论证上海UPS不间断电源与发电机组的匹配兼容性

随着互联网的快速发展，数据中心对大功率UPS和发电机的需求迅速增加，这也产生了一些新的问题。本文从理论上分析了不间断电源输入功率因数和输入滤波器对发电机的影响，并通过实际案例进行了说明，从而阐明了问题产生的原因，找出了解决问题的方法。

2022-12-17 21:22:54

随着互联网的快速发展，数据中心对大功率上海UPS不间断电源和发电机的需求迅速增加，这也产生了一些新的问题。本文从理论上分析了不间断电源输入功率因数和输入滤波器对发电机的影响，并通过实际案例进行了说明，从而阐明了问题产生的原因，找出了解决问题的方法。
1发电机组与UPS的匹配问题
UPS供电系统的厂家和用户早就注意到了发电机组与UPS的匹配问题，尤其是整流器产生的电流谐波对发电机组调压器、UPS同步电路等供电系统的不利影响非常明显。因此，技术人员设计了输入滤波器并将其应用于不间断电源，成功地控制了不间断电源应用中的电流谐波。这些过滤器在不间断电源和发电机组的兼容性中起着关键作用。
事实上，所有输入滤波器都使用电容和电感来吸收不间断电源输入端的破坏性电流谐波。输入滤波器的设计考虑了不间断电源电路固有的总谐波失真的百分比以及满载时的**可能值。大多数滤波器的另一个好处是增加了有载不间断电源的输入功率因数。然而，应用输入滤波器带来的另一个后果是UPS的整体效率降低。大多数过滤器消耗大约1%的不间断电源功率。输入滤波器的设计一直在有利因素和不利因素之间寻求平衡。
为了尽可能提高UPS系统的效率，UPS工程师*近提高了输入滤波器的功耗。滤波效率的提高很大程度上取决于IGBT技术在不间断电源设计中的应用。IGBT逆变器的高效率导致不间断电源的重新设计。输入滤波器可以同时吸收一些电流谐波和一小部分有功功率。总之，降低了滤波器中电感因素与电容因素的比值，减小了UPS的体积，提高了效率。而UPS与发电机的兼容性问题再次出现。
2功率因数问题
通常人们会关注UPS在满载或接近满载时的工作状态。大部分工程师都知道UPS满载时的工作特性，尤其是输入滤波器的特性。然而，很少有人对过滤器空载或接近空载的情况感兴趣。毕竟UPS及其电气系统在轻载下受电流谐波的影响很小。然而，不间断电源空载时的运行参数，尤其是输入功率因数，对不间断电源与发电机的兼容性至关重要。
新设计的输入滤波器在满负荷下降低电流谐波、提高功率因数方面具有良好的效果。然而，在空载或极小负载的情况下，会导出电容超前的极低功率因数，尤其是那些满足5%**电流失真的滤波器。一般当负载小于25%时，大部分UPS系统的输入滤波器都会造成功率因数明显降低。但输入功率因数很少低于30%，一些新系统甚至达到了空载功率因数低于2%，接近理想容性负载。这种情况不会影响不间断电源输出和关键负载，主变压器和输配电系统也不受影响。然而，发电机是不同的。经验丰富的发电机工程师知道，发电机在大容性负载下无法正常工作。当连接低功率因数负载时，通常小于15% ~ 20%的电容，发电机可能会因系统不平衡而关闭。这种市电故障后紧急发电机系统停机驱动UPS系统负载的情况会造成灾难性事故。停机给临界负荷带来危险的原因有以下两个：(1)发电机需要手动重启，而且必须在UPS电池放电结束之前；(2)停机前，发电机可能会引起系统的“过电压”，可能会损坏通信设备、火灾报警系统、监控网络甚至UPS模块。
更糟糕的是，事故发生后，很难分清责任，找出问题并加以纠正。厂家表示UPS系统测试情况良好，并指出其他地方同样的设备没有出现类似问题。发电机厂家说是负载问题，不可能通过调整发电机来解决问题。同时，用户工程师解释规范要求，希望相互兼容。要了解事故发生的原因以及如何避免事故(或者在关键应用中如何找到解决方案)，首先需要了解发电机和负载之间的工作关系。
2.1发电机和负载
