隨著(zhù)Internet的發(fā)展，數據中心對大功率UPS和發(fā)電機的需求迅猛增長(cháng)，由此也產(chǎn)生了一些新問(wèn)題。本文就UPS輸入端功率因數和輸入濾波器對發(fā)電機的影響，進(jìn)行理論分析和實(shí)際案例的說(shuō)明，以闡明問(wèn)題產(chǎn)生的原因，進(jìn)而找出解決的方法。

１　發(fā)電機組和UPS之間的配合問(wèn)題

不間斷電源系統的制造商和用戶(hù)很早就已經(jīng)注意到發(fā)電機組和UPS之間的配合問(wèn)題，特別是由整流器產(chǎn)生的電流諧波對供電系統如發(fā)電機組的電壓調節器、UPS的同步電路產(chǎn)生的不良影響非常明顯。因此，UPS系統工程師們設計了輸入濾波器并把其應用到UPS中，成功地在UPS應用中控制了電流諧波。這些濾波器對UPS與發(fā)電機組的兼容性起到了關(guān)鍵作用。

事實(shí)上所有的輸入濾波器都使用電容器和電感來(lái)吸收UPS輸入端最具破壞性的電流諧波。輸入濾波器的設計考慮了UPS電路固有的和在滿(mǎn)載情況下的最大可能的全部諧波畸變的百分比。大多數濾波器的另一個(gè)益處是提高帶載UPS的輸入功率因數。然而輸入濾波器的應用帶來(lái)的另一個(gè)后果是使UPS整體效率降低。絕大多數濾波器消耗１％左右的UPS功率。輸入濾波器的設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(mén)級晶體管）技術(shù)應用到UPS設計中。IGBT逆變器的高效率導致了對UPS的重新設計。輸入濾波器可以吸收某些電流諧波，同時(shí)吸收很小一部分有功功率?？傊?，濾波器中感性因素對容性因素的比率降低了，UPS的體積變小了，效率提高了。在UPS領(lǐng)域的事情好像得以解決了，然而新問(wèn)題與發(fā)電機的兼容性又出現了，替代了老問(wèn)題。

２　功率因數的問(wèn)題

通常，人們把注意力放在UPS滿(mǎn)載或接近滿(mǎn)載情況下的工作狀態(tài)。絕大多數工程師都能表述滿(mǎn)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(shí)的狀況感興趣。畢竟UPS及其電氣系統在輕載狀態(tài)下的電流諧波影響很小。然而，UPS空載時(shí)的工作參數，特別是輸入功率因數對于UPS與發(fā)電機的兼容性相當重要。

最新設計的輸入濾波器，在減少電流諧波及提高滿(mǎn)載情況下的功率因數方面有了較好的效果。但是在空載或很小負載情況下卻衍生出一個(gè)電容性超前的極低的功率因數，特別是那些為了滿(mǎn)足5％最大電流失真度的濾波器。一般情況下，當負載低于25％時(shí)大多數UPS系統的輸入濾波器會(huì )導致明顯的功率因數降低。盡管如此，輸入功率因數卻很少會(huì )低于30％，有些新的系統甚至已達到空載功率因數低于2％，接近于理想的容性負載。

