摘要：UPS是為關(guān)鍵負載提供交流不間斷電源的設備。柴油發(fā)電機組制造商很早就已經(jīng)注意到柴發(fā)與UPS之間的配合問(wèn)題，特別是由整流器產(chǎn)生的電流諧波對供電系統如發(fā)電機組的電壓調節器、UPS的同步電路產(chǎn)生的不良影響非常明顯。因此，康明斯公司設計了輸入濾波器并把其應用到UPS中，成功地在UPS應用中控制了電流諧波。這些濾波器對UPS與發(fā)電機組的兼容性起到了關(guān)鍵作用?？得魉构驹诒疚膶PS與柴油發(fā)電機組不兼容問(wèn)題的原因從原理上進(jìn)行了詳細的分析，并提出了相應的對策和建議。

一、概述

      UPS是為關(guān)鍵負載提供交流不間斷電源的設備。市電正常時(shí)，UPS從市電獲得能源，經(jīng)過(guò)適當的電力變換和調節（最典型的是整流/逆變雙變換），消除市電線(xiàn)路的各種干擾，從而為負載提供穩定可靠的交流電源。市電停電時(shí)，UPS利用內部蓄電池的儲能，經(jīng)逆變器不間斷地供給負載穩定可靠的交流電源。但蓄電池的儲能一般只能供電10~30 min。對于市電長(cháng)時(shí)間停電，雖然可以采用大容量蓄電池．但保護時(shí)間仍然是有限的，而且大容量蓄電池是十分昂貴的。目前國內外普遍認為，大、中功率的UPS系統采用大容量蓄電池并不是經(jīng)濟合理的方法，只有在非常特殊的情況下才推薦采用大容量蓄電池。

      因此，市電長(cháng)時(shí)間停電時(shí)，一般需要由備用柴油發(fā)電機為UPS提供交流輸入電源。然而，許多現場(chǎng)的運行經(jīng)驗表明，UPS和備用柴油發(fā)電機兩者一起運行時(shí)存在一些不兼容的問(wèn)題。當采用較小功率的柴油發(fā)電機、UPS是柴油發(fā)電機的惟一負載或者最大負載的時(shí)候，就可能會(huì )出現不同程度的異?，F象或故障。例如，柴油發(fā)電機給UPS供電時(shí)，出現輸出電壓、頻率不穩；輸出電壓嚴重失真，UPS在由柴油發(fā)電機供電時(shí)不能與柴油發(fā)電機的輸出電壓同步；UPS的關(guān)鍵負載不能轉換至由旁路電源供電等。這些接口問(wèn)題發(fā)生后，往往不易找出原因和解決辦法。為此．有必要了解柴油發(fā)電機的工作與UPS輸人技術(shù)指標的關(guān)系，然后有針對性地采取措施。

      目前，應用的UPS主要分為線(xiàn)交互UPS（如圖1）、備用UPS（如圖2）、雙變換UPS等3種類(lèi)型，外加一種20世紀90年代出現的Delta變換UPS。其中，與柴油發(fā)電機組不兼容問(wèn)題最突出的是雙變換UPS。備用UPS、線(xiàn)交互UPS和Delta變換UPS與柴油發(fā)電機組不兼容問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，在應用中并不是十分突出。而雙變換UPS與柴油發(fā)電機組不兼容問(wèn)題要復雜得多，可能會(huì )出現各種各樣的異?，F象，對供電系統的影響也更嚴重。

二、雙變換UPS的基本概念

      雙變換UPS供電系統由整流器／充電機、蓄電池、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)和手動(dòng)維修旁路開(kāi)關(guān)組成。工作原理如圖3所示

1、整流器／充電機

      將交流輸入電源（市電或備用柴油發(fā)電機組）整流為直流電源，供給逆變器，同時(shí)給蓄電池充電或浮充電。

2、蓄電池

      在交流輸入電源故障時(shí)，為逆變器提供備用直流電源。

3、逆變器

      將整流器或蓄電池的直流電源逆變?yōu)榉€定可靠的高質(zhì)量的交流電源，供給重要負載。

4、靜態(tài)開(kāi)關(guān)

