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上柴柴油发电机组与UPS系统的兼容性

上柴柴油发电机组与UPS系统的兼容性

1 柴油发电机组和UPS之间的配合问题

不间断 电源系统的制造商和用户很早就已经注意到发电机组和UPS之间的配合问题,特别是 由整流器产生的电流谐波对供电系统如发电 机组的电压调节器、UPS的同步电路 产生的 不良影响非常明显。因此,UPS系统工 程师们设计了输入滤波器并把其应用到UPS中,成功地在UPS应用中 控制了电流谐波。这些滤波器对UPS与发电 机组的兼容性起到了关键作用。

事实上 所有的输入滤波器都使用电容器和电感来吸收UPS输入端 最具破坏性的电流谐波。输入滤 波器的设计考虑了UPS电路固 有的和在满载情况下的最大可能的全部谐波畸变的百分比。大多数 滤波器的另一个益处是提高带载UPS的输入功率因数。然而输 入滤波器的应用带来的另一个后果是使UPS整体效率降低。绝大多数滤波器消耗1%左右的UPS功率。输入滤 波器的设计一直在有利和不利因素之间寻求平衡。

为了尽可能提高UPS系统的效率,近期UPS工程师 在输入滤波器的功耗方面做了改进。滤波器效率的提高,从很大 程度上取决于将IGBT(绝缘门级晶体管)技术应用到UPS设计中。IGBT逆变器 的高效率导致了对UPS的重新设计。输入滤 波器可以吸收某些电流谐波,同时吸 收很小一部分有功功率。总之,滤波器 中感性因素对容性因素的比率降低了,UPS的体积变小了,效率提高了。在UPS领域的 事情好像得以解决了,然而新问题��与发电 机的兼容性又出现了,替代了老问题。

2 功率因数的问题

通常,人们把注意力放在UPS满载或 接近满载情况下的工作状态。绝大多 数工程师都能表述满载情况下的UPS工作特性,特别是 输入滤波器的特性,然而很 少有人对滤波器在空载或接近空载时的状况感兴趣。毕竟UPS及其电 气系统在轻载状态下的电流谐波影响很小。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 机的兼容性相当重要。

最新设 计的输入滤波器,在减少 电流谐波及提高满载情况下的功率因数方面有了较好的效果。但是在 空载或很小负载情况下却衍生出一个电容性超前的极低的功率因数,特别是那些为了满足5%最大电 流失真度的滤波器。一般情况下,当负载低于25%时大多数UPS系统的 输入滤波器会导致明显的功率因数降低。尽管如此,输入功 率因数却很少会低于30%,有些新 的系统甚至已达到空载功率因数低于2%,接近于 理想的容性负载。

这种情况不影响UPS输出和关键负载,市电变 压器和输配电系统也不受影响。但发电机就不同了,有经验 的发电机工程师知道:发电机 带大容性负载时工作会不正常,当接入 较低功率因数负载,典型的低于15%~20%容性时,由于系统失调,可能导致发电机停机。在市电 停电后出现这种停机应急发电机系统带动UPS系统负载 将造成灾难性事故。由于下 述两种原因停机给关键负载带来危险:第一,发电机需要手动重启,并且必须在UPS电池放电结束前;第二,在停机 前发电机可能引起系统的“过压”,它可能损坏电话设备、火警系统、监控网络甚至UPS模块。更糟糕的是,在事故发生后,很难区分责任,找出问 题所在并予以纠正。UPS厂商说UPS系统测试完好,并指出 其它地方相同的设备没有发生类似问题。发电机 厂商说是负载的问题,无法调 整发电机来解决问题。同时,用户工 程师则说明他的规格要求,希望两 个厂商相互兼容。要了解 为何会发生事故及如何避免(或如何 在关键应用中找出解决方案),首先需 要了解发电机与负载的工作关系。

2.1 发电机与负载

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 均值与要求的电压值相比较。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 电机定子线圈的旋转磁场或称为电动势EMF 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以E表示。假设负载是纯感性的,在向量图中电流I滞后电压U正好90°电相位角。如果负载是纯阻性的,U和I的矢量将重合或同相。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,与I同相的 电阻压降和超前90°的电感压降。在本例中,它恰好与U同相。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E=U和I×Z的矢量和。电压调节器改变E可以有效地控制电压U。

现在考 虑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。这时的 电流和感性负载时正好相反。电流I现在超前电压矢量U,内阻电压降矢量I×Z,也正好反相。则U和I×Z的矢量和小于U。

由于和 感性负载时相同的电动势E在容性 负载时产生了较高的发电机输出电压U,所以电 压调节器必须明显地减小旋转磁场。实际上,电压调 节器可能没有足够的范围来完全调节输出电压。所有发 电机的转子在一个方向连续励磁含有永久磁场 ,即使电压调节器全关,转子仍 有足够的磁场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”)。这任一 种情况都会引起发电机停机。

发电机 输出端所接的负载,可能是独立的,也可能是并联的,决定于 自动切换柜工作的定时和设置。在某些应用中,停电时UPS系统是 发电机接入的第一个负载。在其它情况下,UPS和机械负载同时接入。机械负 载通常有启动接触器,停电后 重新闭合需要一定时间,补偿UPS输入滤 波电容器的感性电动机负载要有延时。UPS本身有一段时间称为“软启动”周期,将负载 从电池转向发电机,使其输 入功率因数提高。然而,UPS的输入 滤波器并不参与软启动过程,他们连接在UPS的输入端是UPS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是UPS的输入滤波器,它们是高容性的(有时是纯容性的)。 解决这 一问题的方法很明显要用功率因数校正。这有多 种方法可以实现,大致如下:

安装自动切换柜,使电动机负载先于UPS接入。某些切 换柜可能不能实现这种方法。另外,在维护时,工厂工 程师可能需要单独调试UPS和发电机。

增加一 个永久性反应电抗来补偿容性负载,通常使 用并联缠绕电抗器,接在E-G或发电 机输出并联板上。这是很容易实现的,而且成本较低。但是无 论在高负载还是在低负载的情况下,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。

在每一台UPS中加装感性电抗器,正好补偿UPS的容抗。在低负 载情况下由接触器(选件)控制电抗器的投入。此方法电抗器较精确,但数量 较大且安装和控制的成本高。

在滤波 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。

哪一种方法是最佳的,要根据 现场的情况和设备的性能来确定。

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3 典型案例

以下是一个UPS和发电 机兼容性问题的案例,一个在 线服务供应商的新建数据中心在调试运行时发生的。它表明厂商、工程师 和用户如何发现并解决问题的。

现场装有3套MGE UPS 3000kVA系统,每一套由4台75 kVA IGBT调宽调频模块组成,可扩展到6台。模块的设计负载率是65%,UPS模块配 有输入隔离变压器和最大5%输入电流谐波滤波器。所有的 模块分别连到两组发电机并联总线,每组总线有3台1600 kW的发电机,可以扩展到6台。每台发 电机都配有电子调压器。每条并 联总线的电源转换计划是,在第一批负载接入前,等待两台发电机并联。第一批 负载包含每套系统中的一台UPS和部分空调负载。随着后 续发电机的并入,与第一 批相同的负载随后加入。在故障 模式测试中操作员发现,带第一 批负载的两台发电机中有一台故障时,另一台 将出现过压报警并于2s后关机。但是第 一批负载远低于一台发电机的容量,因为此时UPS的负载很轻。随即安 排了进一步的测试,以确定UPS对单台发电机的影响。因为首先怀疑的是UPS的输入 环节对调压器的干扰,因此测试的UPS不带负载,或UPS的逆变器关闭。测试装 置包括直流电压和电流表,直接监测场激励线圈,因为这 些参数由调压器控制,可以立 即反映出调压器的动作。同时用 发电机本身的仪表监测负载的功率(W)、电流电压(VA)、乏(var)。

首先用 纯阻性负载进行测试以建立基准。它表明 随着负载增加励磁电流和电压上升,如我们所预期。较大的 负载电流在发电机内阻Z上产生较大的压降I×Z,必须克 服它以保持输出电压U稳定。接着测试UPS对发电机的影响,每次增加一台。UPS不带负载,观察UPS整流器软启动过程。测试结 果很明显调压器的动作和纯阻性负载时相反。接入两台UPS后,调压器 已接近允许范围的边缘,再加一台使得发电机2s后进入过载状态。

请注意单台750kVA UPS对应的负载值。它造成 发电机关机实质上却没有真实负载,每台UPS接近230kvar的容抗 使得功率因数为0。

由工程师、业主、承包商、供货商 和厂商组成的项目小组,在考虑 了所有的可能性后,选择了 在每个容性负载上安装反应电抗器的方案。根据前面测试的数据,厂商为每台UPS设计了200kvar并联电抗器,并由接触器控制,承包商在现场将其与UPS的输入 滤波器并联安装,工程师 设计了外部控制电路,它测发电机的负载,仅当UPS由发电 机供电且发电机的总kW负载低于一个(可调)设定值时,才允许电抗器接入。项目小组用修改后的UPS接入一 台发电机重新测试。

这时电 容的影响依然存在,电抗器 只能平衡部分而不是全部电容。因此,随着UPS的增加,励磁电流慢慢减少,然而这 并不会造成问题。因为6台UPS已超出 一台发电机的容量,而调压 器依然正常并控制着输出电压。

2.2 共振问题

电容自 激问题可能被其他电气状态所加重或掩盖,如串联共振。当发电 机的感抗的欧姆值和输入滤波器容抗的欧姆值相互拉近,并且系 统的电阻值较小时将产生振荡,电压可 能超出电力系统的额定值。新近设计的UPS系统实质上为100%的电容性输入阻抗。一台500kVA的UPS可能有150kvar的电容和接近于0的功率因数。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 他们和滤波器的电容一起使UPS总体表现为容性,可能在UPS内部已 经存在一些振荡。加上连到UPS的输电线的电容特性,整个系 统的复杂性大为提高,超出了 一般工程师所能分析的范围。

近来在 关键应用中两个附加因素使得这些问题更普遍。首先,根据用 户高可靠数据处理的要求,计算机 设备厂商在其设备中更多地提供冗余电源输入。现在典 型的计算机柜都带有两个或更多电源线。其次,设备经 理要求系统支持在线维护,他们希望在UPS关机维 护时关键负载也有保护。这两个 因素使得典型数据中心UPS的安装数量增加,每台UPS的负载容量减少。但是发 电机的增加没有与UPS保持一致。在设备 经理的眼中发电机通常是备用的,容易安排维护。另外在 一些大的项目中资金压力限制昂贵的大功率发电机组的数量。结果是 每台发电机带更多的UPS,这是一个令UPS厂商高 兴发电机厂商烦恼的趋势。

对自激 和振荡的最佳防卫是物理学的基本知识。工程师应仔细地确定UPS系统在 所有负载条件下的功率因数特性。UPS设备安装后,业主应 坚持全面的测试,在调试 验收时仔细测量整个系统的工作参数。当发现问题时,最佳的 方案是成立由厂商、工程师、承包商 和业主组成的项目小组,对系统 进行完全测试并找出解决办法。


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