這種情況不影響UPS輸出和關(guān)鍵負載，市電變壓器和輸配電系統也不受影響。但發(fā)電機就不同了，有經(jīng)驗的發(fā)電機工程師知道：發(fā)電機帶大容性負載時(shí)工作會(huì )不正常，當接入較低功率因數負載，典型的低于15％～20％容性時(shí)，由于系統失調，可能導致發(fā)電機停機。在市電停電后出現這種停機,應急發(fā)電機系統帶動(dòng)UPS系統負載　將造成災難性事故。由于下述兩種原因停機給關(guān)鍵負載帶來(lái)危險：第一，發(fā)電機需要手動(dòng)重啟，并且必須在UPS電池放電結束前；第二，在停機前發(fā)電機可能引起系統的“過(guò)壓”，它可能損壞電話(huà)設備、火警系統、監控網(wǎng)絡(luò )甚至UPS模塊。更糟糕的是，在事故發(fā)生后，很難區分責任，找出問(wèn)題所在并予以糾正。UPS廠(chǎng)商說(shuō)UPS系統測試完好，并指出其它地方相同的設備沒(méi)有發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題。發(fā)電機廠(chǎng)商說(shuō)是負載的問(wèn)題，無(wú)法調整發(fā)電機來(lái)解決問(wèn)題。同時(shí)，用戶(hù)工程師則說(shuō)明他的規格要求，希望兩個(gè)廠(chǎng)商相互兼容。要了解為何會(huì )發(fā)生事故及如何避免（或如何在關(guān)鍵應用中找出解決方案），首先需要了解發(fā)電機與負載的工作關(guān)系。

２.1　發(fā)電機與負載

發(fā)電機依靠電壓調節器控制輸出電壓。電壓調節器檢測三相輸出電壓，以其平均值與要求的電壓值相比較。調節器從發(fā)電機內部的輔助電源取得能量，通常是與主發(fā)電機同軸的小發(fā)電機，傳送ＤC電源給發(fā)電機轉子的磁場(chǎng)激勵線(xiàn)圈。線(xiàn)圈電流上升或下降，控制發(fā)電機定子線(xiàn)圈的旋轉磁場(chǎng)或稱(chēng)為電動(dòng)勢EＭＦ　的大小。定子線(xiàn)圈的磁通量決定發(fā)電機的輸出電壓。

發(fā)電機定子線(xiàn)圈的內阻以Z表示，包括感性和阻性部分；由轉子勵磁線(xiàn)圈控制的發(fā)電機電動(dòng)勢用交流電壓源以E表示。假設負載是純感性的，在向量圖中電流I滯后電壓U正好90°電相位角。如果負載是純阻性的，U和I的矢量將重合或同相。實(shí)際上多數負載介于純阻性和純感性之間。電流通過(guò)定子線(xiàn)圈引起的電壓降用電壓矢量I×Z表示。它實(shí)際上是兩個(gè)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(dòng)勢必須等于發(fā)電機內阻的電壓降和輸出電壓之和，即矢量E＝U和I×Z的矢量和。電壓調節器改變E可以有效地控制電壓U。

現在考慮用純容性負載代替純感性負載時(shí)，發(fā)電機的內部情況會(huì )發(fā)生什么變化。這時(shí)的電流和感性負載時(shí)正好相反。電流I現在超前電壓矢量U，內阻電壓降矢量I×Z，也正好反相。則U和I×Z的矢量和小于U。

由于和感性負載時(shí)相同的電動(dòng)勢E在容性負載時(shí)產(chǎn)生了較高的發(fā)電機輸出電壓Ｕ，所以電壓調節器必須明顯地減小旋轉磁場(chǎng)。實(shí)際上，電壓調節器可能沒(méi)有足夠的范圍來(lái)完全調節輸出電壓。所有發(fā)電機的轉子在一個(gè)方向連續勵磁含有永久磁場(chǎng)　，即使電壓調節器全關(guān)，轉子仍有足夠的磁場(chǎng)對電容負載充電并產(chǎn)生電壓，這種現象稱(chēng)為“自激”。自激的結果是過(guò)壓或者是電壓調節器關(guān)機，發(fā)電機的監控系統則認為是電壓調節器故障（即“失勵”）。這任一種情況都會(huì )引起發(fā)電機停機。

