UPS供電系統與備用發電機之間容量匹配（一）(圖)

【 簡介 】　　本文介紹了，如何正確地處理”1+1”UPS并機系統供電系統與備用發電機的之間的容量匹配問題。

　　相關的檢測數據表明：對于同一套UPS供電系統而言，不管它是工作在市電供電條件下、還是工作在發電機供電的條件下，它不僅具有幾乎相同的CosΦ,輸入功率因數PF, 輸入諧波電流絕對值。而且，還具有非常近似的輸入電流諧波的頻譜分佈曲線。發電機電源的高內阻是造成UPS供電系統的輸入電壓失真度增大的主要原因, 它極易導致電力穩壓器及發電機的自動調壓系統發生”誤動作”/”誤調操作”。 為此，過去為UPS業界所經常釆用的技術措施是：利用增大發電機的輸出功率同UPS的輸出功率的容量比的辦法來改善發電機的帶載特性(其實質是通過增大發電機的容量的辦法來降低發電機的內阻),從而導致投資成本增大。

　　通過適當地”錯開”兩臺電力穩壓器的”開機啟動浪涌電流”的發生時間及適當地調低電力穩壓器的穩壓精度，就能用1臺150KVA發電機來驅動由兩臺100KVA電力穩壓器+80KVA“1+1”UPS并機系統所組成的UPS供電系統, 從而達到節約投資和運行成本的目的。

　　(1)利用發電機電源來驅動80KV“1+1”UPS并機系統時、所釆用的技術改進措施

　　在民航的空管系統用的UPS供電系統中、為使得UPS并機系統能適應輸入電網的電壓波動范圍大的應用條件，需要在備用發電機與UPS供電系統之間增配電力穩壓器（見圖1）。對于這樣的UPS供電系統而言，處于”串聯工作狀態”中的電力穩壓器不會對它的輸入諧波特性產生任何實質性的影響。根據過去所獲得的相關的現場測試數據、可以發現：電力穩壓器與UPS的輸入電壓和輸入電流不僅具有非常相似的工作波形和基本相同的輸入諧波特性參數(例如：CosΦ、功率因數PF、輸入電流峰值比KF電流、輸入電壓的峰值比CF電壓、輸入電流諧波分量THDI和輸入電壓諧波分量THDV等參數)。而且，它們的輸入電流諧波分量的頻譜分佈曲線也具有非常相似的變化規律。根據前期的在市供電條件下對由110KVA發電機+兩臺100KV電力穩壓器+兩臺6脈沖型80KVA”1+1”UPS冗余并機系統所獲得的測試結果，可以推斷出：能對發電機的安全運行造成”最大的潛在威脅”的禍根是來自由兩臺100KVA的電力穩壓器所產生的單極性的”開機啟動”浪涌電流,而不是來自由兩臺80KVA 6脈沖型UPS所產生的具有”緩啟動爬升”調制特性的雙極性的輸入電流及其輸入諧波電流。相關的測試數據顯示，所需的發電機的輸出功率應該大于145KVA。

　　為確保由電力穩壓器+”1+1”UPS并機系統所組成的供電系統、在發電機供電的條件下，也能安全和可靠地工作，需要對這套UPS供電系統執行如下的技術改進：

　�。╝）將原來的輸出功率為110KVA的備用發電機組調換為150KVA的備用發電機(常行功率);

　　（b）考慮到：因發電機電源被投入到電力穩壓器的輸入端上的時刻、可能出現在具有正弦波形的交流電源的”不同相位點上”，并進而導致它的”開機啟動浪涌電流”的幅值會發生較大差異的工作特性(其變化規律是：當發電機電源的投入的時刻出現在正弦波的電壓峰值處時、它的輸入啟動浪涌電流的幅值為最小值。當它的投入的時刻出現在正弦波的電壓”過零奌”處時、其啟動浪涌電流的幅值為最大值)。鑒于在過去的測試中、在兩臺電力穩壓器的輸入端上所曾經記錄到的它們的最大”開機啟動浪涌電流”是一串幅值為220A左右，持續時間較長達到0.2秒左右的單極性衰減波形。為改善發電機的運行環境,盡可能地降低由電力穩壓器的”開機啟動浪涌電流” 所可能帶來的不利影響。建議相應的電力穩壓器廠家：將兩臺穩壓器的”開機啟動時間”錯開3秒左右。

