UPS供電系統(tǒng)與發(fā)電機組的匹配兼容性

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對大功率UPS和發(fā)電機的需求迅猛增長，由此也產(chǎn)生了一些新問題。本文就UPS輸入端功率因數(shù)和輸入濾波器對發(fā)電機的影響，進行理論分析和實際案例的說明，以闡明問題產(chǎn)生的原因，進而找出解決的方法。

1發(fā)電機組和UPS之間的匹配問題

UPS供電系統(tǒng)的廠商和用戶很早就已經(jīng)注意到發(fā)電機組和UPS之間的匹配問題，特別是由整流器產(chǎn)生的電流諧波對供電系統(tǒng)如發(fā)電機組的電壓調(diào)節(jié)器、UPS的同步電路產(chǎn)生的不良影響非常明顯。因此，技術(shù)人員設(shè)計了輸入濾波器并把其應(yīng)用到UPS中，成功地在UPS應(yīng)用中控制了電流諧波。這些濾波器對UPS與發(fā)電機組的兼容性起到了關(guān)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輸入端具有破壞性的電流諧波。輸入濾波器的設(shè)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(shù)濾波器的另一個益處是提高帶載UPS的輸入功率因數(shù)。然而輸入濾波器的應(yīng)用帶來的另一個后果是使UPS整體效率降低。絕大多數(shù)濾波器消耗1%左右的UPS功率。輸入濾波器的設(shè)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(tǒng)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(shù)應(yīng)用到UPS設(shè)計中。IGBT逆變器的高效率導(dǎo)致了對UPS的重新設(shè)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?？傊瑸V波器中感性因素對容性因素的比率降低了，UPS的縮小了體積，提高了效率。而UPS與發(fā)電機的兼容性的問題又出現(xiàn)了。

2功率因數(shù)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(tài)。大多數(shù)的工程師都了解滿載情況下的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(tǒng)在輕載狀態(tài)下的電流諧波影響很小。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)電機的兼容性相當重要。

最新設(shè)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(shù)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(shù)，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(shù)UPS系統(tǒng)的輸入濾波器會導(dǎo)致明顯的功率因數(shù)降低。盡管如此，輸入功率因數(shù)卻很少會低于30%，有些新的系統(tǒng)甚至已達到空載功率因數(shù)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(guān)鍵負載，市電變壓器和輸配電系統(tǒng)也不受影響。但發(fā)電機就不同了，有經(jīng)驗的發(fā)電機工程師知道：發(fā)電機帶大容性負載時工作會不正常，當接入較低功率因數(shù)負載，典型的低于15%～20%容性時，由于系統(tǒng)失調(diào)，可能導(dǎo)致發(fā)電機停機。在市電停電后出現(xiàn)這種停機J應(yīng)急發(fā)電機系統(tǒng)帶動UPS系統(tǒng)負載將造成災(zāi)難性事故。由于下述兩種原因停機給關(guān)鍵負載帶來危險：(1)發(fā)電機需要手動重啟，并且必須在UPS電池放電結(jié)束前;(2)在停機前發(fā)電機可能引起系統(tǒng)的過壓，它可能損壞通信設(shè)備、火警系統(tǒng)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)甚至UPS模塊。

更糟糕的是，在事故發(fā)生后，很難區(qū)分責任，找出問題所在并予以糾正。廠商說UPS系統(tǒng)測試完好，并指出其它地方相同的設(shè)備沒有發(fā)生類似問題。發(fā)電機廠商說是負載的問題，無法調(diào)整發(fā)電機來解決問題。同時，用戶工程師則說明規(guī)格要求，希望相互兼容。要了解為何會發(fā)生事故及如何避免(或如何在關(guān)鍵應(yīng)用中找出解決方案)，首先需要了解發(fā)電機與負載的工作關(guān)系。

2.1發(fā)電機與負載

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，以其平均值與要求的電壓值相比較。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)電機定子線圈的旋轉(zhuǎn)磁場或稱為電動勢EMF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以E表示。假設(shè)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(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，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(fā)電機內(nèi)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(diào)節(jié)器改變E可以有效地控制電壓U。

現(xiàn)在考慮用純?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。這時的電流和感性負載時正好相反。電流I現(xiàn)在超前電壓矢量U，內(nèi)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(chǎn)生了較高的發(fā)電機輸出電壓U，所以電壓調(diào)節(jié)器必須明顯地減小旋轉(zhuǎn)磁場。實際上，電壓調(diào)節(jié)器可能沒有足夠的范圍來完全調(diào)節(jié)輸出電壓。所有發(fā)電機的轉(zhuǎn)子在一個方向連續(xù)勵磁含有永久磁場，即使電壓調(diào)節(jié)器全關(guān)，轉(zhuǎn)子仍有足夠的磁場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)。這任一種情況都會引起發(fā)電機停機。發(fā)電機輸出端所接的負載，可能是獨立的，也可能是并聯(lián)的，決定于自動切換柜工作的定時和設(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。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(zhuǎn)向發(fā)電機，使其輸入功率因數(shù)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(fā)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?nèi)菪缘?。

解決這一問題的方法很明顯要用功率因數(shù)校正。這有多種方法可以實現(xiàn)，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(xiàn)這種方法。另外，在維護時，工廠工程師可能需要單獨調(diào)試UPS和發(fā)電機。

