UPS輸入特性與發電機組的兼容性

    在市電-發電機-UPS系統中，市電掉電后，發電機做為輸入電源向UPS供電，此時UPS成為發電機系統中惟一的或者說主要的負載。發電機的輸出特性和UPS的輸入特性決定了兩者的匹配關系。

    (1)柴油發電機的輸出特性

    發電機依靠電壓調節器控制輸出電壓。電壓調節器檢測三相輸出電壓，以其平均值與設定的電壓值相比較。調節器從發電機內部的輔助電源取得能量，通常是與主發電機同軸的小發電機，傳送DC電源給發電機轉子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降，控制發電機定子線圈的磁場(或稱為電動勢NMF的大小。定子線圈的磁通量決定發電機的輸出電壓。

    發電機定子線圈的內阻，以Z表示，包括感性和阻性部分。由轉子勵磁線圈控制的發電機電動勢用交流電壓源應E表示。因為假設負載是純感性的，在相量圖中電流I滯后電壓寸正好90°電相位角。如果負載是純阻性的，σ和I的矢量圖曲線將重合(或同相)。實際上多數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，兩個電壓矢量是與I同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降。因為電動勢必須等于發電機內阻的電壓降和輸出電壓之和，即矢量它等于d和I×Z的矢量和。則厄卜山電壓調節器改變瓦可以有效地控制輸出電壓沖。

    現在來看一看用純容性負載代替純感性負載時，發電機的內部情況會發生什么變化。此時的輸出電流方向正好和感性負載時的相反。電流I超前電壓U正好90°的相位角，內阻電壓降矢量I×Z的方向也相反。則U和I×Z的矢量和E對于與感性負載時相同的電動勢瓦在容性負載時就產生了較高的發電機輸出電壓寸，所以電壓調節器必須明顯地減小定子線圈的磁場。實際上，電壓調節器可能沒有足夠的調節范圍來調節輸出電壓。因為發電機的轉子含有一個永久磁場，該永久磁場將在一個方向連續勵磁，即便電壓調節器完全關閉，轉子永久磁場連續勵磁產生的電動勢仍足以對電容負載充電并產生電壓，這種現象稱為"自激"。自激的結果是過壓或者是電壓調節器關機，發電機的監控系統則認為是電壓調節器故障(即"失勵。這兩種情況都會引起發電機停機。

    當柴油發電機帶有非線性負載(包括超前或滯后功率因數的負載，以及帶有高次輸入諧波電流的負載)時，都會對柴油發電機的工作穩定性造成危害。在配電系統中，這種性質的負載有參數調整型交流穩壓器、帶整流濾波輸入的UPS及調速馬達等。特別是圖5-6所示情況，這是一個典型的R、L、C串聯電路，在負載性質和負載量變化過程中，很可能出現串聯共振，造成柴油發電機輸出電壓和頻率大幅 度周期性變化。

    (2)UPS對柴油發電機的污染

    以下凡種情況將造成了UPS對柴油發電機的污染。

    ①UPS電路結構決定的輸入非線性特性。最典型的是傳統雙變換在線式UPS，由于其輸入端AC仍C變換器是整流濾波電路，它的輸入電流是脈沖電流，不僅輸入功率因數低(0.7～0.8)，還包含有大量的高次諧波電流(30%～40%)，而低輸入功率因數和諧波電流都會通過發電機定子線圈的感性內阻，嚴重影響柴油發電機的工常運行。后備式和在線互動式UPS直接把計算機類型的負載反映到輸入端，也會對發電機產生同樣的污染，好在這些UPS的輸出功率都很小，不像大功率傳統雙變換在線式UPS那樣，把大容量負載集中整流濾波所形成的污染要嚴重得多。

    ②UPS輸入無源濾波器。為了改善發電機與UPS之間的匹配，UPS系統工程師們設計了輸入無源濾波器，這樣便明顯地控制了電流諧波對發電機的影響。這些濾波器對提高UPS與發電機組的兼容性起到了關鍵的作用。