　　（c）為改善發電機的運行條件，建議相應的UPS廠家：對80KVA”1+1”UPS并機系統進行”再調整”，以便盡量地減小兩臺UPS之間的輸入電流和輸出電流的均流”不平衡度”(通常的期望值<5%)及它們之間的”環流”,從而提高UPS并機系統運行的可靠性的目的。
　　

　�。�2） 對由發電機、電力穩壓器和UPS冗余并機供電系統所組成的供電系統所執行的”系統匹配性”的調控操作

　　在對如圖1所示的由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統所執行的”系統匹配性”的調控操作時，曾先后進行過如下調整步驟、才最終使得這套UPS供電系統進入穩定、可靠的運行工作狀態之下：

　　（a） 當150KVA的發電機被開機啟動、并等待它進入穩定工作狀態之后，在對這套UPS供電系統的輸入端、執行市電供轉入發電機供電的切換操作時，卻出現了發電機的聲音”異常”、電力穩壓器的輸出不穩，并頻繁地調節其輸出電壓等不正常工作現象(注：此時發現：位于伺服調控型的電力穩壓器中的碳刷進入頻繁的” 不停的上、下移動”的”誤調”工作狀態之中)。在此條件下，位于6脈沖型的80KVA”1+1”UPS并機系統中的1臺UPS的逆變器因輸入電源的電壓和頻率的”嚴重不穩”而進入”自動關機”狀態。

　�。╞） 此時，將電力穩壓器從這套UPS供電系統中脫離出來,并直接用150KVA 的發電機來直接驅動”1+1”UPS并機系統。運行結果表明：工作基本正常。

　　 對于這臺150KVA的發電機而言，它的標稱工作電流為217A,短時的最大工作電流可達239A。發電機的總負載包括：”1+1”UPS并機系統，空調機組及照明等負載。在進行此次發電機帶載調試時，實測到的發電機的總輸出電流為90A左右。根據過去的工作經驗：利用這臺150KVA 發電機應該是能夠驅動后接的6脈沖型UPS供電系統的。這是因為，此時的發電機標稱輸出電流與后接的負載電流的實際容量比已達2.4倍左右。因此，它暗示我們：導致這臺發電機不能正常驅動這套由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統主要原因應該是：電力穩壓器的”誤動作”,而不是發電機的容量不足的問題。

　�。╟）眾所周知：對發電機供電系統而言，它的最惡劣工作條件是發生在電機組剛被投入到它的后接UPS供電系統的輸入端的瞬間。因為，此時、它必須要提供足夠大的瞬態電流來滿足由后接的電感性的電力穩壓器所可能產生的開機啟動瞬態浪涌電流。目前，有兩種發電機型可供我們選擇：無刷、自勵磁式的發電機和無刷、永磁發電機勵磁式的發電機。相關的運行統計資料表明：無刷、永磁發電機勵磁式發電機的帶瞬態浪涌電流的抗”沖擊”的能力是優于無刷自激勵勵磁式的發電機的帶瞬態浪涌電流” 沖擊”能力的(有的資料稱，可提高1.4倍左右)。


　　（2） 對由發電機、電力穩壓器和UPS冗余并機供電系統所組成的供電系統所執行的”系統匹配性”的調控操作

　　在對如圖1所示的由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統所執行的”系統匹配性”的調控操作時，曾先后進行過如下調整步驟、才最終使得這套UPS供電系統進入穩定、可靠的運行工作狀態之下：

　�。╝） 當150KVA的發電機被開機啟動、并等待它進入穩定工作狀態之后，在對這套UPS供電系統的輸入端、執行市電供轉入發電機供電的切換操作時，卻出現了發電機的聲音”異�！�、電力穩壓器的輸出不穩，并頻繁地調節其輸出電壓等不正常工作現象(注：此時發現：位于伺服調控型的電力穩壓器中的碳刷進入頻繁的” 不停的上、下移動”的”誤調”工作狀態之中)。在此條件下，位于6脈沖型的80KVA”1+1”UPS并機系統中的1臺UPS的逆變器因輸入電源的電壓和頻率的”嚴重不穩”而進入”自動關機”狀態。

　�。╞） 此時，將電力穩壓器從這套UPS供電系統中脫離出來,并直接用150KVA 的發電機來直接驅動”1+1”UPS并機系統。運行結果表明：工作基本正常。

　　 對于這臺150KVA的發電機而言，它的標稱工作電流為217A,短時的最大工作電流可達239A。發電機的總負載包括：”1+1”UPS并機系統，空調機組及照明等負載。在進行此次發電機帶載調試時，實測到的發電機的總輸出電流為90A左右。根據過去的工作經驗：利用這臺150KVA 發電機應該是能夠驅動后接的6脈沖型UPS供電系統的。這是因為，此時的發電機標稱輸出電流與后接的負載電流的實際容量比已達2.4倍左右。因此，它暗示我們：導致這臺發電機不能正常驅動這套由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統主要原因應該是：電力穩壓器的”誤動作”,而不是發電機的容量不足的問題。

