中心議題：
- 發(fā)電機(jī)組和UPS之間的匹配問題
- UPS的功率因數(shù)問題
- UPS和發(fā)電機(jī)兼容典型案例
隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對大功率UPS和發(fā)電機(jī)的需求迅猛增長，由此也產(chǎn)生了一些新問題。本文就UPS輸入端功率因數(shù)和輸入濾波器對發(fā)電機(jī)的影響，進(jìn)行理論分析和實際案例的說明，以闡明問題產(chǎn)生的原因，進(jìn)而找出解決的方法。
1發(fā)電機(jī)組和UPS之間的匹配問題
UPS供電系統(tǒng)的廠商和用戶很早就已經(jīng)注意到發(fā)電機(jī)組和UPS之間的匹配問題，特別是由整流器產(chǎn)生的電流諧波對供電系統(tǒng)如發(fā)電機(jī)組的電壓調(diào)節(jié)器、UPS的同步電路產(chǎn)生的不良影響非常明顯。因此，技術(shù)人員設(shè)計了輸入濾波器并把其應(yīng)用到UPS中，成功地在UPS應(yīng)用中控制了電流諧波。這些濾波器對UPS與發(fā)電機(jī)組的兼容性起到了關(guān)鍵作用。
事實上所有的輸入濾波器都使用電容器和電感來吸收UPS輸入端具有破壞性的電流諧波。輸入濾波器的設(shè)計考慮了UPS電路固有的和在滿載情況下的最大可能的全部諧波畸變的百分比。大多數(shù)濾波器的另一個益處是提高帶載UPS的輸入功率因數(shù)。然而輸入濾波器的應(yīng)用帶來的另一個后果是使UPS整體效率降低。絕大多數(shù)濾波器消耗1%左右的UPS功率。輸入濾波器的設(shè)計一直在有利和不利因素之間尋求平衡。
為了盡可能提高UPS系統(tǒng)的效率，近期UPS工程師在輸入濾波器的功耗方面做了改進(jìn)。濾波器效率的提高，從很大程度上取決于將IGBT(絕緣門級晶體管)技術(shù)應(yīng)用到UPS設(shè)計中。IGBT逆變器的高效率導(dǎo)致了對UPS的重新設(shè)計。輸入濾波器可以吸收某些電流諧波，同時吸收很小一部分有功功率。總之，濾波器中感性因素對容性因素的比率降低了，UPS的縮小了體積，提高了效率。而UPS與發(fā)電機(jī)的兼容性的問題又出現(xiàn)了。
2功率因數(shù)的問題
通常，人們把注意力放在UPS滿載或接近滿載情況下的工作狀態(tài)。大多數(shù)的工程師都了解滿載情況下的UPS工作特性，特別是輸入濾波器的特性，然而很少有人對濾波器在空載或接近空載時的狀況感興趣。畢竟UPS及其電氣系統(tǒng)在輕載狀態(tài)下的電流諧波影響很小。然而，UPS空載時的工作參數(shù)，特別是輸入功率因數(shù)對于UPS與發(fā)電機(jī)的兼容性相當(dāng)重要。
最新設(shè)計的輸入濾波器，在減少電流諧波及提高滿載情況下的功率因數(shù)方面有了較好的效果。但是在空載或很小負(fù)載情況下卻衍生出一個電容性超前的極低的功率因數(shù)，特別是那些為了滿足5%最大電流失真度的濾波器。一般情況下，當(dāng)負(fù)載低于25%時，大多數(shù)UPS系統(tǒng)的輸入濾波器會導(dǎo)致明顯的功率因數(shù)降低。盡管如此，輸入功率因數(shù)卻很少會低于30%，有些新的系統(tǒng)甚至已達(dá)到空載功率因數(shù)低于2%，接近于理想的容性負(fù)載。
這種情況不影響UPS輸出和關(guān)鍵負(fù)載，市電變壓器和輸配電系統(tǒng)也不受影響。但發(fā)電機(jī)就不同了，有經(jīng)驗的發(fā)電機(jī)工程師知道：發(fā)電機(jī)帶大容性負(fù)載時工作會不正常，當(dāng)接入較低功率因數(shù)負(fù)載，典型的低于15%～20%容性時，由于系統(tǒng)失調(diào)，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)停機(jī)。在市電停電后出現(xiàn)這種停機(jī)應(yīng)急發(fā)電機(jī)系統(tǒng)帶動UPS系統(tǒng)負(fù)載將造成災(zāi)難性事故。由于下述兩種原因停機(jī)給關(guān)鍵負(fù)載帶來危險：(1)發(fā)電機(jī)需要手動重啟，并且必須在UPS電池放電結(jié)束前;(2)在停機(jī)前發(fā)電機(jī)可能引起系統(tǒng)的"過壓"，它可能損壞通信設(shè)備、火警系統(tǒng)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)甚至UPS模塊。