发电机依靠电压调节器来控制输出电压。电压调节器检测三相输出电压，并将平均值与所需电压值进行比较。调节器从发电机内部的辅助电源(通常是与主发电机同轴的小型发电机)获得能量，并将DC功率传输到发电机转子的磁场激励线圈。线圈电流的上升或下降控制发电机定子线圈的旋转磁场或电动势的大小。定子的磁通量决定了发电机的输出电压。
定子线圈的内阻用Z表示，包括电感和电阻部分；由转子励磁线圈控制的发电机的电动势由交流电压源用E表示。假设负载是纯电感性的，在矢量图中，电流I滞后于电压U正好90电相角。如果负载是纯电阻性的，U和I的矢量将重合或同相。事实上，大多数负载介于纯电阻和纯电感之间。电流通过定子线圈引起的压降用电压矢量I z表示，实际上是两个较小的电压矢量之和，与I同相的电阻压降和超前90的电感压降。在这个例子中，它恰好与U同相，因为电动势必须等于发电机内阻的压降和输出电压之和，也就是矢量E=U和I Z之和，调压器的变化E可以有效控制电压U。
现在考虑当使用纯容性负载而不是纯感性负载时，发电机的内部情况会发生什么。此时电流正好与感性负载相反。我现在在电压矢量U的前面，内阻压降矢量IZ正好相反。u和IZ的向量和小于u。由于与感性负载相同的电动势E在容性负载下产生较高的发电机输出电压U，调压器必须明显减小旋转磁场。实际上，电压调节器可能没有足够的范围来完全调节输出电压。所有发电机在一个方向上的转子连续激励包含**磁场。即使调压器完全关闭，转子仍有足够的磁场为容性负载充电并产生电压。这种现象被称为“自激”。自励磁的结果是调压器过压或停机，发电机的监控系统认为是调压器的故障(即“失磁”)。不管怎样，发电机都会停。连接到发电机输出的负载可能是**的或并联，的，这取决于自动开关柜的定时和设置。在某些应用中，不间断电源系统是发电机在断电时连接的**个负载。在其他情况下，不间断电源和机械负载同时连接。机械负载通常有启动接触器，断电后需要一段时间才能重新闭合，因此需要延迟补偿UPS输入滤波电容的感应电机负载。UPS本身有一个周期叫“软启动”周期，将负载从电池转移到发电机，提高了其输入功率因数。然而，不间断电源的输入滤波器不参与软启动过程。它们连接到不间断电源的输入端，是不间断电源的一部分。因此，在某些情况下，UPS的输入滤波器是断电时首先连接到发电机输出端的主要负载，它们具有高电容(有时是纯电容)。
解决这个问题的方法显然是使用功率因数校正。实现这一点的方法有很多，大致如下：
安装自动开关柜，使电机负载在UPS前接入。一些配电盘可能无法实现这种方法。此外，在维护期间，工厂工程师可能需要分别调试不间断电源和发电机。
增加一个**电抗来补偿容性负载，通常使用并联绕组电抗器，连接到E-G或发电机输出并联板。这很容易实现，而且成本低。然而，无论在高负载还是低负载下，电抗器总是吸收电流并影响负载功率因数。而且不管UPS的数量多少，电抗器的数量总是固定的。
在每个不间断电源中安装感应电抗器，刚好补偿不间断电源的容抗。在低负载下，接触器(选项)控制反应器的输入。这种方法更准确，但反应器数量大，安装和控制成本高。
将接触器安装在滤波电容器前，并在低负载时将其关闭。因为接触器必须有精确的时间和复杂的控制，所以只能在工厂安装。
哪种方法**取决于现场情况和设备性能。
2.2共振问题
电容的自激问题可能会被其他电状态加剧或掩盖，如串联谐振。当发电机电感的欧姆值与输入滤波电容的欧姆值接近，且系统电阻值较小时，会发生振荡，电压可能超过电力系统的额定值。新设计的不间断电源系统本质上是100%容性输入阻抗。500千伏安不间断电源的电容可能为150千伏安，功率因数接近于零。并联电感、串联扼流圈和输入隔离变压器是不间断电源常见的电感元件。事实上，加上滤波器的电容，它们使不间断电源作为一个整体具有电容性，不间断电源中可能已经有一些振荡。再加上连接UPS的输电线路的电容特性，整个系统的复杂度**提高，超出了普通工程师的分析范围。*近，两个额外的因素使得这些问题在关键应用中更加常见。