UPS电源和柴油发电机匹配问题的解决方法

UPS电源和柴油发电机不兼容的原因主要是UPS的输入谐波电流引起的输入功率因数低而造成的，再一个就是发电机的内阻抗大。传统的解决方案是将发电机降额使用，使发电机有足够的容量来补偿由UPS的输入谐波电流而引起的无功功率，发电机所带负载的功耗大约为其额定容量的30%左右。显然，这属于一种”大马拉小车”的现象，是不经济的，而且柴油发电机工作在小负荷状态，使柴油发电机组更容易产生故障，降低了柴油发电机组的工作可靠性，其原因是柴油发电机机在小负荷下长期工作，气缸内温度较低，正常进人气缸内的润滑油不能完全燃烧，而燃油也不能充分燃烧，造成活塞环处、喷油嘴处积炭严重，气缸磨损加剧，因而使上述部位加速故障的产生，使柴油机工作性能下降，排气冒黑烟。柴油发电机组要求负载必须在60%以上额定负载的情况下工作，对柴油发电机才较为有利。可以看出，采用柴油发电机降额方案来解决问题不是一种根本解决问题的方法，根本解决问题的方法应该是对UPS输入端的功率因数进行校正(PFC)，使UPS接近于一个线性负载，对电网或发电机产生很小的谐波电流。

(1)有源功率因数校正

功率因数校正分无源校正和有源校正，有源功率因数校正通常是在整流器后接一个升压型变换器，图3，该方法校正效果好，校正后，输入电流接近于一个正弦波，功率因数可达到0.99，谐波电流可以减小到5%以内。但该方法由于多用了一级变换器，UPS的可靠性就会下降，在大功率UPS中显得更为突出，所以有源功率因数校正一般用于单相输入的小功率UPS中(25KVA以下)，对于三相输入的大、中功率的UPS通常采用无源校正的方法。

(2)LC无源滤波器校正

由于这种滤波器仅用了LC元件，将它并联在整流器的输入端，对UPS电源的可靠性没有什么影响，对于三相6脉冲的整流器，其谐波电流主要为5、7次谐波，将滤波器设计为对幅度最大的5次谐波电流的阻抗为零，对7次谐波电流的阻抗很低，因此，5次和7次谐波电流基本流进了滤波器，而不会反送给柴油发电机，引起发电机输出电压失真。这种方法简单，滤波效果也很好，谐波电流总THD可以减小到10%以内，功率因数可以达到0.95。但缺点是由于加了滤波器，加大了UPS的体积和重量，但UPS的体积和重量大一点并没有太大的关系，关键是要求可靠性高，所以这种LC滤波器校正功率因数的方法在三相输入的大、中功率UPS中得到了广泛的应用。

(3) LC无源滤波器存在的问题

由于UPS轻载时的输入谐波电流对交流电源系统影响很小，甚至可以忽略，我们设计的LC滤波器主要考虑UPS满载时输入谐波电流的抑制和改善输入功率因数的性能，因此，有无源滤波器的UPS在空载和轻载时往往呈现特别低的超前功率因数，即为电容性负载，这种情况对市电的变压器没有什么影响，但是，柴油发电机给电容负载供电时可能出现输出电压过高或无激磁而关机，造成供电系统严重故障。下面我们来分析产生这种现象的原因，图5是发电机供电系统简化电路图，U1是发电机的电势，U1的大小取决于发电机的激磁电流。Zs是发电机定子的阻抗，Z是负载的阻抗，Us是发电机的输出电压，I是负载电流。

因为发电机的电势必须等于发电机内部阻抗和外部负载阻抗的压降之和，因此，可以调节电压调节器改变发电机电势U.来控制发电机的输出电压。图5c是发电机给纯电容性负载供电时的向量图，其中电流向量I超前电压向量Us90°，内部电压降IZs的相位与电感性负载时相反，结果发电机发出的电势U1比输出的电压Us小，也就是说，较小的电势U1就能产生很大的输出电压Us。

在这种情况下，为了维持发电机输出电压Us恒定，电压调节器必须大大地减小转子激磁电流以减小发电机电势U1，但是因为发电机转子都有一定的剩磁，即使电压调节器完全关闭，仍有足够的磁场产生输出电压，所以电压调节器不可能有足够的调节范围完全控制输出电压。这将导致输出过压，或者电压调节器关闭，最终使发电机关闭。因此，柴油发电机带电容性负载时不能正常工作。UPS在空载或轻载时属于电容性负载，图5c的情况是实际存在的。显然，要解决上述问题，必须对UPS在空载和轻载时的输入功率因数进行调节。具体解决问题的方法为：

①在发电机所带的负载包括UPS和机房空调的情况下，可先将空调设备加到发电机上，具体方法可在UPS的输入电路上接一个延时继电器，以延缓UPS负载电力的接通。

②采用带接触器的UPS输入滤波器，当UPS轻载时通过接触器自动断开滤波器。

UPS电源和柴油发电机选型的建议

上文中我们分析了UPS和柴油发电机不匹配的原因，并分析了解决问题的方法，因此，在工程设计时，只要慎重考虑UPS和柴油发电机选型的技术要求，可以避免它们之间的不匹配，建议如下：

(1)对于三相输入的UPS输入功率因数不小0.95，THD应小于l0%，如果达不到这个要求，就需加装滤波器。并且输入滤波器应带接入和断开的接触器，以确保滤波器的电容器不会造成柴油发电机输出电压过高或电压调节器关闭。UPS的整流器在输入电源频率变化范围小于±10%、输入电源频率变化率小于5Hz/s应能正常工作。

(2)发电机输出的频率变换范围应小于±l0%，输出电源频率变化率小于5Hz/s。

(3)选择的柴油发电机的电压调节器(AVR)应不受机组输出电压波形失真的影响，内阻应较小。如PMG(永磁发电机)激励式同步交流发电机。

(4)在满足上述要求时，发电机的容量可按UPS满载加蓄电池充电时UPS的输入功率的l.3～1.5倍考虑。

(5)由于蓄电池的容量越大，则蓄电池的充电功率也就越大，相应地发电机需求的容量也就要求越大，这样会导致成本增加;而且，蓄电池的充电功率越大，则占总负荷的比重也就越大，在充电结束时，发电机就可能工作在轻载状态，这样运行对发电机也是非常不利的。所以不要将UPS蓄电池的容量选得太大，通常能保证UPS电源工作l0—30分钟就行，停电时主要靠发电机供电。