更糟糕的是，在事故發(fā)生后，很難區(qū)分責(zé)任，找出問題所在并予以糾正。廠商說UPS系統(tǒng)測試完好，并指出其它地方相同的設(shè)備沒有發(fā)生類似問題。發(fā)電機(jī)廠商說是負(fù)載的問題，無法調(diào)整發(fā)電機(jī)來解決問題。同時，用戶工程師則說明規(guī)格要求，希望相互兼容。要了解為何會發(fā)生事故及如何避免(或如何在關(guān)鍵應(yīng)用中找出解決方案)，首先需要了解發(fā)電機(jī)與負(fù)載的工作關(guān)系。
2.1發(fā)電機(jī)與負(fù)載
發(fā)電機(jī)依靠電壓調(diào)節(jié)器控制輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器檢測三相輸出電壓，以其平均值與要求的電壓值相比較。調(diào)節(jié)器從發(fā)電機(jī)內(nèi)部的輔助電源取得能量，通常是與主發(fā)電機(jī)同軸的小發(fā)電機(jī)，傳送DC電源給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降，控制發(fā)電機(jī)定子線圈的旋轉(zhuǎn)磁場或稱為電動勢EMF的大小。定子線圈的磁通量決定發(fā)電機(jī)的輸出電壓。
發(fā)電機(jī)定子線圈的內(nèi)阻以Z表示，包括感性和阻性部分;由轉(zhuǎn)子勵磁線圈控制的發(fā)電機(jī)電動勢用交流電壓源以E表示。假設(shè)負(fù)載是純感性的，在向量圖中電流I滯后電壓U正好90°電相位角。如果負(fù)載是純阻性的，U和I的矢量將重合或同相。實際上多數(shù)負(fù)載介于純阻性和純感性之間。電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量I×Z表示。它實際上是兩個較小的電壓矢量之和，與I同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降。在本例中，它恰好與U同相。因為電動勢必須等于發(fā)電機(jī)內(nèi)阻的電壓降和輸出電壓之和，即矢量E=U和I×Z的矢量和。電壓調(diào)節(jié)器改變E可以有效地控制電壓U。
現(xiàn)在考慮用純?nèi)菪载?fù)載代替純感性負(fù)載時，發(fā)電機(jī)的內(nèi)部情況會發(fā)生什么變化。這時的電流和感性負(fù)載時正好相反。電流I現(xiàn)在超前電壓矢量U，內(nèi)阻電壓降矢量I×Z，也正好反相。則U和I×Z的矢量和小于U。
由于和感性負(fù)載時相同的電動勢E在容性負(fù)載時產(chǎn)生了較高的發(fā)電機(jī)輸出電壓U，所以電壓調(diào)節(jié)器必須明顯地減小旋轉(zhuǎn)磁場。實際上，電壓調(diào)節(jié)器可能沒有足夠的范圍來完全調(diào)節(jié)輸出電壓。所有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在一個方向連續(xù)勵磁含有永久磁場，即使電壓調(diào)節(jié)器全關(guān)，轉(zhuǎn)子仍有足夠的磁場對電容負(fù)載充電并產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象稱為"自激"。自激的結(jié)果是過壓或者是電壓調(diào)節(jié)器關(guān)機(jī)，發(fā)電機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)則認(rèn)為是電壓調(diào)節(jié)器故障(即"失勵")。這任一種情況都會引起發(fā)電機(jī)停機(jī)。發(fā)電機(jī)輸出端所接的負(fù)載，可能是獨立的，也可能是并聯(lián)的，決定于自動切換柜工作的定時和設(shè)置。在某些應(yīng)用中，停電時UPS系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)接入的第一個負(fù)載。