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結構原理
UPS電源和柴油發電機組的匹配問題
頁面更新時間:2016-02-28 09:05

      

 1前言
  
  許多重要負載需要為它提供穩定、可靠和不間斷的交流電源,如互聯網的數據中心(IDC)和移動通訊系統中的歸屬位置寄存器(HLR)等。UPS就是為這些關鍵負載提供交流不間斷電源的設備,在市電正常時,UPS從市電獲取能源,經過電力變換和調節,消除市電線路上的各種干擾,為負載提供頻率和電壓幅值穩定的純凈電源,使負載能夠可靠穩定地運行。在市電停電后,UPS利用內部蓄電池的儲能,經過逆變器的轉換,不間斷地為負載提供穩定可靠的交流電源。如果遇到較長時間的停電,顯然,僅靠蓄電池供電是不夠的,因為蓄電池的容量有限,不可能長時間地供電,因此,需要為UPS系統配置發電機組來解決長時間停電的問題。
  
  許多現場經驗表明,當UPS和選用采用的柴油發電機匹配不當時,會出現一些異常現象,如發電機的輸出電壓和頻率不穩、電壓波形嚴重失真、繞組發熱和震動等,嚴重時發電機和UPS根本不能運行。因此,在進行系統設計時應特別注意確保UPS能夠很好地與發電機匹配,要做到這些,我們首先必須了解發電機的負載特性和UPS輸入特性。
  
  2在線式雙變換UPS輸入特性
  
  目前應用的UPS主要有后備式UPS、在線互動式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系統結構示意圖。

  UPS系統中,在線式雙變換UPS應用最為廣泛,其技術性能也是這幾類中最優的,但與柴油發電機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的系統結構可以看出,輸入端是一個整流器,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。

  在經過了整流濾波后,輸入電流發生了嚴重畸變,成了一個脈沖波形,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作為負載時屬于非線性負載。6脈沖整流器的輸入電流,可用富氏級數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、負半周是對稱的,所以諧波中不會含有偶次諧波;又由于6脈沖的整流電路中,在理想情況下,每次只會有兩個整流管導通,只會有兩相同時出現電流,一相進,一相出,總有ia+ib+ic=0,也就是說諧波中不會出現零序諧波電流(三相諧波電流具有相同的數值和方向),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諧波電流對發電機的影響
  
  (1) 引起電壓失真
  
  在交流電源系統中,非線性負載可以等效為一個線性負載和一系列的諧波電流源的并聯,相當于負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阻Zn時將產生各次諧波電壓。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電源內阻;n整數
  
  由上式可見,負載諧波電流和電源內阻越大,電源電壓波形失真越大,市電電源內阻抗很小,吸收諧波電流的能力很強,一般不會造成不可接受的電壓失真。但柴油發電機的內阻抗較大,很容易受負載諧波的影響,產生較大的電壓失真。因此,應盡力減小負載諧波電流和電源內阻。   
  (2)諧波電流在電路中流動時,使柴油發電機繞組發熱,導致發電機可靠性和壽命降低。
  
  (3)輸出電壓不穩發電機多采用自動電壓調節器(AVR)調節輸出電壓,對于自激式同步交流發電機,電樞繞組給AVR同時提供功率源及信號源,如果發電機帶UPS負載,由于發電機輸出電壓波形失真,AVR可能會錯誤地斷開激磁電流進行補償,必然使輸出電壓升得太高。接著AVR又根據升高的電壓控制激磁電流,使輸出電壓下降。結果造成輸出電壓高低振蕩。
  
  (4)輸入功率因數低
  
  輸入功率因數為:  
    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,只要輸入電流發生畸變,功率因數就總是小于1,畸變越大則功率因數越小。或者說,輸入電流諧波成分越大則功率因數越小。圖2形式的整流器功率因數大約在0.8左右,如果濾波電容后加電感,功率因數可達到0.9。
  
  4發電機的輸出電壓不穩和波形失真對UPS的反作用
  
  從上分析可知,UPS的輸入諧波電流會使發電機的輸出電壓不穩和波形失真,而發電機的輸出電壓不穩和波形失真,又會反作用于UPS,使它不能正常工作,具體表現為:
  
  會導致UPS關機和旁路電源不可用。因為UPS有同步輸入動力電的功能,柴油發電機輸出電壓波形嚴重失真時,UPS的檢測電路就會判定交流輸入電源質量不合格或故障,就會強迫UPS轉換到蓄電池逆變給負載供電,直到蓄電池的儲能耗盡,最后致使UPS關機。
  
  5UPS電源和柴油發電機匹配問題的解決方法
  
  從上面的分析可見,UPS電源和柴油發電機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低而造成的,再一個就是發電機的內阻抗大。傳統的解決方案是將發電機降額使用,使發電機有足夠的容量來補償由UPS的輸入諧波電流而引起的無功功率,發電機所帶負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”的現象,是不經濟的,而且柴油發電機工作在小負荷狀態,使柴油發電機組更容易產生故障,降低了柴油發電機組的工作可靠性,其原因是柴油發電機機在小負荷下長期工作,氣缸內溫度較低,正常進人氣缸內的潤滑油不能完全燃燒,而燃油也不能充分燃燒,造成活塞環處、噴油嘴處積炭嚴重,氣缸磨損加劇,因而使上述部位加速故障的產生,使柴油機工作性能下降,排氣冒黑煙。柴油發電機組要求負載必須在60%以上額定負載的情況下工作,對柴油發電機才較為有利。可以看出,采用柴油發電機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該是對UPS輸入端的功率因數進行校正(PFC),使UPS接近于一個線性負載,對電網或發電機產生很小的諧波電流。
  
  (1)有源功率因數校正
  
  功率因數校正分無源校正和有源校正,有源功率因數校正通常是在整流器后接一個升壓型變換器,圖3,該方法校正效果好,校正后,輸入電流接近于一個正弦波,功率因數可達到0.99,諧波電流可以減小到5%以內。但該方法由于多用了一級變換器,UPS的可靠性就會下降,在大功率UPS中顯得更為突出,所以有源功率因數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,將濾波器設計為對幅度最大的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了濾波器,而不會反送給柴油發電機,引起發電機輸出電壓失真。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,功率因數可以達到0.95。但缺點是由于加了濾波器,加大了UPS的體積和重量,但UPS的體積和重量大一點并沒有太大的關系,關鍵是要求可靠性高,所以這種LC濾波器校正功率因數的方法在三相輸入的大、中功率UPS中得到了廣泛的應用。   
  (3) LC無源濾波器存在的問題
  
  由于UPS輕載時的輸入諧波電流對交流電源系統影響很小,甚至可以忽略,我們設計的LC濾波器主要考慮UPS滿載時輸入諧波電流的抑制和改善輸入功率因數的性能,因此,有無源濾波器的UPS在空載和輕載時往往呈現特別低的超前功率因數,即為電容性負載,這種情況對市電的變壓器沒有什么影響,但是,柴油發電機給電容負載供電時可能出現輸出電壓過高或無激磁而關機,造成供電系統嚴重故障。下面我們來分析產生這種現象的原因,圖5是發電機供電系統簡化電路圖,U1是發電機的電勢,U1的大小取決于發電機的激磁電流。Zs是發電機定子的阻抗,Z是負載的阻抗,Us是發電機的輸出電壓,I是負載電流。

 

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