首先，根据用户对数据处理高度可靠的要求，计算机设备制造商在其设备中提供更多冗余电源输入。典型的计算机机柜现在有两根或更多的电源线。其次，设备管理员要求系统支持在线维护，他们希望在UPS停机维护时保护关键负载。这两个因素增加了典型数据中心的不间断电源安装数量，并降低了每个不间断电源的负载能力。但是发电机的增加跟不上UPS。在设备管理人员看来，发电机通常处于待机状态，易于安排维护。此外，在一些大型项目中，资金压力限制了昂贵的大功率发电机组的数量。这样一来，每台发电机带来更多的UPS，这是一个让UPS厂商高兴、发电机厂商担忧的趋势。
防止自激和振荡的**办法是物理基础知识。工程师应仔细确定不间断电源系统在所有负载条件下的功率因数特性。UPS设备安装后，业主应坚持**测试，并在调试和验收时仔细测量整个系统的工作参数。当发现问题时，**的解决方案是成立一个由制造商、工程师、承包商和业主组成的项目团队，对系统进行**测试并找到解决方案。
3典型案例
下面是一个UPS和发电机之间的兼容性问题的案例，发生在一家在线服务提供商的新数据中心试运行期间。它展示了制造商、工程师和用户如何发现和解决问题。
现场有3套MGEUPS3000kVA系统，每套由4套75千伏安脉宽调制模块组成，可扩展至6套。模块的设计负载率为65%，UPS模块配有输入隔离变压器和**5%输入电流谐波滤波器。所有模块分别连接到两套发电机并联总线，和每套总线有三个1600千瓦发电机，可扩展到六个。每台发电机都配有电子调压器。每个并联总线的电力转换计划是在连接**个负载之前等待两台发电机的并联。**个负载包括一个不间断电源和每个系统中的一些空调负载。
随着后续发电机的加入，与**批发电机相同的负荷将在以后增加。在故障模式测试中，操作员发现，当**个负载的两台发电机中的一台发生故障时，另一台发电机会发出过压警报，并在2s后关闭。但是**个负载比一台发电机的容量低很多，因为此时UPS的负载很轻。然后安排进一步的测试来确定不间断电源对单个发电机的影响。因为**个疑点是UPS到调压器*的输入链路，被测UPS没有负载，或者UPS的逆变器关断。测试装置包括DC电压和电流表，用于直接监控励磁线圈，因为这些参数由电压调节器控制，可以立即反映电压调节器的动作。同时，发电机本身的仪表监测负载的功率(W)、电流和电压(VA)以及电流(var)。首先，用纯阻性负载进行测试，以建立基准。结果表明，如我们所料，励磁电流和电压随着负载的增加而增加。较大的负载电流在发电机内阻Z上产生较大的压降IZ，必须克服这个压降才能保持输出电压U稳定。然后测试UPS对发电机的影响，一次加一台。观察不间断电源整流器空载软启动过程。测试结果表明，调压器的作用与纯阻性负载相反。连接两台UPS后，调压器接近允许范围的边缘，再增加一台会使发电机在2秒后进入过载状态。
此时注意单个750kVAUPS对应的负载值，导致发电机无实载停机，每个UPS的容抗接近230kvar，使得功率因数为0。
由工程师、业主、承包商、供应商和制造商组成的项目团队在考虑了所有可能性后，选择了在每个容性负载上安装电抗器的方案。根据之前的测试数据，制造商为每个不间断电源设计了一个200千伏安的并联电抗器，由接触器控制。承包商将其与现场不间断电源的输入过滤器并联安装。工程师设计了一个外部控制电路，用来测量发电机的负载。只有当不间断电源由发电机供电，并且发电机的总负载低于(可调的)设定值时，才允许反应器进入。该团队将改装后的不间断电源连接到发电机上进行重新测试。

此时电容的影响依然存在，电抗器只能平衡部分电容而不能平衡全部电容。因此，随着上海UPS不间断电源的增加，励磁电流逐渐减小，但这不会造成任何问题。因为六个UPS已经超过了一台发电机的容量，而调压器依然正常，控制输出电压。

以上就是上海UPS不间断电源于发电机组匹配的解析，如果您也有相关的问题欢迎来电咨询4008837879