      UPS本身故障時(shí)，用以不間斷地將負載從逆變器轉換到交流輸入電源（經(jīng)旁路輸人開(kāi)關(guān)）。

5、維修旁路

      UPS維修時(shí)，用以將負載從逆變器轉換到交流輸入電源（經(jīng)旁路輸人開(kāi)關(guān)）。

6、雙變換UPS工作方式

（1）正常方式：

      整流器／充電機由市電供電，將交流電變?yōu)橹绷麟姡?/span>逆變器由整流器／充電機供電，將直流電變?yōu)榻涣麟姡?/span>負載由逆變器供電。因為負載功率經(jīng)過(guò)了兩次變換，所以稱(chēng)為雙變換UPS。

（2）備用方式：

      市電短時(shí)間停電時(shí)，逆變器由蓄電池供電，負載由逆變器供電；市電長(cháng)時(shí)間停電時(shí)，整流器／充電機由備用柴油發(fā)電機供電，逆變器由整流器／充電機供電，負載由逆變器供電。

（3）旁路方式

      負載直接由交流輸入電源供電（經(jīng)旁路輸入開(kāi)關(guān)），電路如圖4所示。

三、雙變換UPS的輸入諧波電流和“換相凹口”

      雙變換UPS被認為是性能最好、應用范圍最廣、使用數量最多的UPS。50~500 kW的雙變換UPS一般都采用6脈沖可控硅（SCR）相控整流器，這些整流器內部的可控硅元件在每個(gè)電源周期內輪流導通，每個(gè)可控硅導通1/3周期。由于換相時(shí)連接在交流輸入電源不同相線(xiàn)上的兩個(gè)可控硅在極短的時(shí)間內同時(shí)導通，造成瞬時(shí)相間短路，所以在交流電源電壓波形上造成了所謂“換相凹口”。此外，當某個(gè)可控硅被觸發(fā)導通時(shí)，交流電源相應的相電壓就突然加到直流側的濾波電感上，使交流電源的該相電流突然上升。由于濾波電感足夠大，電流基本保持恒定，直到下一個(gè)可控硅被觸發(fā)導通，結果形成了脈沖式的交流輸入電流。這種電流波形包含大量的諧波電流，諧波的存在使得波形發(fā)生失真，諧波失真的程度用總諧波失真（THD）（所有諧波頻率電流之和與基波頻率電流的比值）表示。輸入端采用6脈沖整流器的雙變換UPS輸入電流的THD為30%以上，主要含有5次、7次、11次、13次、17次、19次諧波。采用12脈沖整流器的雙變換UPS輸入電流的THD為10%左右，主要含有11次、13次、23次和25次諧波。

      下面的分析可以表明，交流輸入電源電壓波形上的“換相凹口”和輸入諧波電流是造成UPS和柴油發(fā)電機接口問(wèn)題的主要原因。

1、諧波電流和“換相凹口”對柴油發(fā)電機的影響

（1）引起電壓失真

      在交流電源系統中，非線(xiàn)性負載可以等效為一個(gè)線(xiàn)性負載和一系列的諧波電流源（對應于各個(gè)諧波頻率電流）?？梢哉J為，連接到交流電源的非線(xiàn)性負載從交流電源吸取基波電流并向交流電源反饋各種頻率的諧波電流。諧波電流流過(guò)電源的內阻（對各次諧波電流的阻抗）時(shí)將產(chǎn)生各次諧波電壓。

      電源輸出電壓等于基波電壓與諧波電壓的向量和，諧波電壓疊加在基波上必然引起電源電壓波形失真。電源電壓波形失真與負載諧波電流和電源內阻有關(guān)，負載諧波電流和電源內阻越大，電源電壓波形失真越大。因此應盡力減小負載諧波電流和電源內阻。

      柴油發(fā)電機的內阻比市電電源大，在給線(xiàn)性負載供電時(shí)，輸出電壓波形為正弦波。但是當帶有非線(xiàn)性負載時(shí)，由于它的內阻較大，輸出電壓波形會(huì )出現嚴重失真。

（2）配電損耗增大

      諧波電流在配電系統中流動(dòng)時(shí)，會(huì )使柴油發(fā)電機繞組發(fā)熱，導致可靠性和壽命降低。

（3）輸出電壓不穩

      發(fā)電機都采用自動(dòng)電壓調節器（AVR）調節輸出電壓，AVR實(shí)時(shí)監視輸出電壓，根據輸出電壓的變化控制發(fā)電機的激磁，以保持輸出電壓的穩定。當采用由SCR接通和斷開(kāi)激磁電源的AVR時(shí)，如果發(fā)電機帶UPS負載，由于發(fā)電機輸出電壓波形失真（包括電壓波形的換相凹口），AVR可能會(huì )錯誤地斷開(kāi)激磁電流，從而造成發(fā)電機的輸出電壓降低。AVR根據降低的電壓對激磁電流進(jìn)行補償，必然使輸出電壓升得太高。接著(zhù)AVR又根據升高的電壓控制激磁電流，使輸出電壓下降，結果造成輸出電壓不穩和系統故障。

