康明斯动力（深圳）有限公司

摘要：UPS是为关键负载提供交流不间断电源的设备。柴油发电机组制造商很早就已经注意到柴发与UPS之间的配合问题，特别是由整流器产生的电流谐波对供电系统如发电机组的电压调节器、UPS的同步电路产生的不良影响非常明显。因此，康明斯公司设计了输入滤波器并把其应用到UPS中，成功地在UPS应用中控制了电流谐波。这些滤波器对UPS与发电机组的兼容性起到了关键作用。康明斯公司在本文对UPS与柴油发电机组不兼容问题的原因从原理上进行了详细的分析，并提出了相应的对策和建议。

一、概述

      UPS是为关键负载提供交流不间断电源的设备。市电正常时，UPS从市电获得能源，经过适当的电力变换和调节（最典型的是整流/逆变双变换），消除市电线路的各种干扰，从而为负载提供稳定可靠的交流电源。市电停电时，UPS利用内部蓄电池的储能，经逆变器不间断地供给负载稳定可靠的交流电源。但蓄电池的储能一般只能供电10~30 min。对于市电长时间停电，虽然可以采用大容量蓄电池．但保护时间仍然是有限的，而且大容量蓄电池是十分昂贵的。目前国内外普遍认为，大、中功率的UPS系统采用大容量蓄电池并不是经济合理的方法，只有在非常特殊的情况下才推荐采用大容量蓄电池。

      因此，市电长时间停电时，一般需要由备用柴油发电机为UPS提供交流输入电源。然而，许多现场的运行经验表明，UPS和备用柴油发电机两者一起运行时存在一些不兼容的问题。当采用较小功率的柴油发电机、UPS是柴油发电机的惟一负载或者最大负载的时候，就可能会出现不同程度的异常现象或故障。例如，柴油发电机给UPS供电时，出现输出电压、频率不稳；输出电压严重失真，UPS在由柴油发电机供电时不能与柴油发电机的输出电压同步；UPS的关键负载不能转换至由旁路电源供电等。这些接口问题发生后，往往不易找出原因和解决办法。为此．有必要了解柴油发电机的工作与UPS输人技术指标的关系，然后有针对性地采取措施。

      目前，应用的UPS主要分为线交互UPS（如图1）、备用UPS（如图2）、双变换UPS等3种类型，外加一种20世纪90年代出现的Delta变换UPS。其中，与柴油发电机组不兼容问题最突出的是双变换UPS。备用UPS、线交互UPS和Delta变换UPS与柴油发电机组不兼容问题比较简单，在应用中并不是十分突出。而双变换UPS与柴油发电机组不兼容问题要复杂得多，可能会出现各种各样的异常现象，对供电系统的影响也更严重。

二、双变换UPS的基本概念

      双变换UPS供电系统由整流器／充电机、蓄电池、逆变器、静态开关和手动维修旁路开关组成。工作原理如图3所示

1、整流器／充电机

      将交流输入电源（市电或备用柴油发电机组）整流为直流电源，供给逆变器，同时给蓄电池充电或浮充电。

2、蓄电池

      在交流输入电源故障时，为逆变器提供备用直流电源。

3、逆变器

      将整流器或蓄电池的直流电源逆变为稳定可靠的高质量的交流电源，供给重要负载。

4、静态开关

      UPS本身故障时，用以不间断地将负载从逆变器转换到交流输入电源（经旁路输人开关）。

5、维修旁路

      UPS维修时，用以将负载从逆变器转换到交流输入电源（经旁路输人开关）。

6、双变换UPS工作方式

（1）正常方式：

      整流器／充电机由市电供电，将交流电变为直流电；逆变器由整流器／充电机供电，将直流电变为交流电；负载由逆变器供电。因为负载功率经过了两次变换，所以称为双变换UPS。

（2）备用方式：

      市电短时间停电时，逆变器由蓄电池供电，负载由逆变器供电；市电长时间停电时，整流器／充电机由备用柴油发电机供电，逆变器由整流器／充电机供电，负载由逆变器供电。

（3）旁路方式

      负载直接由交流输入电源供电（经旁路输入开关），电路如图4所示。

三、双变换UPS的输入谐波电流和“换相凹口”