在其它情況下，UPS和機(jī)械負(fù)載同時接入。機(jī)械負(fù)載通常有啟動接觸器，停電后重新閉合需要一定時間，補(bǔ)償U(kuò)PS輸入濾波電容器的感性電動機(jī)負(fù)載要有延時。UPS本身有一段時間稱為"軟啟動"周期，將負(fù)載從電池轉(zhuǎn)向發(fā)電機(jī)，使其輸入功率因數(shù)提高。然而，UPS的輸入濾波器并不參與軟啟動過程，他們連接在UPS的輸入端是UPS的一部分，因此，在某些情況下，停電時首先接到發(fā)電機(jī)輸出端的主要負(fù)載是UPS的輸入濾波器，它們是高容性的(有時是純?nèi)菪缘?。
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解決這一問題的方法很明顯要用功率因數(shù)校正。這有多種方法可以實現(xiàn)，大致如下：
- 安裝自動切換柜，使電動機(jī)負(fù)載先于UPS接入。某些切換柜可能不能實現(xiàn)這種方法。另外，在維護(hù)時，工廠工程師可能需要單獨調(diào)試UPS和發(fā)電機(jī)。
- 增加一個永久性反應(yīng)電抗來補(bǔ)償容性負(fù)載，通常使用并聯(lián)纏繞電抗器，接在E-G或發(fā)電機(jī)輸出并聯(lián)板上。這是很容易實現(xiàn)的，而且成本較低。但是無論在高負(fù)載還是在低負(fù)載的情況下，電抗器總是在吸收電流并影響負(fù)載功率因數(shù)。而且不論UPS的數(shù)量多少，電抗器的數(shù)量總是固定的。
- 在每一臺UPS中加裝感性電抗器，正好補(bǔ)償U(kuò)PS的容抗。在低負(fù)載情況下由接觸器(選件)控制電抗器的投入。此方法電抗器較精確，但數(shù)量較大且安裝和控制的成本高。
- 在濾波電容前安裝接觸器，在低負(fù)載時斷開。由于接觸器的時間必須精確，控制比較復(fù)雜，只能在工廠安裝。
哪一種方法是最佳的，要根據(jù)現(xiàn)場的情況和設(shè)備的性能來確定。
2.2共振問題
電容自激問題可能被其他電氣狀態(tài)所加重或掩蓋，如串聯(lián)共振。當(dāng)發(fā)電機(jī)感抗的歐姆值和輸入濾波器容抗的歐姆值相互拉近，并且系統(tǒng)的電阻值較小時將產(chǎn)生振蕩，電壓可能超出電力系統(tǒng)的額定值。新近設(shè)計的UPS系統(tǒng)實質(zhì)上為100%的電容性輸入阻抗。一臺500kVA的UPS可能有150kvar的電容和接近于0的功率因數(shù)。并聯(lián)電感、串聯(lián)扼流圈和輸入隔離變壓器是UPS的常規(guī)部件，這些部件都是感性的。事實上他們和濾波器的電容一起使UPS總體表現(xiàn)為容性，可能在UPS內(nèi)部已經(jīng)存在一些振蕩。加上連到UPS的輸電線的電容特性，整個系統(tǒng)的復(fù)雜性大為提高，超出了一般工程師所能分析的范圍。
近來在關(guān)鍵應(yīng)用中兩個附加因素使得這些問題更普遍。首先，根據(jù)用戶高可靠數(shù)據(jù)處理的要求，計算機(jī)設(shè)備廠商在其設(shè)備中更多地提供冗余電源輸入。現(xiàn)在典型的計算機(jī)柜都帶有兩個或更多電源線。其次，設(shè)備經(jīng)理要求系統(tǒng)支持在線維護(hù)，他們希望在UPS關(guān)機(jī)維護(hù)時關(guān)鍵負(fù)載也有保護(hù)。這兩個因素使得典型數(shù)據(jù)中心UPS的安裝數(shù)量增加，每臺UPS的負(fù)載容量減少。但是發(fā)電機(jī)的增加沒有與UPS保持一致。在設(shè)備經(jīng)理的眼中發(fā)電機(jī)通常是備用的，容易安排維護(hù)。另外在一些大的項目中資金壓力限制昂貴的大功率發(fā)電機(jī)組的數(shù)量。結(jié)果是每臺發(fā)電機(jī)帶更多的UPS，這是一個令UPS廠商高興，發(fā)電機(jī)廠商煩惱的趨勢。
對自激和振蕩的最佳防衛(wèi)是物理學(xué)的基本知識。工程師應(yīng)仔細(xì)地確定UPS系統(tǒng)在所有負(fù)載條件下的功率因數(shù)特性。UPS設(shè)備安裝后，業(yè)主應(yīng)堅持全面的測試，在調(diào)試驗收時仔細(xì)測量整個系統(tǒng)的工作參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時，最佳的方案是成立由廠商、工程師、承包商和業(yè)主組成的項目小組，對系統(tǒng)進(jìn)行完全測試并找出解決辦法。