（4）功率因數降低

      因為UPS輸入端的整流器／充電機是交流輸入電源的非線(xiàn)性負載，輸入電流含有諧波成分，諧波電流產(chǎn)生的失真功率，會(huì )使視在功率增大，因為取決于基波電流的有功功率是固定的，所以功率因數下降。交流電源給UPS供電時(shí)，需要供出額外的視在功率。

2、柴發(fā)電壓不穩和波形失真對UPS的影響

（1）蓄電池完全耗盡和UPS關(guān)機：柴油發(fā)電機輸出電壓波形嚴重失真時(shí)，UPS的可控硅整流器根本不能正常工作，UPS的檢測電路判定為交流輸人電源質(zhì)量不合格或故障，強迫UPS轉換到蓄電池備用能源，經(jīng)逆變器為負載供電。當負載轉換到蓄電池時(shí)，柴油發(fā)電機變?yōu)榭蛰d，輸出電壓波形失真消失。當UPS恢復由柴油發(fā)電機供電時(shí)，柴油發(fā)電機輸出電壓波形失真重新出現，這將導致UPS再次轉換到由蓄電池供電。以上過(guò)程將以一定的時(shí)間間隔無(wú)限制地循環(huán)下去，直到蓄電池的儲能完全耗盡，致使UPS最后關(guān)機。

（2）旁路電源不可用：柴油發(fā)電機輸出電壓波形失真可能被UPS檢測電路判定為旁路交流輸入電源質(zhì)量不合格或存在故障，柴油發(fā)電機輸出電壓不穩也會(huì )影響UPS與旁路電源的同步，引起“旁路不可用”的告警。因此，在UPS設備有故障時(shí)，不可能轉換到旁路電源（柴油發(fā)電機）應急供電，降低了系統的可靠性。

四、UPS和柴發(fā)接口問(wèn)題的解決途徑

      UPS和柴油發(fā)電機接口問(wèn)題涉及到UPS和柴油發(fā)電機兩個(gè)自動(dòng)調節系統，兩者接口時(shí)出現的不兼容的問(wèn)題是兩個(gè)系統相互作用的結果?？梢栽谄渲幸粋€(gè)系統或兩個(gè)系統內采取適當措施予以解決。

      過(guò)去，一般是在柴油發(fā)電機上想辦法，最常用的方法是將柴油發(fā)電機降容使用，以減小諧波失真和繞組發(fā)熱。該種方法是根據不同柴油發(fā)電機的具體情況將柴油發(fā)電機容量加大到UPS容量的2~5倍。柴油發(fā)電機相對于UPS的容量越大，柴油發(fā)電機輸出電壓失真越小，但工程投資越大。因此．這是非常昂貴的方法，而且也不能保證UPS和柴油發(fā)電機組的完全兼容；另外，柴油發(fā)電機組的欠載還會(huì )引出柴油發(fā)電機組運行維護方面的問(wèn)題。因此，不宜過(guò)分追求電壓波形失真小，一般將柴油發(fā)電機輸出電壓失真減小到10%~15%即可保證UPS和柴油發(fā)電機的正常運行。

      20世紀90年代以來(lái)，人們對電源系統諧波電流越來(lái)越重視，一些國際標準對一般配電系統的諧波電流提出了限制。為了滿(mǎn)足國際標準的要求，許多UPS廠(chǎng)商致力于減小UPS輸入端相控整流器產(chǎn)生的諧波電流的研究，并采用了比較有效的、低成本的解決辦法。IEEE std 519要求商業(yè)和工業(yè)用戶(hù)向公共電源系統反饋的最大總諧波失真（TDD）應小于5%，其中11次下的諧波為4%，11~17次諧波為2%，17~23次諧波為1.5%，23~35次諧波為0.6%，35次以上的諧波為0.3%。如果UPS的輸入諧波電流達到了這個(gè)標準要求，UPS與柴油發(fā)電機的兼容性問(wèn)題就徹底解決了。

