UPS電源和柴油發(fā)電機(jī)組的匹配問題

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結(jié)構(gòu)原理

頁面更新時(shí)間：2016-02-28 09:05

　1前言
　　
　　許多重要負(fù)載需要為它提供穩(wěn)定、可靠和不間斷的交流電源，如互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心(IDC)和移動(dòng)通訊系統(tǒng)中的歸屬位置寄存器(HLR)等。UPS就是為這些關(guān)鍵負(fù)載提供交流不間斷電源的設(shè)備，在市電正常時(shí)，UPS從市電獲取能源，經(jīng)過電力變換和調(diào)節(jié)，消除市電線路上的各種干擾，為負(fù)載提供頻率和電壓幅值穩(wěn)定的純凈電源，使負(fù)載能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。在市電停電后，UPS利用內(nèi)部蓄電池的儲(chǔ)能，經(jīng)過逆變器的轉(zhuǎn)換，不間斷地為負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的交流電源。如果遇到較長時(shí)間的停電，顯然，僅靠蓄電池供電是不夠的，因?yàn)樾铍姵氐娜萘坑邢蓿豢赡荛L時(shí)間地供電，因此，需要為UPS系統(tǒng)配置發(fā)電機(jī)組來解決長時(shí)間停電的問題。
　　
　　許多現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)UPS和選用采用的柴油發(fā)電機(jī)匹配不當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些異常現(xiàn)象，如發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率不穩(wěn)、電壓波形嚴(yán)重失真、繞組發(fā)熱和震動(dòng)等，嚴(yán)重時(shí)發(fā)電機(jī)和UPS根本不能運(yùn)行。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意確保UPS能夠很好地與發(fā)電機(jī)匹配，要做到這些，我們首先必須了解發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性和UPS輸入特性。
　　
　　2在線式雙變換UPS輸入特性
　　
　　目前應(yīng)用的UPS主要有后備式UPS、在線互動(dòng)式UPS、在線式雙變換UPS和Delta變換式UPS，在中、大功率的圖l在線式雙變換UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

　　UPS系統(tǒng)中，在線式雙變換UPS應(yīng)用最為廣泛，其技術(shù)性能也是這幾類中最優(yōu)的，但與柴油發(fā)電機(jī)的匹配問題也是這種UPS最為突出，下面我們來分析這種UPs的輸入特性：從該UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，輸入端是一個(gè)整流器，在大、中功率的UPS中這種雙變換的UPs一般都采用三相輸入的6脈沖可控硅的相控整流器，如圖2。