3典型案例
以下是一個UPS和發(fā)電機(jī)兼容性問題的案例，一個在線服務(wù)供應(yīng)商的新建數(shù)據(jù)中心在調(diào)試運行時發(fā)生的。它表明廠商、工程師和用戶如何發(fā)現(xiàn)并解決問題的。
現(xiàn)場裝有3套MGEUPS3000kVA系統(tǒng)，每一套由4臺75kVAIGBT調(diào)寬調(diào)頻模塊組成，可擴(kuò)展到6臺。模塊的設(shè)計負(fù)載率是65%，UPS模塊配有輸入隔離變壓器和最大5%輸入電流諧波濾波器。所有的模塊分別連到兩組發(fā)電機(jī)并聯(lián)總線，每組總線有3臺1600kW的發(fā)電機(jī)，可以擴(kuò)展到6臺。每臺發(fā)電機(jī)都配有電子調(diào)壓器。每條并聯(lián)總線的電源轉(zhuǎn)換計劃是，在第一批負(fù)載接入前，等待兩臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)。第一批負(fù)載包含每套系統(tǒng)中的一臺UPS和部分空調(diào)負(fù)載。
隨著后續(xù)發(fā)電機(jī)的并入，與第一批相同的負(fù)載隨后加入。在故障模式測試中操作員發(fā)現(xiàn)，帶第一批負(fù)載的兩臺發(fā)電機(jī)中有一臺故障時，另一臺將出現(xiàn)過壓報警并于2s后關(guān)機(jī)。但是第一批負(fù)載遠(yuǎn)低于一臺發(fā)電機(jī)的容量，因為此時UPS的負(fù)載很輕。隨即安排了進(jìn)一步的測試，以確定UPS對單臺發(fā)電機(jī)的影響。因為首先懷疑的是UPS的輸入環(huán)節(jié)對調(diào)壓器的*，因此測試的UPS不帶負(fù)載，或UPS的逆變器關(guān)閉。測試裝置包括直流電壓和電流表，直接監(jiān)測場激勵線圈，因為這些參數(shù)由調(diào)壓器控制，可以立即反映出調(diào)壓器的動作。同時用發(fā)電機(jī)本身的儀表監(jiān)測負(fù)載的功率（Ｗ）、電流電壓（VA）、乏（var）。
首先用純阻性負(fù)載進(jìn)行測試以建立基準(zhǔn)。它表明隨著負(fù)載增加勵磁電流和電壓上升，如我們所預(yù)期。較大的負(fù)載電流在發(fā)電機(jī)內(nèi)阻Z上產(chǎn)生較大的壓降I×Z，必須克服它以保持輸出電壓U穩(wěn)定。接著測試UPS對發(fā)電機(jī)的影響，每次增加一臺。UPS不帶負(fù)載，觀察UPS整流器軟啟動過程。測試結(jié)果很明顯調(diào)壓器的動作和純阻性負(fù)載時相反。接入兩臺UPS后，調(diào)壓器已接近允許范圍的邊緣，再加一臺使得發(fā)電機(jī)2s后進(jìn)入過載狀態(tài)。
此時注意單臺750kVAUPS對應(yīng)的負(fù)載值，它造成發(fā)電機(jī)關(guān)機(jī)實質(zhì)上卻沒有真實負(fù)載，每臺UPS接近230kvar的容抗使得功率因數(shù)為０。
由工程師、業(yè)主、承包商、供貨商和廠商組成的項目小組，在考慮了所有的可能性后，選擇了在每個容性負(fù)載上安裝反應(yīng)電抗器的方案。根據(jù)前面測試的數(shù)據(jù)，廠商為每臺UPS設(shè)計了200kvar并聯(lián)電抗器，并由接觸器控制，承包商在現(xiàn)場將其與UPS的輸入濾波器并聯(lián)安裝，工程師設(shè)計了外部控制電路，它測發(fā)電機(jī)的負(fù)載，僅當(dāng)UPS由發(fā)電機(jī)供電且發(fā)電機(jī)的總負(fù)載低于一個（可調(diào)）設(shè)定值時，才允許電抗器接入。項目小組用修改后的UPS接入一臺發(fā)電機(jī)重新測試。
這時電容的影響依然存在，電抗器只能平衡部分而不是全部電容。因此，隨著UPS的增加，勵磁電流慢慢減少，然而這并不會造成問題。因為６臺UPS已超出一臺發(fā)電機(jī)的容量，而調(diào)壓器依然正常并控制著輸出電壓。
