發電機與UPS的配置問題

根據UPS容量，一般一臺傳統雙變換在線式UPS配套發電機組的容量比為2～4倍。事實上，叨淚一般工作在50%～80%額定容量，而對發電機組來說，其輸出的功率可能為額定容量的30%左右。這樣不但造成發電機組的容量不能充分利用，增加了設備投資，造成了"大馬拉小車"的現象，而且便發電機組更容易發生故障，增加了維護量，降低了發電機組的工作可靠性。

要改善各用發電機與UPS設備之間的匹配問題，在盡量選用性能優良發電機的同時，應把注意力主要放在改善UPS的輸入特性和改善兩者之間連接方式上。

根據UPS容量，一般一臺傳統雙變換在線式UPS配套發電機組的容量比為2～4倍。事實上，叨淚一般工作在50%～80%額定容量，而對發電機組來說，其輸出的功率可能為額定容量的30%左右。這樣不但造成發電機組的容量不能充分利用，增加了設備投資，造成了"大馬拉小車"的現象，而且便發電機組更容易發生故障，增加了維護量，降低了發電機組的工作可靠性。其原因是，根據柴油發電機的特性，如果長期在小負荷下工作，氣缸內溫度較低，正常進入氣缸內的潤滑油不能完全燃燒，而燃油也不能充分燃燒，造成活塞環處、噴油嘴處積炭嚴重，氣缸磨損加劇，因而加速上述部位故障的產生，便柴柴油發電機系統工作性能下降，排氣冒黑煙。

柴油機處于30%額定負載以下，經濟性變差。通常，發電機組工作在負載超過額定負載的60%對柴油機較為有利。

解決這一間題的方法就是，對發電機負載輸入特性進行校正。下面，具體介紹幾種常用的方法。

(1)改善系統功率因數

改善系統功率因數的方法很多，主要介紹以下幾種。

第一種方法是設置自動切換柜，便發電機的其他負載先于UPS接入。此方法只適用于大功率柴油發電機系統-UPS供電系統。這樣的系統中，除UPS外還有其他性質的負載。這種自動切換柜實現起來有一定的因難，而且在維護時生產廠商的工程師需要單獨對UPS和發電機進行調試。

第二種方法是增加一個性感應電抗來補償容性負載，通常使用并聯線繞電抗器接在發電機輸出并聯板上，這很容易實現而且成本較低，但無論是重負載還是輕負載，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。

第三種方法是在每一臺UPS中加裝正好能補償UPS容抗的感性電抗器，在低負載情況下由接觸器(選件)控制電抗器接入。此方法可較精確地設置電抗器，但數量較大且安裝和控制的成本高。

第四種方法是在濾波器電容前安裝接觸器，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。

第五種方法是在UPS供電系統前面配置混合型有源濾波器DHM，使整個供電系統的輸入功率因數保持在0.95以上，輸入電流諧波控制在10%以下。

(2)改善UPS設備的輸入功率因數

這里講的不是用增加UPS輸入端無源濾波器方法。對于傳統雙變換在線式UPS，可改6脈沖整流為12脈沖整流，這種方法對提高UPS輸入功率因數和降低輸入電流諧波成分是有效的，但是它的輸入端同樣要設置濾波器，所以不能從根本上解決柴油發電機系統與UPS的匹配問題。在本書第4章中介紹了改善UPS輸入功率因數的方法，其中最有效的辦法是把叨，S輸入端AC仍C整流電路改為高頻整流(PFC)電路(如第2章圖2-51和第4章圖4-28所示)，因為這種辦法可以在UPS負載0～100范圍內都把輸入功率因數提高到0.95以上，當UPS負載超過50A時，可提高到0.98以上，而且輸入端無需再加無源LC濾波器，在這樣的系統中，可使發電機與UPS的容量配置關系達到1.5:1。

(3)消除系統中設備啟動電流沖擊

在供電系統中，任何大功率用電設備的啟動都會形成過大的啟動沖擊電流，嚴重污染電網，造成電網電壓下陷。特別是電網掉電后啟動柴油發電機系統對系統供電時，會影響柴油發電機系統的正常啟動，甚至引起UPS系統故障。圖5-7是柴油發電機系統啟動時的沖擊電流實測波形。