　　在經(jīng)過了整流濾波后，輸入電流發(fā)生了嚴(yán)重畸變，成了一個(gè)脈沖波形，而不是和輸入電壓相同的正弦波，圖2中給出了A相電壓和電流的波形圖。B相和C相電壓和電流的波形圖是一樣的，只是在相位上彼此相差120度，顯然，這類UPS作為負(fù)載時(shí)屬于非線性負(fù)載。6脈沖整流器的輸入電流，可用富氏級(jí)數(shù)展開成基波分量和包含有許多諧波分量的正弦波電流，由于輸入電流的正、負(fù)半周是對稱的，所以諧波中不會(huì)含有偶次諧波；又由于6脈沖的整流電路中，在理想情況下，每次只會(huì)有兩個(gè)整流管導(dǎo)通，只會(huì)有兩相同時(shí)出現(xiàn)電流，一相進(jìn)，一相出，總有ia+ib+ic=0，也就是說諧波中不會(huì)出現(xiàn)零序諧波電流(三相諧波電流具有相同的數(shù)值和方向)，即第3、6、9、12、15……次諧波，那么在這種6脈沖的整流電路中只會(huì)有5、7、11、13……次諧波電流。輸入電流的THD在30％以上，能量主要集中在5次和7次諧波。其中5、11……為負(fù)序電流諧波(和基波相序相反的諧波)，7、13……為正序電流諧波(和基波相序相同的諧波)。
　　3諧波電流對發(fā)電機(jī)的影響
　　
　　(1) 引起電壓失真
　　
　　在交流電源系統(tǒng)中，非線性負(fù)載可以等效為一個(gè)線性負(fù)載和一系列的諧波電流源的并聯(lián)，相當(dāng)于負(fù)載從交流電源吸收基波電流并向交流電源反饋諧波電流。諧波電流流過電源內(nèi)阻Zn時(shí)將產(chǎn)生各次諧波電壓。第N次諧波電壓為：Un=InZn電源輸出電壓Us等于基波電壓和諧波電壓的向量和，諧波電壓疊加在基波上必然引起電源電壓波形失真。
　　
　　電源電壓總諧波失真為：　
　　U1電源基波電壓；Um各次諧波電壓；Us電源輸出電壓；Zm電源內(nèi)阻；n整數(shù)
　　
　　由上式可見，負(fù)載諧波電流和電源內(nèi)阻越大，電源電壓波形失真越大，市電電源內(nèi)阻抗很小，吸收諧波電流的能力很強(qiáng)，一般不會(huì)造成不可接受的電壓失真。但柴油發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗較大，很容易受負(fù)載諧波的影響，產(chǎn)生較大的電壓失真。因此，應(yīng)盡力減小負(fù)載諧波電流和電源內(nèi)阻。　　
　　(2)諧波電流在電路中流動(dòng)時(shí)，使柴油發(fā)電機(jī)繞組發(fā)熱，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)可靠性和壽命降低。
　　
　　(3)輸出電壓不穩(wěn)發(fā)電機(jī)多采用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)調(diào)節(jié)輸出電壓，對于自激式同步交流發(fā)電機(jī)，電樞繞組給AVR同時(shí)提供功率源及信號(hào)源，如果發(fā)電機(jī)帶UPS負(fù)載，由于發(fā)電機(jī)輸出電壓波形失真，AVR可能會(huì)錯(cuò)誤地?cái)嚅_激磁電流進(jìn)行補(bǔ)償，必然使輸出電壓升得太高。接著AVR又根據(jù)升高的電壓控制激磁電流，使輸出電壓下降。結(jié)果造成輸出電壓高低振蕩。
　　
　　(4)輸入功率因數(shù)低
　　
　　輸入功率因數(shù)為：　
其中：輸入電壓，輸入電流，有效值　　
　　I1輸入電流基波有效值；α是輸入電壓，輸入電流的相位差
　　
　　從上式可以看出，功率因數(shù)由兩部分組成，cosα1是由電壓與基波電流之間的相位差引起，I1/I這部分由電流的諧波引起，只要輸入電流發(fā)生畸變，功率因數(shù)就總是小于1,畸變越大則功率因數(shù)越小。或者說，輸入電流諧波成分越大則功率因數(shù)越小。圖2形式的整流器功率因數(shù)大約在0.8左右，如果濾波電容后加電感，功率因數(shù)可達(dá)到0.9。
　　
　　4發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)和波形失真對UPS的反作用
　　
　　從上分析可知，UPS的輸入諧波電流會(huì)使發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)和波形失真，而發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)和波形失真，又會(huì)反作用于UPS，使它不能正常工作，具體表現(xiàn)為：
　　
　　會(huì)導(dǎo)致UPS關(guān)機(jī)和旁路電源不可用。因?yàn)閁PS有同步輸入動(dòng)力電的功能，柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓波形嚴(yán)重失真時(shí)，UPS的檢測電路就會(huì)判定交流輸入電源質(zhì)量不合格或故障，就會(huì)強(qiáng)迫UPS轉(zhuǎn)換到蓄電池逆變給負(fù)載供電，直到蓄電池的儲(chǔ)能耗盡，最后致使UPS關(guān)機(jī)。
　　
　　5UPS電源和柴油發(fā)電機(jī)匹配問題的解決方法
　　
　　從上面的分析可見，UPS電源和柴油發(fā)電機(jī)不兼容的原因主要是UPS的輸入諧波電流引起的輸入功率因數(shù)低而造成的，再一個(gè)就是發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗大。傳統(tǒng)的解決方案是將發(fā)電機(jī)降額使用，使發(fā)電機(jī)有足夠的容量來補(bǔ)償由UPS的輸入諧波電流而引起的無功功率，發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載的功耗大約為其額定容量的30％左右。顯然，這屬于一種”大馬拉小車”的現(xiàn)象，是不經(jīng)濟(jì)的，而且柴油發(fā)電機(jī)工作在小負(fù)荷狀態(tài)，使柴油發(fā)電機(jī)組更容易產(chǎn)生故障，降低了柴油發(fā)電機(jī)組的工作可靠性，其原因是柴油發(fā)電機(jī)機(jī)在小負(fù)荷下長期工作，氣缸內(nèi)溫度較低，正常進(jìn)人氣缸內(nèi)的潤滑油不能完全燃燒，而燃油也不能充分燃燒，造成活塞環(huán)處、噴油嘴處積炭嚴(yán)重，氣缸磨損加劇，因而使上述部位加速故障的產(chǎn)生，使柴油機(jī)工作性能下降，排氣冒黑煙。柴油發(fā)電機(jī)組要求負(fù)載必須在60％以上額定負(fù)載的情況下工作，對柴油發(fā)電機(jī)才較為有利。可以看出，采用柴油發(fā)電機(jī)降額方案來解決問題不是一種根本解決問題的方法，根本解決問題的方法應(yīng)該是對UPS輸入端的功率因數(shù)進(jìn)行校正(PFC)，使UPS接近于一個(gè)線性負(fù)載，對電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)產(chǎn)生很小的諧波電流。
　　
　　(1)有源功率因數(shù)校正
　　
　　功率因數(shù)校正分無源校正和有源校正，有源功率因數(shù)校正通常是在整流器后接一個(gè)升壓型變換器，圖3，該方法校正效果好，校正后，輸入電流接近于一個(gè)正弦波，功率因數(shù)可達(dá)到0．99，諧波電流可以減小到5％以內(nèi)。但該方法由于多用了一級(jí)變換器，UPS的可靠性就會(huì)下降，在大功率UPS中顯得更為突出，所以有源功率因數(shù)校正一般用于單相輸入的小功率UPS中(25KVA以下)，對于三相輸入的大、中功率的UPS通常采用無源校正的方法。