      双变换UPS被认为是性能最好、应用范围最广、使用数量最多的UPS。50~500 kW的双变换UPS一般都采用6脉冲可控硅（SCR）相控整流器，这些整流器内部的可控硅元件在每个电源周期内轮流导通，每个可控硅导通1/3周期。由于换相时连接在交流输入电源不同相线上的两个可控硅在极短的时间内同时导通，造成瞬时相间短路，所以在交流电源电压波形上造成了所谓“换相凹口”。此外，当某个可控硅被触发导通时，交流电源相应的相电压就突然加到直流侧的滤波电感上，使交流电源的该相电流突然上升。由于滤波电感足够大，电流基本保持恒定，直到下一个可控硅被触发导通，结果形成了脉冲式的交流输入电流。这种电流波形包含大量的谐波电流，谐波的存在使得波形发生失真，谐波失真的程度用总谐波失真（THD）（所有谐波频率电流之和与基波频率电流的比值）表示。输入端采用6脉冲整流器的双变换UPS输入电流的THD为30%以上，主要含有5次、7次、11次、13次、17次、19次谐波。采用12脉冲整流器的双变换UPS输入电流的THD为10%左右，主要含有11次、13次、23次和25次谐波。

      下面的分析可以表明，交流输入电源电压波形上的“换相凹口”和输入谐波电流是造成UPS和柴油发电机接口问题的主要原因。

1、谐波电流和“换相凹口”对柴油发电机的影响

（1）引起电压失真

      在交流电源系统中，非线性负载可以等效为一个线性负载和一系列的谐波电流源（对应于各个谐波频率电流）。可以认为，连接到交流电源的非线性负载从交流电源吸取基波电流并向交流电源反馈各种频率的谐波电流。谐波电流流过电源的内阻（对各次谐波电流的阻抗）时将产生各次谐波电压。

      电源输出电压等于基波电压与谐波电压的向量和，谐波电压叠加在基波上必然引起电源电压波形失真。电源电压波形失真与负载谐波电流和电源内阻有关，负载谐波电流和电源内阻越大，电源电压波形失真越大。因此应尽力减小负载谐波电流和电源内阻。

      柴油发电机的内阻比市电电源大，在给线性负载供电时，输出电压波形为正弦波。但是当带有非线性负载时，由于它的内阻较大，输出电压波形会出现严重失真。

（2）配电损耗增大

      谐波电流在配电系统中流动时，会使柴油发电机绕组发热，导致可靠性和寿命降低。

（3）输出电压不稳

      发电机都采用自动电压调节器（AVR）调节输出电压，AVR实时监视输出电压，根据输出电压的变化控制发电机的激磁，以保持输出电压的稳定。当采用由SCR接通和断开激磁电源的AVR时，如果发电机带UPS负载，由于发电机输出电压波形失真（包括电压波形的换相凹口），AVR可能会错误地断开激磁电流，从而造成发电机的输出电压降低。AVR根据降低的电压对激磁电流进行补偿，必然使输出电压升得太高。接着AVR又根据升高的电压控制激磁电流，使输出电压下降，结果造成输出电压不稳和系统故障。

（4）功率因数降低

      因为UPS输入端的整流器／充电机是交流输入电源的非线性负载，输入电流含有谐波成分，谐波电流产生的失真功率，会使视在功率增大，因为取决于基波电流的有功功率是固定的，所以功率因数下降。交流电源给UPS供电时，需要供出额外的视在功率。

2、柴发电压不稳和波形失真对UPS的影响

（1）蓄电池完全耗尽和UPS关机：柴油发电机输出电压波形严重失真时，UPS的可控硅整流器根本不能正常工作，UPS的检测电路判定为交流输人电源质量不合格或故障，强迫UPS转换到蓄电池备用能源，经逆变器为负载供电。当负载转换到蓄电池时，柴油发电机变为空载，输出电压波形失真消失。当UPS恢复由柴油发电机供电时，柴油发电机输出电压波形失真重新出现，这将导致UPS再次转换到由蓄电池供电。以上过程将以一定的时间间隔无限制地循环下去，直到蓄电池的储能完全耗尽，致使UPS最后关机。

