UPS输入特性与发电机组的兼容性

    在市电-发电机-UPS系统中，市电掉电后，发电机做为输入电源向UPS供电，此时UPS成为发电机系统中惟一的或者说主要的负载。发电机的输出特性和UPS的输入特性决定了两者的匹配关系。

    (1)柴油发电机的输出特性

    发电机依靠电压调节器控制输出电压。电压调节器检测三相输出电压，以其平均值与设定的电压值相比较。调节器从发电机内部的辅助电源取得能量，通常是与主发电机同轴的小发电机，传送DC电源给发电机转子的磁场激励线圈。线圈电流上升或下降，控制发电机定子线圈的磁场(或称为电动势NMF的大小。定子线圈的磁通量决定发电机的输出电压。

    发电机定子线圈的内阻，以Z表示，包括感性和阻性部分。由转子励磁线圈控制的发电机电动势用交流电压源应E表示。因为假设负载是纯感性的，在相量图中电流I滞后电压寸正好90°电相位角。如果负载是纯阻性的，σ和I的矢量图曲线将重合(或同相)。实际上多数负载介于纯阻性和纯感性之间。

    电流通过定子线圈引起的电压降用电压矢量I×Z表示。它实际上是两个较小的电压矢量之和，两个电压矢量是与I同相的电阻压降和超前90°的电感压降。因为电动势必须等于发电机内阻的电压降和输出电压之和，即矢量它等于d和I×Z的矢量和。则厄卜山电压调节器改变瓦可以有效地控制输出电压冲。

    现在来看一看用纯容性负载代替纯感性负载时，发电机的内部情况会发生什么变化。此时的输出电流方向正好和感性负载时的相反。电流I超前电压U正好90°的相位角，内阻电压降矢量I×Z的方向也相反。则U和I×Z的矢量和E对于与感性负载时相同的电动势瓦在容性负载时就产生了较高的发电机输出电压寸，所以电压调节器必须明显地减小定子线圈的磁场。实际上，电压调节器可能没有足够的调节范围来调节输出电压。因为发电机的转子含有一个永久磁场，该永久磁场将在一个方向连续励磁，即便电压调节器完全关闭，转子永久磁场连续励磁产生的电动势仍足以对电容负载充电并产生电压，这种现象称为"自激"。自激的结果是过压或者是电压调节器关机，发电机的监控系统则认为是电压调节器故障(即"失励。这两种情况都会引起发电机停机。

    当柴油发电机带有非线性负载(包括超前或滞后功率因数的负载，以及带有高次输入谐波电流的负载)时，都会对柴油发电机的工作稳定性造成危害。在配电系统中，这种性质的负载有参数调整型交流稳压器、带整流滤波输入的UPS及调速马达等。特别是图5-6所示情况，这是一个典型的R、L、C串联电路，在负载性质和负载量变化过程中，很可能出现串联共振，造成柴油发电机输出电压和频率大幅 度周期性变化。

    (2)UPS对柴油发电机的污染

    以下凡种情况将造成了UPS对柴油发电机的污染。

    ①UPS电路结构决定的输入非线性特性。最典型的是传统双变换在线式UPS，由于其输入端AC仍C变换器是整流滤波电路，它的输入电流是脉冲电流，不仅输入功率因数低(0.7～0.8)，还包含有大量的高次谐波电流(30%～40%)，而低输入功率因数和谐波电流都会通过发电机定子线圈的感性内阻，严重影响柴油发电机的工常运行。后备式和在线互动式UPS直接把计算机类型的负载反映到输入端，也会对发电机产生同样的污染，好在这些UPS的输出功率都很小，不像大功率传统双变换在线式UPS那样，把大容量负载集中整流滤波所形成的污染要严重得多。

    ②UPS输入无源滤波器。为了改善发电机与UPS之间的匹配，UPS系统工程师们设计了输入无源滤波器，这样便明显地控制了电流谐波对发电机的影响。这些滤波器对提高UPS与发电机组的兼容性起到了关键的作用。