　　(2)LC無源濾波器校正
　　
　　由于這種濾波器僅用了LC元件，將它并聯(lián)在整流器的輸入端，對UPS的可靠性沒有什么影響，對于三相6脈沖的整流器，其諧波電流主要為5、7次諧波，將濾波器設(shè)計(jì)為對幅度最大的5次諧波電流的阻抗為零，對7次諧波電流的阻抗很低，因此，5次和7次諧波電流基本流進(jìn)了濾波器，而不會(huì)反送給柴油發(fā)電機(jī)，引起發(fā)電機(jī)輸出電壓失真。這種方法簡單，濾波效果也很好，諧波電流總THD可以減小到10％以內(nèi)，功率因數(shù)可以達(dá)到0.95。但缺點(diǎn)是由于加了濾波器，加大了UPS的體積和重量，但UPS的體積和重量大一點(diǎn)并沒有太大的關(guān)系，關(guān)鍵是要求可靠性高，所以這種LC濾波器校正功率因數(shù)的方法在三相輸入的大、中功率UPS中得到了廣泛的應(yīng)用。　　
　　(3) LC無源濾波器存在的問題
　　
　　由于UPS輕載時(shí)的輸入諧波電流對交流電源系統(tǒng)影響很小，甚至可以忽略，我們設(shè)計(jì)的LC濾波器主要考慮UPS滿載時(shí)輸入諧波電流的抑制和改善輸入功率因數(shù)的性能，因此，有無源濾波器的UPS在空載和輕載時(shí)往往呈現(xiàn)特別低的超前功率因數(shù)，即為電容性負(fù)載，這種情況對市電的變壓器沒有什么影響，但是，柴油發(fā)電機(jī)給電容負(fù)載供電時(shí)可能出現(xiàn)輸出電壓過高或無激磁而關(guān)機(jī)，造成供電系統(tǒng)嚴(yán)重故障。下面我們來分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，圖5是發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)簡化電路圖，U1是發(fā)電機(jī)的電勢，U1的大小取決于發(fā)電機(jī)的激磁電流。Zs是發(fā)電機(jī)定子的阻抗，Z是負(fù)載的阻抗，Us是發(fā)電機(jī)的輸出電壓，I是負(fù)載電流。