    事實上，所有的輸入無源濾波器都使用電容器和電感來吸收UPS輸入端產生的最具破壞性的電流諧波。這樣的設計雖然考慮到了UPS電路固有的和在滿載情況下總諧波可能的最大畸變量，但是由于輸入濾波器的影響卻會使UPS的輸入功率因數成為一個變數。

    通常，人們大多把注意力放在UPS滿載或接近滿載情況下的工作狀態。在我們進行的調查了解過程中接觸的絕大多數工程師都能描述UPS在滿載情況下的工作特性，特別是輸入無源濾波器的特性，卻很少有人對濾波器在空載或接近空載時的狀況感興趣，這或許是由于叨B及其他電氣系統在輕載狀態下產生的電流諧波影響畢竟很小。然而，UPS空載時的工作參數，特別是輸入功率因數，對于UPS與發電機兼容性的影響依然同樣是相當重要的。

    最新設計的UPS輸入濾波器，在減少電流諧波及提高滿載情況下的輸入功率因數方面雖然有較明顯的效果，但在空載或很小負載的情況下卻衍生出一個電容性超前的、極低的功率因數。特別是使用那些為了滿足5%最大電流失真度要求設計的無源濾波器的UPS，這種情況更甚。一般情況下，當負載低于25%時，這種UPS系統的輸入濾波器會導致明顯的功率因數降低，有些新的系統己達到空載功率因數<2%，接近理想的容性負載。

    并聯電感、串聯扼流圈和輸入隔離變壓器是UPS的常規部件，這些部件都是感性的。事實上，它們和濾波器的電容一起，便UPS總體的輸入特性表現為容性，從而可能在UPS內部產生振蕩。有經驗的發電機運行維護人員知道，當發電機接入較低功率因數的負載，特別是功率因數低于15%～20%容性負載，就可能會便系統失調，甚至可能導致發電機停機。在市電停電后出現這種停機將可能導致災難性事故，給關鍵負載帶來危險:第一，發電機需要手動重后，并且必須在UPS電池放電結束前手動重啟成功，否則負載將因斷電而癱瘓;第二，在停機前發電機可能引起系統"過壓"而可能損壞電話設備、火警系統、監控網絡以至包括UPS在內的系統中的其他供電設備。

    (3)系統配置造成柴油發電機加載時的容性電流沖擊

    負載不可能是100%感性的。在發電機啟動過程中，輸出端所接的負載可能是獨立的，也可能是與供電系統中其他負載并聯的，這取決于發電機輸出負載分配自動切換柜動作時間和順序的設置。在某些應用中，停電時UPS系統是發電機接入的第一個負載，而在另外一些情況下UPS則和其他負載同時接入。其他負載通常有啟動接觸器，停電后重新閉合需要一定時間。不管是其他負載設備的接入，還是UPS由電池逆變轉向柴油發電機系統供電，這個過程都便發電機負載發生突變，且突變負載又常常表現為容性，便柴油發電機系統輸出電壓幅值和頻率不正常，這就會使UPS在兩種工作狀態之間頻繁切換，甚至造成柴油發電機系統停機。再者，IPS的輸入濾波器并不參與UPS電池逆變和交流輸入逆變的轉換過程，它們連接在UPS的輸入端，是叨冶的一部分。因此，在某些情況下，停電時首先接到發電機輸出端的主要負載就是UPS的輸入濾波器，它們是高容性的，有時甚至是純容性的。

    這種情況在并聯冗余UPS系統中更為嚴重，UPS供電系統做冗余配置后，安裝的UPS臺數增加，而每臺UPS的負載容量減少，但是，發電機容量的增加并沒有與UPS臺數(容量)的增加保持一致。況且，在用戶看來，發電機通常是備用的、容易安排維護的，一些大的項目如果是碰到資金壓力的話就會限制昂貴的大功率發電機組的數量，其結果是每臺發電機要帶更多的UPS。例如，某UPS供電系統柴油發電機系統容量與UPS負載的容量配比為2:1，由于UPS采用了"1+1"冗余配置，于是柴油發電機系統與UPS輸入濾波器的容量的相對比例就變成了1:1，如果不加大柴油發電機系統容量，是肯定要影響柴油發電機系統-UPS系統的穩定性的。■