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发电机与UPS电源匹配使用的配置方法
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来源:电工之家
作者:编辑部
【摘要】在大功率的UPS系统中，如果客户需要较长后备时间，往往需要配置大量的后备电池组。这种配置方案有一定的局限性，大量的后备电池组需要较大的存储空间，还要考虑楼板的承重问题，而且后备电池组存在一定的更换周期，也需要较大的资金投入。为解决这些问题，经......
在大功率的UPS系统中，如果客户需要较长后备时间，往往需要配置大量的后备电池组。这种配置方案有一定的局限性，大量的后备电池组需要较大的存储空间，还要考虑楼板的承重问题，而且后备电池组存在一定的更换周期，也需要较大的资金投入。为解决这些问题，经常考虑发与UPS匹配使用的配置方案，将作为最终的后备手段。　
　 在UPS与发电机匹配使用中，只需为UPS配置少量后备电池以备切换时使用。发电机与市电转换即可以手动，也可以设置自动切换设备（ATS）。当市电出现故障，自动切换设备（ATS）将自动切换到发电机端，发电机经过一定的时间延迟（可根据客户需要设定时间）自动启动，提供电力保障。
　　柴油发电机：在大功率的UPS系统中，长的后备时间要求所需的电池配置往往是占地大、投资高的方案，因此经常考虑采用柴油发电机加UPS的方案；即使有双路市电引入的场合，后备柴油机仍可作为最终的后备手段，而且与大容量后备电池组相比性价比更高。
　　在发电机与市电的转换上即可以手动，也可以设置自动切换设备（ATS），而发电机与UPS配置的容量配比关系上，往往由于UPS的谐波反馈、负载电流突变等干扰，需要发电机的容量为常规的UPS最大负载量的2~3倍，同时还应考虑发电机所带的其他负载的因素，决定其容量。
传统双变换UPS的输入V-I波形
　 柴油发电机与UPS连接时，存在着相互匹配问题，从柴油发电机的外特性来看，影响其频率和输出电压稳定的因素主要有两个方面:负载电流的高次谐波成分；负载的瞬时启动.传统双变换UPS的输入功率因数只有0. 8，输入电流的高次谐波高达30%，当使用柴油发电机为其供电时，必然会严重的影响油机频率和输出电压的稳定 ，所以油机的功率容量必须要高达UPS容量的2.5&3倍，才能保证系统正常运行。但是，当使用柏克MTT型UPS与油机组成供系统时，由于柏克MTT UPS的输入采用12脉冲整流和无功补偿调节电路,提高输入功率因素,高达0.95以上,输入电流的谐波成分小，对油机的频率和输出电压的稳定性影响极小，所以原则上讲， 选用比柏克UPS容量的1.3倍油机就可以使系统正常工作。论文发表、论文指导
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浅谈UPS电源与发电机组的兼容性
2013年第7期目录
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　【摘 要】现代航行管制设备采用了复杂的计算机监控和安全保护系统，其交流电源和供电系统的可靠性、安全性要求增高，因此“两路市电+UPS+后备发电机组”的供电形式广泛应用空管系统。本文从UPS产生的谐波对电网及发电机组的危害和频率漂移对UPS和发电机组的危害等几方面综合进行论述谐波干扰和频率漂移带来的危害。 中国论文网 /6/view-4116420.htm　　【关键词】UPS；发电机组；谐波危害；频率漂移 　　1、谐波的产生与危害 　　谐波的产生是由非线性负载所致。当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。 　　谐波的危害很大，由于谐波的频率较高，使导线的趋肤效应加重，因此铜损急剧增加；谐波还会影响表计的计量精度，使精密电子设备会被严重干扰，导致不能正常工作。另外，接于电网中的设备损耗都会增加，温升增加。最后，谐波会造成继电保护机构误动或拒动。 　　2、UPS产生的谐波对电网及发电机组的危害 　　在空管系统中，计算机、服务器、雷达等设备对交流电源的要求最高，属于特别重要的一级负荷。