（2）旁路电源不可用：柴油发电机输出电压波形失真可能被UPS检测电路判定为旁路交流输入电源质量不合格或存在故障，柴油发电机输出电压不稳也会影响UPS与旁路电源的同步，引起“旁路不可用”的告警。因此，在UPS设备有故障时，不可能转换到旁路电源（柴油发电机）应急供电，降低了系统的可靠性。

四、UPS和柴发接口问题的解决途径

      UPS和柴油发电机接口问题涉及到UPS和柴油发电机两个自动调节系统，两者接口时出现的不兼容的问题是两个系统相互作用的结果。可以在其中一个系统或两个系统内采取适当措施予以解决。

      过去，一般是在柴油发电机上想办法，最常用的方法是将柴油发电机降容使用，以减小谐波失真和绕组发热。该种方法是根据不同柴油发电机的具体情况将柴油发电机容量加大到UPS容量的2~5倍。柴油发电机相对于UPS的容量越大，柴油发电机输出电压失真越小，但工程投资越大。因此．这是非常昂贵的方法，而且也不能保证UPS和柴油发电机组的完全兼容；另外，柴油发电机组的欠载还会引出柴油发电机组运行维护方面的问题。因此，不宜过分追求电压波形失真小，一般将柴油发电机输出电压失真减小到10%~15%即可保证UPS和柴油发电机的正常运行。

      20世纪90年代以来，人们对电源系统谐波电流越来越重视，一些国际标准对一般配电系统的谐波电流提出了限制。为了满足国际标准的要求，许多UPS厂商致力于减小UPS输入端相控整流器产生的谐波电流的研究，并采用了比较有效的、低成本的解决办法。IEEE std 519要求商业和工业用户向公共电源系统反馈的最大总谐波失真（TDD）应小于5%，其中11次下的谐波为4%，11~17次谐波为2%，17~23次谐波为1.5%，23~35次谐波为0.6%，35次以上的谐波为0.3%。如果UPS的输入谐波电流达到了这个标准要求，UPS与柴油发电机的兼容性问题就彻底解决了。

1、对双变换UPS输入谐波电流的控制

      减小双变换UPS输入谐波电流的方法主要有在整流器输入端串联电感、在整流器输入端加LC无源滤波器、12脉冲滤波器和总谐波控制有源滤波器。

（1）串联电感

      在交流输入电源（柴油发电机）和UPS的输入端之间加上一个电感LF，可以衰减各次谐波。假设发电机和电缆的总电感为LS，那么LF和LS构成的分压电路，可将发电机输出端的电压失真减小为UPS输人端电压失真的LS／（LS+LF）。

      这是最简单和最经济的方法，但是抑制谐波的效果有限，而且体积较大。

（2）LC无源滤波器

      LC无源滤波器由电感L和电容C组成的LC无源滤波器与整流器并联，这个滤波器设计对幅度最大的5次谐波（250 Hz）电流的阻抗为零，对7次谐波（350 Hz）电流的阻抗也很低。因此，5次谐波电流和大部分7次谐波电流都流经滤波器，不会流向发电机，引起发电机输出电压的失真。

      这种方法比较简单，滤波效果也很好，谐波电流总谐波失真（THDI）可以减小到5%。

（3）12脉冲滤波器

      12脉冲滤波器就是采用12脉冲整流器。12脉冲整流器是由两个相差30°的6脉冲整流器组成的。由两个6脉冲整流器产生的谐波电流在整流变压器输人端叠加，消除了6脉冲整流器输入电流含有的较低次谐波（5次、7次、17次、19次），使其输入电流中仅含有11次、13次、23次、25次谐波。THDI降低为10%左右。

       这种滤波效果比LC无源滤波器的效果差，但（THDI）控制得比较低，可以避免发电机发热问题，一般说来，基本可以保证UPS与柴油发电机兼容。然而，这个方法的缺点是电路复杂、成本高、体积大。

（4）总谐波控制有源滤波器

      总谐波控制有源滤波器通过检测整流器输入电流谐波，滤波器输出与整流器谐波电流大小相同、相位相反的谐波电流。这样，交流电源只需要供给整流器基波电流。

      总谐波控制有源滤波器是最有效的滤波器，可以做到UPS输入（THDI）小于4%，而且功率因数可以提高到0.95~0.98（同时相移功率因数也得到改善）。但是，由于总谐波控制有源滤波器价格昂贵，目前主要用在大型UPS中。