圖5-7所示為由1臺1OOkVA的電力穩壓器+1臺8OkVAUPS所組成的UPS供電系統。電網掉電后，UPS轉電池逆變向負載供電，而電力穩壓器則進入不工作停機狀態。柴油發電機系統啟動時面臨電力穩壓器啟動和UPS由電池逆變轉柴油發電機系統供電的負載電流轉移過程，電力穩壓器所產生的第1級的開機啟動浪涌電流幅值包絡線的變化特性為:最大峰值電流是135A，持續期為0.2s左右單極性的瞬態浪涌電流。由UPS所產生的在第2級的開機啟動浪涌電流，它出現在第1級的開機啟動浪涌電流消失后的3-4s之后。由1臺8OkVAUPS所產生的第2級的具有輸入電流的緩啟動爬升特性的啟動電流，輸入電流的穩態值是5OA。從測試曲線可知，能對發電機的安全運行造成最大潛在威脅的浪涌電流是來自由1OOkVA的電力穩壓器和8OkVA6脈沖型UPS所產生的具有緩啟動爬升調制特性的輸入電流及其輸入諧波電流。

在供電系統中，啟動時沖擊電流最嚴重的設備是線性變壓器(包括隔離變壓器、UPS輸入12脈沖整流用變壓器和以補償變壓器為主體的交流穩壓器)，有關沖擊電流產生的物理過程、特性和消除辦法，請看本章第3節。

產生啟動沖擊電流的另一個設備是UPS，在市電-柴油發電機系統-UPS供電系統中，市電掉電柴油發電機系統啟動正常后，UPS的接入影響主要表現在兩個萬面，一是負載電流由電池逆變向柴油發電機系統供電的轉移，這種轉移可能會形成柴油發電機系統負載的突變，另外也不排除在負載轉移過程中同時要給UPS電池充電，其變化的瞬態幅值要大于UPS正常對負載供電的輸入電流;二是UPS輸入端無源濾波器在啟動時的容性電流的影響。對于前者，為了降低UPS啟動沖擊電流對柴油發電機系統的影響，通常要求UH啟動時具有"軟啟動"功能/使啟動時的輸入電流由零緩慢增加到額定值。UPS沿的慢啟動過程對柴油發電機系統-UPS系統的穩定性也是很重要的。下面以Delta變換UPS在柴油發電機系統供電情況下的慢啟動過程來說明這一問錘。

由于Delta變換UPS的Delta變換器工作在高頻脈寬調制狀態，所以UPS開機時，它的慢啟動過程可以做得很理想，圖5-8所示為S1con480kUPS由柴油發電機帶動時的輸入慢啟動特性實測波形。

UPS機型:SlconDP3480E，480kVM480kW。

UPS冶負載:滿載，5OOkW。

慢啟動過程:105。

柴油發電機系統:625kV肘5OOkW。

油機在負載啟動過程中的頻率變化:0.25Hz。

ABB于2000年10月和12月測出了美國另外兩種品牌大功率傳統雙變換UPS輸入慢啟動特性，如圖5-9所示。其中，圖5-9(a)是2000年10月測出的，圖5-9(b)是2000年12月測出的。從圖中可以看出，雖然這兩個啟動波形不完全相同，但整個過程由兩次諧躍完成這一點卻是一樣的。盡管UPS延遲了啟動時間，但并沒有消除柴油發電機系統負載突變的問題。

上面的分析和實測數據表明，在改善油機和UPS的匹配關系時，應把重點放在改善UPS輸入特性上，包括提高UPS輸入功率因數，降低輸入電流諧波成份，改善UPS動、負載突變、電池逆變與市電逆變轉換等過程的UPS輸入電流的變化特性。由于Delta變換UPS輸入變換器是一個理想的正弦波電流源，它在輸入功率因數、輸入電流諧波成分、輸入電流的緩變特性(如圖2-52至圖2-56所示)等方面，都為柴油發電機系統提供了一個理想的負載特性，所以它與柴油發電機系統的容量比可做到1.5:1，而輸入端帶有一般的可控整流電路的傳統雙變換UPS，輸入AC/DC變換器和附加的無源濾波器都不利于與柴油發電機系統的匹配，這種USP與柴油發電機系統的容量比為2:1至4:1。

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