因此，大功率UPS得以大面积的广泛使用，但由于UPS使用的整流器和逆变器等电子开关元件产生的谐波，使 UPS本身成了一个大的电磁发射源，在为所保护的负载提供持续电能的同时，自身又会产生新的电磁干扰。 　　如上图所示，UPS由市电中吸取的能量不是连续的正弦波，而是断续的。因此，虽然输入交流电压是正弦波，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，这样势必造成输入功率因数下降并污染电网。 　　2.1UPS产生的谐波电流对电网的危害 　　脉冲状的输入电流，含有大量谐波，造成对电网的谐波污染，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变，将电网电压由正弦波畸变为非正弦波形；另一方面，会造成电路故障，使变压设备损坏。线路和配电变压器过热；引起电网LC谐振；高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸。 　　2.2UPS产生的谐波电流对发电机组的危害 　　⑴降低发电机组的带载能力：由于发电机组的输出电压畸变度大（波形失真大），而且额定输出功率有限，其内阻大的问题显得更加突出。用发电机组带非线性负载时，会发生各种不兼容的问题。其原因是非线性负载向发电机组反射大量的高次谐波，其中以5次和11次谐波对发电机组的危害最严重。这些谐波会消耗大量的无功功率，从而使发电机组带载能力下降，输入电压波形畸变增大。 　　⑵电压震荡：UPS产生的电流谐波分量“倒流”，造成输入电压波形畸变，反馈的电压波动，造成发电机组的输出电压稳定度差，形成震荡。 　　⑶电流震荡：同样由于电流谐波分量，造成输入电流畸变。在UPS负载稳定的情况下，发电机组输出电流大范围摆动，而且这种摆动无法调整。 　　3、频率漂移对UPS和发电机组的危害 　　3.1UPS不能正常工作 　　⑴在UPS电源中，逆变输出跟踪旁路电源，逆变电源与旁路电源锁相、同步。当旁路电源由发电机组提供时，频率会发生快速变化。当频率变化超出于先设定的极限值时，逆变器频率变化就无法跟上旁路电源的频率变化（在这种情况下切换，可能造成逆变器过流、短路）。 　　⑵整流器在频率正常时工作，频率漂移时不工作，如此以来，就会造成频繁的放电循环，将大大缩短电池寿命。更严重的后果是将电池电量全部放光，造成输出中断。 　　3.2增加发电机组机械磨损 　　频率漂移导致UPS整流器时而工作，时而不工作的频繁切换的状态，加速了机械磨损，甚至损坏机组部件。 　　4、如何解决UPS与发电机组兼容性 　　4.1发电机组的选择。不同的励磁方式和适当的匹配功率有助于将发电机组和UPS配合时出现的问题最小化。发电机组的选择可以从以下两方面考虑。 　　（1）发电机组的输出功率。 　　发电机组的功率与UPS的功率并不是简单的一对一关系，还必须考虑UPS电池充电所需功率，UPS的整机效率，UPS整流器引起的谐波电流失真等，都需要适当增加发电机组的功率。UPS的整流器对频率漂移更加敏感，这也需要增大发电机功率。所以一般选择发电机功率是UPS功率的2倍以上。 　　（2）发电机组的励磁工作方式。 　　发电机组分为自励式和永磁式（PMG）两种。这两种发电机组励磁方式的根本区别是：自励式从发电机组的电枢绕组给调压器AVR同时提供功率和信号源；而永磁式从永磁发电机电枢绕组给调压器AVR提供功率，与同步发电机组电枢绕组的电势波形畸变无关。 　　因此自励式发电机组的调压器AVR受非线性负载的影响比较明显。但由于现在的发电机组几乎全部采用自励式的励磁方式，所以UPS功率与发电机组功率之比至少为1：（2～2.5），但仍不能排除发电机组不受UPS影响。 　　4.2UPS的选择。UPS整流方式的不同以及对频率漂移的适应性都是选择UPS的重要技术依据。其中高频PWM整流技术的“绿色环保”UPS，即通常所说的高频UPS。 　　高频UPS采用的高频PMW整流电路和传统相控式UPS整流电路最大的不同在于，其中输入PMW整流电路和输出SPMW逆变电路均采用IGBT器件，使用IGBT整流技术的整流器利用高频切割脉宽调制电流，达到正弦波式输入电流的目的。 　　高频UPS主要的技术特性： 　　（1）具有完美的正弦波输入电流，极大的减少了UPS对电网的谐波污染。