2、UPS和柴发接口的新问题

       上述控制UPS谐波电流的方法各有优缺点，可以应用在不同的UPS设备中。其中无源滤波器的滤波性能较好、成本较低，在UPS中应用最多。值得提出的是，无源滤波器虽然成功地抑制了谐波电流，但有时会引起UPS和柴油发电机新的不兼容问题，因此在进行系统设计时必须给予足够的重视。下面讨论无源滤波器对UPS和柴油发电机兼容性的影响。

（1）无源滤波器对功率因数的影响

      采用无源滤波器除了成功地抑制了谐波电流外，还有一个附加的好处就是提高了UPS的输入功率因数。

      由于UPS在轻载时输入谐波电流对交流电源系统的影响很小，甚至可以忽略，无源滤波器的设计一般主要考虑UPS满载时输入谐波电流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。

       这种情况对UPS系统输出和负载没有什么影响，对市电变电站的变压器和配电系统也没有什么影响。但是，柴油发电机给超前功率因数的负载（电容性负载）供电时可能会由于输出电压过高或无激磁而关机，给供电系统造成严重故障。这是由于无源滤波器存在而导致的UPS和柴油发电机不兼容的新问题。下面分析这种新的不兼容问题产生的原因。

（2）产生原因

      为了说明上述新的不兼容问题产生的原因，我们首先分析柴油发电机运行特性与其负载性质的关系。图5是柴油发电机供电系统简化电路图。V₁是发电机的电势，V₁的大小取决于发电机的激磁电流。Z_S是发电机定子绕组的阻抗（由电感和电阻元件组成），Z_L是负载阻抗，V_s是发电机的输出电压，I是负载电流。

      负载Z_L可能为各种不同性质的负载。图2（a）是发电机给纯电感性负载供电时的向里图。其中，电流I滞后于发电机输出电压V_s90°，电流I流过定子绕组产生的压降表示为IxZ_L。因为定子阻抗包含电阻和电感两个分量，这个定子阻抗压降实际上是两个小的电压向量的和（与电流同相的电阻压降V_R和超前电流90°的电感压降V_L）。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，所以发电机的电势向量V₁等于发电机输出电压V_s和IxZ_S的向量和。因此，可以通过电压调节器改变发电机电势V₁有效地控制发电机输出电压VS。 

      图6（b）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超前于电压向量V_s90°,内部压降IxZ_S的相位与电感性负载时相反，结果向量V_s和IxZ_S合成的向量V₁比V_s小。也就是说，很小的电势V₁就能产生很大的输出电压V_S。

      在这种情况下，为了维持发电机输出电压V_s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V₁。但是，电压调节器不可能有足够的调节范围完全控制输出电压。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。这将导致输出过压或者电压调节器关闭，最终使发电机关机。因此，柴油发电机带电容性负载时不能正常工作。

      值得注意的是，图6（b）的情况是实际存在的。在某些系统中，UPS是市电停电期间加到备用发电机上的第一个负载，UPS本身有软启动功能，可以在很短的时间逐渐将负载加到备用发电机上。而UPS的输人滤波器是固定接在UPS输人端的，在UPS启动过程中输入电流呈现很强的电容性或UPS具有超前功率因数。

      因此，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。

（3）解决方法

      可以采用下列几种方法对UPS空载和轻载时的输人功率因数进行调节：

① 备用柴油发电机启动运行后，将其他的感性负载（如空调设备）先于UPS设备加到发电机上。

② 在发电机上或发电机配电屏上加上一个补偿电抗器。这个电抗器可以调节UPS空载和轻载时的功率因数，但也会影响大负载时UPS的功率因数。

③ 在每个UPS设备上加一个补偿电抗器，仅补偿本UPS产生的超前功率因数。这个方法可以根据该UPS产生的电容性电流精确地确定电抗器的容量。

④ 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。

3、建议

      为了妥善解决UPS和柴油发电机组接口问题，使UPS和柴油发电机组的不兼容性降到最小，在进行系统设计时应慎重考虑UPS和柴油发电机组的选型要求。现根据上述讨论，提出保证两者兼容的基本技术要求。

（1）UPS

① 双变换UPS（特别是采用6脉冲整流器／充电机的UPS）应有输入滤波器。