1、對雙變換UPS輸入諧波電流的控制

      減小雙變換UPS輸入諧波電流的方法主要有在整流器輸入端串聯(lián)電感、在整流器輸入端加LC無(wú)源濾波器、12脈沖濾波器和總諧波控制有源濾波器。

（1）串聯(lián)電感

      在交流輸入電源（柴油發(fā)電機）和UPS的輸入端之間加上一個(gè)電感LF，可以衰減各次諧波。假設發(fā)電機和電纜的總電感為L(cháng)S，那么LF和LS構成的分壓電路，可將發(fā)電機輸出端的電壓失真減小為UPS輸人端電壓失真的LS／（LS+LF）。

      這是最簡(jiǎn)單和最經(jīng)濟的方法，但是抑制諧波的效果有限，而且體積較大。

（2）LC無(wú)源濾波器

      LC無(wú)源濾波器由電感L和電容C組成的LC無(wú)源濾波器與整流器并聯(lián)，這個(gè)濾波器設計對幅度最大的5次諧波（250 Hz）電流的阻抗為零，對7次諧波（350 Hz）電流的阻抗也很低。因此，5次諧波電流和大部分7次諧波電流都流經(jīng)濾波器，不會(huì )流向發(fā)電機，引起發(fā)電機輸出電壓的失真。

      這種方法比較簡(jiǎn)單，濾波效果也很好，諧波電流總諧波失真（THDI）可以減小到5%。

（3）12脈沖濾波器

      12脈沖濾波器就是采用12脈沖整流器。12脈沖整流器是由兩個(gè)相差30°的6脈沖整流器組成的。由兩個(gè)6脈沖整流器產(chǎn)生的諧波電流在整流變壓器輸人端疊加，消除了6脈沖整流器輸入電流含有的較低次諧波（5次、7次、17次、19次），使其輸入電流中僅含有11次、13次、23次、25次諧波。THDI降低為10%左右。

       這種濾波效果比LC無(wú)源濾波器的效果差，但（THDI）控制得比較低，可以避免發(fā)電機發(fā)熱問(wèn)題，一般說(shuō)來(lái)，基本可以保證UPS與柴油發(fā)電機兼容。然而，這個(gè)方法的缺點(diǎn)是電路復雜、成本高、體積大。

（4）總諧波控制有源濾波器

      總諧波控制有源濾波器通過(guò)檢測整流器輸入電流諧波，濾波器輸出與整流器諧波電流大小相同、相位相反的諧波電流。這樣，交流電源只需要供給整流器基波電流。

      總諧波控制有源濾波器是最有效的濾波器，可以做到UPS輸入（THDI）小于4%，而且功率因數可以提高到0.95~0.98（同時(shí)相移功率因數也得到改善）。但是，由于總諧波控制有源濾波器價(jià)格昂貴，目前主要用在大型UPS中。

2、UPS和柴發(fā)接口的新問(wèn)題

       上述控制UPS諧波電流的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以應用在不同的UPS設備中。其中無(wú)源濾波器的濾波性能較好、成本較低，在UPS中應用最多。值得提出的是，無(wú)源濾波器雖然成功地抑制了諧波電流，但有時(shí)會(huì )引起UPS和柴油發(fā)電機新的不兼容問(wèn)題，因此在進(jìn)行系統設計時(shí)必須給予足夠的重視。下面討論無(wú)源濾波器對UPS和柴油發(fā)電機兼容性的影響。

（1）無(wú)源濾波器對功率因數的影響

      采用無(wú)源濾波器除了成功地抑制了諧波電流外，還有一個(gè)附加的好處就是提高了UPS的輸入功率因數。

      由于UPS在輕載時(shí)輸入諧波電流對交流電源系統的影響很小，甚至可以忽略，無(wú)源濾波器的設計一般主要考慮UPS滿(mǎn)載時(shí)輸入諧波電流抑制和改善輸入功率因數的性能。因此，有無(wú)源濾波器的UPS在空載和輕載時(shí)往往呈現特別低的超前功率因數。

       這種情況對UPS系統輸出和負載沒(méi)有什么影響，對市電變電站的變壓器和配電系統也沒(méi)有什么影響。但是，柴油發(fā)電機給超前功率因數的負載（電容性負載）供電時(shí)可能會(huì )由于輸出電壓過(guò)高或無(wú)激磁而關(guān)機，給供電系統造成嚴重故障。這是由于無(wú)源濾波器存在而導致的UPS和柴油發(fā)電機不兼容的新問(wèn)題。下面分析這種新的不兼容問(wèn)題產(chǎn)生的原因。