如下图所示： 　　（2）因为输入电压与输入电流同相，使得功率因数近似为PF=1，UPS与电网之间几乎没有无功传递，大幅度减小无功损耗，降低电源系统的容量。 　　因此可以选择UPS功率与发电机组功率之比为1：1，从而节约能源，降低系统成本。下表是IGBT高频整流与传统相控UPS的技术参数比较： 　　（3）输入电压范围宽，更适合电网电压剧烈波动。 　　（4）整流输出直流电压波纹小，可延长续电池寿命。 　　5、“发电机组+电力稳压器+UPS电源”供电系统是否必要 　　在民航的空管系统用的UPS供电系统中，为使UPS电源能适应输入电网的电压波动范围大的应用条件，需要在备用发电机与UPS供电系统之间增配电力稳压器。 　　通过上述分析，知道影响UPS的最大问题是谐波和频率漂移。而处于”串联工作状态”中的电力稳压器不会对输入谐波特性和频率产生任何实质性的影响。而且采用电力稳压器还会产生负面影响。 　　5.1电力稳压器与UPS的输入电压和输入电流不仅具有非常相似的工作波形和基本相同的输入谐波特性参数。而且，它们的输入电流谐波分量的频谱分布曲线也具有非常相似的变化规律。对输入电压和电流的波形失真毫无助益。 　　5.2电力稳压器的使用是为了防止电源电压剧烈波动。从目前来看，电网和发电机组的输出电压相当稳定，而且UPS本身具有稳压功能，适应输入电压范围相当大（一般为±10%）；因此电力稳压器的应用无疑为画蛇添足，多此一举。 　　综上所述，“发电机组+电力稳压器+UPS电源”供电系统不仅毫无必要，还会增加故障点，引起负面影响，增加系统成本。所以，使用“发电机组+UPS电源”就完全可以满足用户需求。 　　6、结束语 　　通过上述几个方面的分析，对于UPS电源和发电机组来说，我们可以采取增加发电机组的功率，选用高频IGBT整流技术的UPS等手段来提高兼容性。而且“发电机组+UPS电源”这种供电形式完全可以满足用户需求，不必增加电力稳压器。
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如何处理UPS并机系统与发电机的容量匹配问题（一）
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柴油发电机组与UPS如何配置
发布日期： 15:21:20
& & 要改善备用发电机组与UPS设备之间的匹配问题，在尽量选用性能优良的柴油发电机组的同时，应把注意力主要放在改善UPS的输入特性和改善两者之间连接方式上。
& & 根据UPS容量，一般一台传统双变换在线式UPS配套发电机组的容量比为2～4倍。事实上，UPS一般工作在50%～80%额定容量，而对发电机组来说，其输出的功率可能为额定容量的30%左右。这样不但造成发电机组的容量不能充分利用，增加了设备投资，造成了"大马拉小车"的现象，而且使发电机组更容易发生故障，增加了维护量，降低了发电机组的工作可靠性。其原因是，根据柴油发电机的特性，如果长期在小负荷下工作，气缸内温度较低，正常进入气缸内的润滑油不能完全燃烧，而燃油也不能充分燃烧，造成活塞环处、喷油嘴处积炭严重，气缸磨损加剧，因而加速上述部位故障的产生，便柴柴油发电机系统工作性能下降，排气冒黑烟。
& & 柴油机处于30%额定负载以下，经济性变差。通常，发电机组工作在负载超过额定负载的60%对柴油机较为有利。
& &&解决这一间题的方法就是，对发电机负载输入特性进行校正。下面，具体介绍几种常用的方法。
& & (1)改善系统功率因数
& & 改善系统功率因数的方法很多，主要介绍以下几种。
& &&第一种方法是设置自动切换柜，便发电机的其他负载先于UPS接入。此方法只适用于大功率柴油发电机系统-UPS供电系统。这样的系统中，除UPS外还有其他性质的负载。这种自动切换柜实现起来有一定的因难，而且在维护时生产厂商的工程师需要单独对UPS和发电机进行调试。
& & 第二种方法是增加一个永久性感应电抗来补偿容性负载，通常使用并联线绕电抗器接在发电机输出并联板上，这很容易实现而且成本较低，但无论是重负载还是轻负载，电抗器总是在吸收电流并影响负载功率因数。而且，不论UPS的数量多少，电抗器的数量总是固定的。
