问题，使UPS和康明斯发电机组的不兼容性降到较小，在进行系统设计时应慎重考虑UPS和康明斯发电机组的选择要求。现根据上述研究，提出保证两者兼容的基础技术要求。

UPS输入容量因数应大于0.90~0.95。      滤波器在UPS轻载时能调节输入容量因数（有补偿电抗器或有控制滤波器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。

发电机组功率的选用应考虑较坏情形，在UPS确实满足了上述要点的状况下，通常可按UPS满载及电瓶充电时UPS的输入容量的1.3~1.5倍考虑。系统规划原则是：发电机为UPS供电时，其输出THDV不大于10%~15%。这样选定的发电机组功率较小，但可以与UPS兼容。注意，如果发电机组的其他负载要点更低的THDV，需根据实际情况确定发电机组功率。

UPS电源（不间断电源）和发电机组的兼容性问题在一些情况下可能会引发一系列的电力提供方面的挑战。由于柴油发电机的内阻抗要比市电的阻抗大很多，因此当柴油发电机给 UPS 供电时，装置中的谐波电流畸变迭加在发电机输出阻抗上而致使柴油发电机输出电压发生较大的谐波畸变，从而危害 UPS 整流器和发电机 电压板 的正常工作。于是，谐波电流畸变是布置功率配比时需要考虑到因素，必须保证在此功率配比下柴油发电机输出电压畸变不超过系统正常工作允许值，柴油发电机容量才能满足要点。综合而言，UPS电源和康明斯发电机组之间的兼容性问题需要仔细考虑和管理。选用适当的设备、进行适当的维保和测试以及实施合适的电力管理举措可以减小这些问题的出现，并确保在电力故障时系统能够可靠运转。建议咨询电力专业人士，以确保装置的规划和使用符合较佳实践。