发电机与UPS电源的配置问题
2021-08-05
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，叨泪一般工作在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，而且便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。
有关改善系统功率因数和各种形式的滤波器的"1作原理和在系统中的配置方法，请看本书第4章第5节。
(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。在本书第4章中介绍了改善UPS输入功率因数的方法，其中最有效的办法是把叨，S输入端AC仍C整流电路改为高频整流(PFC)电路(如第2章图2-51和第4章图4-28所示)，因为这种办法可以在UPS负载0～100范围内都把输入功率因数提高到0.95以上，当UPS负载超过50A时，可提高到0.98以上，而且输入端无需再加无源LC滤波器，在这样的系统中，可使发电机与UPS的容量配置关系达到1.5:1。
(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。图5-7是柴油发电机系统启动时的冲击电流实测波形。
图5-7所示为由1台1OOkVA的电力稳压器+1台8OkVAUPS所组成的UPS供电系统。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)，有关冲击电流产生的物理过程、特性和消除办法，请看本章第3节。
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。