& & 第三种方法是在每一台UPS中加装正好能补偿UPS容抗的感性电抗器，在低负载情况下由接触器(选件)控制电抗器接入。此方法可较精确地设置电抗器，但数量较大且安装和控制的成本高。
& & 第四种方法是在滤波器电容前安装接触器，在低负载时断开。由于接触器的时间必须精确，控制比较复杂，只能在工厂安装。
& &&第五种方法是在UPS供电系统前面配置混合型有源滤波器DHM，使整个供电系统的输入功率因数保持在0.95以上，输入电流谐波控制在10%以下。
& & (2)改善UPS设备的输入功率因数
& & 这里讲的不是用增加UPS输入端无源滤波器方法。对于传统双变换在线式UPS，可改6脉冲整流为12脉冲整流，这种方法对提高UPS输入功率因数和降低输入电流谐波成分是有效的，但是它的输入端同样要设置滤波器，所以不能从根本上解决柴油发电机系统与UPS的匹配问题。
& & (3)消除系统中设备启动电流冲击
& & 在供电系统中，任何大功率用电设备的启动都会形成过大的启动冲击电流，严重污染电网，造成电网电压下陷。特别是电网掉电后启动柴油发电机系统对系统供电时，会影响柴油发电机系统的正常启动，甚至引起UPS系统故障。
& & 电网掉电后，UPS转电池逆变向负载供电，而电力稳压器则进入不工作停机状态。柴油发电机系统启动时面临电力稳压器启动和UPS由电池逆变转柴油发电机系统供电的负载电流转移过程，电力稳压器所产生的第1级的开机启动浪涌电流幅值包络线的变化特性为:最大峰值电流是135A，持续期为0.2s左右单极性的瞬态浪涌电流。由UPS所产生的在第2级的开机启动浪涌电流，它出现在第1级的开机启动浪涌电流消失后的3-4s之后。由1台8OkVAUPS所产生的第2级的具有输入电流的缓启动爬升特性的启动电流，输入电流的稳态值是5OA。从测试曲线可知，能对发电机的安全运行造成最大潜在威胁的浪涌电流是来自由1OOkVA的电力稳压器和8OkVA6脉冲型UPS所产生的具有缓启动爬升调制特性的输入电流及其输入谐波电流。
& & 在供电系统中，启动时冲击电流最严重的设备是线性变压器(包括隔离变压器、UPS输入12脉冲整流用变压器和以补偿变压器为主体的交流稳压器)。
& & 产生启动冲击电流的另一个设备是UPS，在市电-柴油发电机系统-UPS供电系统中，市电掉电柴油发电机系统启动正常后，UPS的接入影响主要表现在两个万面，一是负载电流由电池逆变向柴油发电机系统供电的转移，这种转移可能会形成柴油发电机系统负载的突变，另外也不排除在负载转移过程中同时要给UPS电池充电，其变化的瞬态幅值要大于UPS正常对负载供电的输入电流;二是UPS输入端无源滤波器在启动时的容性电流的影响。对于前者，为了降低UPS启动冲击电流对柴油发电机系统的影响，通常要求UH启动时具有"软启动"功能/使启动时的输入电流由零缓慢增加到额定值。UPS沿的慢启动过程对柴油发电机系统-UPS系统的稳定性也是很重要的。下面以Delta变换UPS在柴油发电机系统供电情况下的慢启动过程来说明这一问锤。
& & 由于Delta变换UPS的Delta变换器工作在高频脉宽调制状态，所以UPS开机时，它的慢启动过程可以做得很理想，图5-8所示为S1con480kUPS由柴油发电机带动时的输入慢启动特性实测波形。
& &&UPS机型:SlconDP3480E，480kVM480kW。
& & UPS冶负载:满载，5OOkW。
& & 慢启动过程:105。
& & 柴油发电机系统:625kVA，即5OOkW。
& & 油机在负载启动过程中的频率变化:0.25Hz。
& &尽管UPS延迟了启动时间，但并没有消除柴油发电机系统负载突变的问题。
上面的分析和实测数据表明，在改善油机和UPS的匹配关系时，应把重点放在改善UPS输入特性上，包括提高UPS输入功率因数，降低输入电流谐波成份，改善UPS动、负载突变、电池逆变与市电逆变转换等过程的UPS输入电流的变化特性。由于Delta变换UPS输入变换器是一个理想的正弦波电流源，它在输入功率因数、输入电流谐波成分、输入电流的缓变特性等方面，都为柴油发电机系统提供了一个理想的负载特性，所以它与柴油发电机系统的容量比可做到1.5:1，而输入端带有一般的可控整流电路的传统双变换UPS，输入AC/DC变换器和附加的无源滤波器都不利于与柴油发电机系统的匹配，这种USP与柴油发电机系统的容量比为2:1至4:1。&& 文章内容