　　（c）眾所周知：對發電機供電系統而言，它的最惡劣工作條件是發生在電機組剛被投入到它的后接UPS供電系統的輸入端的瞬間。因為，此時、它必須要提供足夠大的瞬態電流來滿足由后接的電感性的電力穩壓器所可能產生的開機啟動瞬態浪涌電流。目前，有兩種發電機型可供我們選擇：無刷、自勵磁式的發電機和無刷、永磁發電機勵磁式的發電機。相關的運行統計資料表明：無刷、永磁發電機勵磁式發電機的帶瞬態浪涌電流的抗”沖擊”的能力是優于無刷自激勵勵磁式的發電機的帶瞬態浪涌電流” 沖擊”能力的(有的資料稱，可提高1.4倍左右)。
　　
　　如上圖所示，同市電供時、出現在兩臺UPS輸入端的的電壓波形相比，當改用發電機供電時，出現在它的輸入電壓波形上的畸變度明顯地增大(此時，可在它的電壓波形上、觀察到頻率較高的瞬態”電壓躍變”現象)。眾所周知：當這種畸變度增大的電壓信號被送同時到發電機和電力穩壓器的自動穩壓調控線路中的電壓釆樣信號線路的輸入端上時、由此所造成的惡果之一是：迫使位于伺服調控式電力穩壓器中的僅具有25V/秒左右的低速跟蹤運動特性的碳刷所執行的”慢速機械移動”的調控操作、始終無法同步跟蹤從電子控制線路所發出的高速自動調壓控制信號。這是因為碳刷所執行的是具有極大延時特性的、機械移動式的自動調壓操作，從而迫使電力穩壓器進入一種具有明顯”滯后跟蹤”特性的、“自激振蕩式”的“誤調”的工作狀態之中（其表現為：碳刷始終處于無規則的、不停的“上、下移動”之中），從而使得它始終無法進入穩定的自動調壓工作狀態。為改善電力穩壓器的運行條件，可釆用技術措施之一是：釆用適當地降低它的標稱穩壓精度的辦法來達到盡可能地減少“伺服調整碳刷”執行自動調壓操作的頻度，從而達到讓它進入慢速跟蹤的自動調壓狀態。在這里，釆用的辦法是：將電力穩壓器的輸出電壓的穩壓范圍從380V±1%擴大為380V±2.6%（370伏—390伏）。至此，150KVA的發電機就能正常地驅動由兩臺100KVA電力穩壓器+6脈沖的80KVA“1+1”并機系統所組成的整套UPS供電系統，僅在發電機剛投入的瞬間、發電機還存在短暫的聲音稍有異常的現象。

　�。�3）經”系統匹配性”調控操作的技術改進后、所檢測到的由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統的輸入諧波特性

　　為了證實對由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統所執行的系統匹配性和兼容性的調控操作的合理性，對該系統進行如下輸入諧波特性的檢測：

　　(a)將兩臺電力穩壓器的”開機啟動時間”錯開所帶來的性能改善

　　在150KVA發電機供電條件下、釆用手動切換操作的方法，從市電供電切換到發電機供電后、所測得的UPS供電系統的兩次”開機啟動輸入電流”的典型波形圖被示于3中。從該圖可以清晰地、分別地觀察到三種啟動浪涌電流：電力穩壓器1的開機啟動浪涌電流、電力穩壓器2的開機啟動浪涌電流、UPS的緩啟動輸入“爬升”電流。從這樣的測試結果可以得到如下結論：在釆用將兩臺電力穩壓器的”開機啟動浪涌電流”的出現時間“錯開”3秒左右的技術措施之后，所帶來的明顯好處是：它大大地降低了在毎臺電力穩壓器被開機啟動時所可能產生的瞬態浪涌電流的幅度，經多次開機啟動測試后，發現：在此條件下，可能出現在兩臺電力穩壓器的輸入端的瞬態電流的峰值都小于100A。與此相反，在未釆用這樣的技術措施之前，曾經被檢測到的最大浪涌電流的峰值卻高達220A左右。