    事实上，所有的输入无源滤波器都使用电容器和电感来吸收UPS输入端产生的最具破坏性的电流谐波。这样的设计虽然考虑到了UPS电路固有的和在满载情况下总谐波可能的最大畸变量，但是由于输入滤波器的影响却会使UPS的输入功率因数成为一个变数。

    通常，人们大多把注意力放在UPS满载或接近满载情况下的工作状态。在我们进行的调查了解过程中接触的绝大多数工程师都能描述UPS在满载情况下的工作特性，特别是输入无源滤波器的特性，却很少有人对滤波器在空载或接近空载时的状况感兴趣，这或许是由于叨B及其他电气系统在轻载状态下产生的电流谐波影响毕竟很小。然而，UPS空载时的工作参数，特别是输入功率因数，对于UPS与发电机兼容性的影响依然同样是相当重要的。

    最新设计的UPS输入滤波器，在减少电流谐波及提高满载情况下的输入功率因数方面虽然有较明显的效果，但在空载或很小负载的情况下却衍生出一个电容性超前的、极低的功率因数。特别是使用那些为了满足5%最大电流失真度要求设计的无源滤波器的UPS，这种情况更甚。一般情况下，当负载低于25%时，这种UPS系统的输入滤波器会导致明显的功率因数降低，有些新的系统己达到空载功率因数<2%，接近理想的容性负载。

    并联电感、串联扼流圈和输入隔离变压器是UPS的常规部件，这些部件都是感性的。事实上，它们和滤波器的电容一起，便UPS总体的输入特性表现为容性，从而可能在UPS内部产生振荡。有经验的发电机运行维护人员知道，当发电机接入较低功率因数的负载，特别是功率因数低于15%～20%容性负载，就可能会便系统失调，甚至可能导致发电机停机。在市电停电后出现这种停机将可能导致灾难性事故，给关键负载带来危险:第一，发电机需要手动重后，并且必须在UPS电池放电结束前手动重启成功，否则负载将因断电而瘫痪;第二，在停机前发电机可能引起系统"过压"而可能损坏电话设备、火警系统、监控网络以至包括UPS在内的系统中的其他供电设备。

    (3)系统配置造成柴油发电机加载时的容性电流冲击

    负载不可能是100%感性的。在发电机启动过程中，输出端所接的负载可能是独立的，也可能是与供电系统中其他负载并联的，这取决于发电机输出负载分配自动切换柜动作时间和顺序的设置。在某些应用中，停电时UPS系统是发电机接入的第一个负载，而在另外一些情况下UPS则和其他负载同时接入。其他负载通常有启动接触器，停电后重新闭合需要一定时间。不管是其他负载设备的接入，还是UPS由电池逆变转向柴油发电机系统供电，这个过程都便发电机负载发生突变，且突变负载又常常表现为容性，便柴油发电机系统输出电压幅值和频率不正常，这就会使UPS在两种工作状态之间频繁切换，甚至造成柴油发电机系统停机。再者，IPS的输入滤波器并不参与UPS电池逆变和交流输入逆变的转换过程，它们连接在UPS的输入端，是叨冶的一部分。因此，在某些情况下，停电时首先接到发电机输出端的主要负载就是UPS的输入滤波器，它们是高容性的，有时甚至是纯容性的。

    这种情况在并联冗余UPS系统中更为严重，UPS供电系统做冗余配置后，安装的UPS台数增加，而每台UPS的负载容量减少，但是，发电机容量的增加并没有与UPS台数(容量)的增加保持一致。况且，在用户看来，发电机通常是备用的、容易安排维护的，一些大的项目如果是碰到资金压力的话就会限制昂贵的大功率发电机组的数量，其结果是每台发电机要带更多的UPS。例如，某UPS供电系统柴油发电机系统容量与UPS负载的容量配比为2:1，由于UPS采用了"1+1"冗余配置，于是柴油发电机系统与UPS输入滤波器的容量的相对比例就变成了1:1，如果不加大柴油发电机系统容量，是肯定要影响柴油发电机系统-UPS系统的稳定性的。■