（2）產(chǎn)生原因

      為了說(shuō)明上述新的不兼容問(wèn)題產(chǎn)生的原因，我們首先分析柴油發(fā)電機運行特性與其負載性質(zhì)的關(guān)系。圖5是柴油發(fā)電機供電系統簡(jiǎn)化電路圖。V₁是發(fā)電機的電勢，V₁的大小取決于發(fā)電機的激磁電流。Z_S是發(fā)電機定子繞組的阻抗（由電感和電阻元件組成），Z_L是負載阻抗，V_s是發(fā)電機的輸出電壓，I是負載電流。

      負載Z_L可能為各種不同性質(zhì)的負載。圖2（a）是發(fā)電機給純電感性負載供電時(shí)的向里圖。其中，電流I滯后于發(fā)電機輸出電壓V_s90°，電流I流過(guò)定子繞組產(chǎn)生的壓降表示為IxZ_L。因為定子阻抗包含電阻和電感兩個(gè)分量，這個(gè)定子阻抗壓降實(shí)際上是兩個(gè)小的電壓向量的和（與電流同相的電阻壓降V_R和超前電流90°的電感壓降V_L）。因為發(fā)電機的電勢必須等于發(fā)電機內部阻抗和外部負載阻抗的壓降之和，所以發(fā)電機的電勢向量V₁等于發(fā)電機輸出電壓V_s和IxZ_S的向量和。因此，可以通過(guò)電壓調節器改變發(fā)電機電勢V₁有效地控制發(fā)電機輸出電壓VS。 

      圖6（b）是發(fā)電機給純電容性負載供電時(shí)的向量圖。其中，電流向量I超前于電壓向量V_s90°,內部壓降IxZ_S的相位與電感性負載時(shí)相反，結果向量V_s和IxZ_S合成的向量V₁比V_s小。也就是說(shuō)，很小的電勢V₁就能產(chǎn)生很大的輸出電壓V_S。

      在這種情況下，為了維持發(fā)電機輸出電壓V_s恒定，電壓調節器必須大大地減小轉子激磁電流以減小發(fā)電機電勢V₁。但是，電壓調節器不可能有足夠的調節范圍完全控制輸出電壓。因為發(fā)電機轉子都有一定的剩磁，即使電壓調節器完全關(guān)閉，仍有足夠的磁場(chǎng)產(chǎn)生輸出電壓。這將導致輸出過(guò)壓或者電壓調節器關(guān)閉，最終使發(fā)電機關(guān)機。因此，柴油發(fā)電機帶電容性負載時(shí)不能正常工作。

      值得注意的是，圖6（b）的情況是實(shí)際存在的。在某些系統中，UPS是市電停電期間加到備用發(fā)電機上的第一個(gè)負載，UPS本身有軟啟動(dòng)功能，可以在很短的時(shí)間逐漸將負載加到備用發(fā)電機上。而UPS的輸人濾波器是固定接在UPS輸人端的，在UPS啟動(dòng)過(guò)程中輸入電流呈現很強的電容性或UPS具有超前功率因數。

      因此，要解決上述問(wèn)題，必須對UPS在空載和輕載時(shí)的輸入功率因數進(jìn)行調節。

（3）解決方法

      可以采用下列幾種方法對UPS空載和輕載時(shí)的輸人功率因數進(jìn)行調節：

① 備用柴油發(fā)電機啟動(dòng)運行后，將其他的感性負載（如空調設備）先于UPS設備加到發(fā)電機上。

② 在發(fā)電機上或發(fā)電機配電屏上加上一個(gè)補償電抗器。這個(gè)電抗器可以調節UPS空載和輕載時(shí)的功率因數，但也會(huì )影響大負載時(shí)UPS的功率因數。

③ 在每個(gè)UPS設備上加一個(gè)補償電抗器，僅補償本UPS產(chǎn)生的超前功率因數。這個(gè)方法可以根據該UPS產(chǎn)生的電容性電流精確地確定電抗器的容量。

④ 采用帶接觸器的UPS輸入濾波器，當UPS輕載時(shí)通過(guò)接觸器自動(dòng)斷開(kāi)濾波器。

3、建議

      為了妥善解決UPS和柴油發(fā)電機組接口問(wèn)題，使UPS和柴油發(fā)電機組的不兼容性降到最小，在進(jìn)行系統設計時(shí)應慎重考慮UPS和柴油發(fā)電機組的選型要求?，F根據上述討論，提出保證兩者兼容的基本技術(shù)要求。

（1）UPS

① 雙變換UPS（特別是采用6脈沖整流器／充電機的UPS）應有輸入濾波器。