增加一個永久性反應(yīng)電抗來補償容性負載，通常使用并聯(lián)纏繞電抗器，接在E-G或發(fā)電機輸出并聯(lián)板上。

這是很容易實現(xiàn)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(shù)。而且不論UPS的數(shù)量多少，電抗器的數(shù)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(shù)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(fù)雜，只能在工廠安裝。

哪一種方法是最佳的，要根據(jù)現(xiàn)場的情況和設(shè)備的性能來確定。

2.2共振問題

電容自激問題可能被其他電氣狀態(tài)所加重或掩蓋，如串聯(lián)共振。當發(fā)電機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(tǒng)的電阻值較小時將產(chǎn)生振蕩，電壓可能超出電力系統(tǒng)的額定值。新近設(shè)計的UPS系統(tǒng)實質(zhì)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(shù)。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。事實上他們和濾波器的電容一起使UPS總體表現(xiàn)為容性，可能在UPS內(nèi)部已經(jīng)存在一些振蕩。加上連到UPS的輸電線的電容特性，整個系統(tǒng)的復(fù)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(guān)鍵應(yīng)用中兩個附加因素使得這些問題更普遍。首先，根據(jù)用戶高可靠數(shù)據(jù)處理的要求，計算機設(shè)備廠商在其設(shè)備中更多地提供冗余電源輸入。現(xiàn)在典型的計算機柜都帶有兩個或更多電源線。其次，設(shè)備經(jīng)理要求系統(tǒng)支持在線維護，他們希望在UPS關(guān)機維護時關(guān)鍵負載也有保護。這兩個因素使得典型數(shù)據(jù)中心UPS的安裝數(shù)量增加，每臺UPS的負載容量減少。但是發(fā)電機的增加沒有與UPS保持一致。在設(shè)備經(jīng)理的眼中發(fā)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(fā)電機組的數(shù)量。結(jié)果是每臺發(fā)電機帶更多的UPS，這是一個令UPS廠商高興，發(fā)電機廠商煩惱的趨勢。

對自激和振蕩的最佳防衛(wèi)是物理學(xué)的基本知識。工程師應(yīng)仔細地確定UPS系統(tǒng)在所有負載條件下的功率因數(shù)特性。UPS設(shè)備安裝后，業(yè)主應(yīng)堅持全面的測試，在調(diào)試驗收時仔細測量整個系統(tǒng)的工作參數(shù)。當發(fā)現(xiàn)問題時，最佳的方案是成立由廠商、工程師、承包商和業(yè)主組成的項目小組，對系統(tǒng)進行完全測試并找出解決辦法。

3典型案例

以下是一個UPS和發(fā)電機兼容性問題的案例，一個在線服務(wù)供應(yīng)商的新建數(shù)據(jù)中心在調(diào)試運行時發(fā)生的。它表明廠商、工程師和用戶如何發(fā)現(xiàn)并解決問題的。

現(xiàn)場裝有3套MGEUPS3000kVA系統(tǒng)，每一套由4臺75kVAIGBT調(diào)寬調(diào)頻模塊組成，可擴展到6臺。模塊的設(shè)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(fā)電機并聯(lián)總線，每組總線有3臺1600kW的發(fā)電機，可以擴展到6臺。每臺發(fā)電機都配有電子調(diào)壓器。每條并聯(lián)總線的電源轉(zhuǎn)換計劃是，在第一批負載接入前，等待兩臺發(fā)電機并聯(lián)。第一批負載包含每套系統(tǒng)中的一臺UPS和部分空調(diào)負載。

隨著后續(xù)發(fā)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(fā)現(xiàn)，帶第一批負載的兩臺發(fā)電機中有一臺故障時，另一臺將出現(xiàn)過壓報警并于2s后關(guān)機。但是第一批負載遠低于一臺發(fā)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(fā)電機的影響。因為首先懷疑的是UPS的輸入環(huán)節(jié)對調(diào)壓器的*，因此測試的UPS不帶負載，或UPS的逆變器關(guān)閉。測試裝置包括直流電壓和電流表，直接監(jiān)測場激勵線圈，因為這些參數(shù)由調(diào)壓器控制，可以立即反映出調(diào)壓器的動作。同時用發(fā)電機本身的儀表監(jiān)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(yù)期。較大的負載電流在發(fā)電機內(nèi)阻Z上產(chǎn)生較大的壓降I×Z，必須克服它以保持輸出電壓U穩(wěn)定。接著測試UPS對發(fā)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(jié)果很明顯調(diào)壓器的動作和純阻性負載時相反。接入兩臺UPS后，調(diào)壓器已接近允許范圍的邊緣，再加一臺使得發(fā)電機2s后進入過載狀態(tài)。

此時注意單臺750kVAUPS對應(yīng)的負載值，它造成發(fā)電機關(guān)機實質(zhì)上卻沒有真實負載，每臺UPS接近230kvar的容抗使得功率因數(shù)為０。

由工程師、業(yè)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(yīng)電抗器的方案。根據(jù)前面測試的數(shù)據(jù)，廠商為每臺UPS設(shè)計了200kvar并聯(lián)電抗器，并由接觸器控制，承包商在現(xiàn)場將其與UPS的輸入濾波器并聯(lián)安裝，工程師設(shè)計了外部控制電路，它測發(fā)電機的負載，僅當UPS由發(fā)電機供電且發(fā)電機的總負載低于一個（可調(diào)）設(shè)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(fā)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(fā)電機的容量，而調(diào)壓器依然正常并控制著輸出電壓。