如何才能实现UPS和发电机组之间的良好匹配
[日期：] & 来源：UPS电源网|UPS电源资讯网|& 作者：UPS电源网|UPS电源资讯网| & 阅读：78次[字体：
导致问题的多个因素
　　机房中的负载既有线性负载，也有大量的非线性负载，其中较典型的非线性负载就是UPS。要在紧急情况下确保UPS对业务设备的持续可靠供电，发电机组就必须适应其非线性的特性。
　　艾默生网络能源表示，当发电机组与后端负载不匹配时，通常在发电机组的输出电能质量、检测和控制等多个方面会出现严重问题，影响设备的正常工作。如果在设备运行过程中发现存在异常状况，就需要在对发电机组进行检查的同时，仔细考虑一下它和后端负载之间是否匹配良好。
　　针对造成这种问题的原因，艾默生网络能源分析指出，对于大功率UPS和发电机组之间的匹配效果，主要是由这样几个因素决定。首先是设备容量。计算发电机组容量，不仅要考虑UPS的额定功率、采用的架构不同带来的影响也不同。最后是电流谐波。发电机组易受到非线性负载的影响，即在负载谐波电流的影响下，其电压波形的失真会明显大于变压器，内部损耗会明显增大，导致绕组发热，发电机AVR的检测准确度和控制效果会明显变差。同时电压和电流谐波还会对UPS的检测和同步电路造成影响，并可能触发某些保护动作。
　　&对症下药&的解决方案
　　基于对大功率UPS和发电机组的相关特性进行全面了解后，艾默生网络能源据此给出了针对性的解决方案，从多个方面着手实现二者之间的合理匹配。
　　首先，需要尽可能详细的了解负载信息，并据此对发电机组输出功率进行适当的放大选型，在此前提下若能尽量达到60%~80%的负载率则对发电机组较为有利；尽可能选择输出阻抗小、瞬态响应能力好的发电机；发电机的稳压励磁调节，建议采用受谐波影响小的类型，如PMG永磁式发电机；发电机AVR的电压检测建议采用三相检测取平均值的方式，而不是单相检测，以提高电压检测的稳定度，降低电压波动对发电机的影响；不同工作方式的发电机组，对非线性负载的带载能力也会有所不同，如两冲程柴油发电机组要优于四冲程柴油发电机组；需要注意如果发电机组的控制器参数设置不当，也会造成与不匹配；在投入UPS时，若发现发电机组电压和频率表的数值摇摆不稳，适当调低AVR的灵敏度旋钮可能会解决问题；为避免交流*信号影响发动机电子调速器的性能，需将调速器的外壳良好接地，并对其转速传感信号采取良好的屏蔽措施；建议对发电机组采取分步的方式加载，加载顺序原则上大负载先启动，小负载后启动。
　　其次，发电机组输出的有功功率取决于发动机的出力，视在功率则主要取决于发电机的容量。所以发电机组在带UPS等非线性负载时，只需增大发电机的容量，其瞬态特性就会大大的增强，而整台机组的输出有功功率并未增加。实践证明，采用这种&小马拉大车&的方式来解决UPS和发电机组的匹配问题完全可行，并能为用户节约一笔相对可观的投入成本。
　　第三，要选择更能适合发电机组特性的，应选择输入功率因数较高且电流谐波较小的UPS；对于滤波器在UPS空载或轻载时会导致其输入侧呈容性的特点，建议选用可提供针对性完善和优化方案的品牌，如艾默生网络能源的HipulseU和NXL系列；如果UPS具备高速宽频的整流器控制电路、旁路电压/频率保护范围和逆变器同步速率现场可调、Power-Walk-In延时启动、整流器缓启动、智能发电机模式等功能和特点，可更好地与发电机组相匹配。
　　第四，在低压配电方面，可利用感性负载和容性负载特性互补，尽量使总负载的功率因数保持在感性0.9左右；通过自动投切装置，使空调等感性负载先于UPS接入；将各个ATS的自动切换时间错开，以防止在市电切发电机供电时，所有负载同时启动导致发电机组输出波动过大或保护停机；避免无功补偿柜对发电机组进行补偿；在供电系统中使用成熟可靠的补偿调节装置，进行感性/容性无功补偿和谐波治理。
　　此外，值得注意的是，数据中心建成验收时的假负载测试通常使用的是阻性载，有一定参考价值，但无法完全模拟真实负载的工况，在无功和谐波等方面存在测试盲区。所以即使通过了严格的假负载测试，也不代表供电系统内各设备之间就实现了完全匹配，仍然不能掉以轻心。
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