發(fā)電機輸出端所接的負載，可能是獨立的，也可能是并聯(lián)的，決定于自動(dòng)切換柜工作的定時(shí)和設置。在某些應用中，停電時(shí)UPS系統是發(fā)電機接入的第一個(gè)負載。在其它情況下，UPS和機械負載同時(shí)接入。機械負載通常有啟動(dòng)接觸器，停電后重新閉合需要一定時(shí)間，補償UPS輸入濾波電容器的感性電動(dòng)機負載要有延時(shí)。UPS本身有一段時(shí)間稱(chēng)為“軟啟動(dòng)”周期，將負載從電池轉向發(fā)電機，使其輸入功率因數提高。然而，UPS的輸入濾波器并不參與軟啟動(dòng)過(guò)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(shí)首先接到發(fā)電機輸出端的主要負載是UPS的輸入濾波器，它們是高容性的（有時(shí)是純容性的）。

解決這一問(wèn)題的方法很明顯要用功率因數校正。這有多種方法可以實(shí)現，大致如下：

安裝自動(dòng)切換柜，使電動(dòng)機負載先于UPS接入。某些切換柜可能不能實(shí)現這種方法。另外，在維護時(shí)，工廠(chǎng)工程師可能需要單獨調試UPS和發(fā)電機。

增加一個(gè)永久性反應電抗來(lái)補償容性負載，通常使用并聯(lián)纏繞電抗器，接在E-G或發(fā)電機輸出并聯(lián)板上。這是很容易實(shí)現的，而且成本較低。但是無(wú)論在高負載還是在低負載的情況下，電抗器總是在吸收電流并影響負載功率因數。而且不論UPS的數量多少，電抗器的數量總是固定的。

在每一臺UPS中加裝感性電抗器，正好補償UPS的容抗。在低負載情況下由接觸器（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，在低負載時(shí)斷開(kāi)。由于接觸器的時(shí)間必須精確，控制比較復雜，只能在工廠(chǎng)安裝。

哪一種方法是最佳的，要根據現場(chǎng)的情況和設備的性能來(lái)確定。

３　典型案例

以下是一個(gè)UPS和發(fā)電機兼容性問(wèn)題的案例，一個(gè)在線(xiàn)服務(wù)供應商的新建數據中心在調試運行時(shí)發(fā)生的。它表明廠(chǎng)商、工程師和用戶(hù)如何發(fā)現并解決問(wèn)題的。

現場(chǎng)裝有3套MGE UPS 3000kVA系統，每一套由4臺75 kVA IGBT調寬調頻模塊組成，可擴展到6臺。模塊的設計負載率是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)電機并聯(lián)總線(xiàn)，每組總線(xiàn)有3臺1600 kW的發(fā)電機，可以擴展到6臺。每臺發(fā)電機都配有電子調壓器。每條并聯(lián)總線(xiàn)的電源轉換計劃是，在第一批負載接入前，等待兩臺發(fā)電機并聯(lián)。第一批負載包含每套系統中的一臺UPS和部分空調負載。隨著(zhù)后續發(fā)電機的并入，與第一批相同的負載隨后加入。在故障模式測試中操作員發(fā)現，帶第一批負載的兩臺發(fā)電機中有一臺故障時(shí)，另一臺將出現過(guò)壓報警并于2s后關(guān)機。但是第一批負載遠低于一臺發(fā)電機的容量，因為此時(shí)UPS的負載很輕。隨即安排了進(jìn)一步的測試，以確定UPS對單臺發(fā)電機的影響。因為首先懷疑的是UPS的輸入環(huán)節對調壓器的干擾，因此測試的UPS不帶負載，或UPS的逆變器關(guān)閉。測試裝置包括直流電壓和電流表，直接監測場(chǎng)激勵線(xiàn)圈，因為這些參數由調壓器控制，可以立即反映出調壓器的動(dòng)作。同時(shí)用發(fā)電機本身的儀表監測負載的功率（Ｗ）、電流電壓（VA）、乏（var）。

首先用純阻性負載進(jìn)行測試以建立基準。它表明隨著(zhù)負載增加勵磁電流和電壓上升，如我們所預期。較大的負載電流在發(fā)電機內阻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穩定。接著(zhù)測試UPS對發(fā)電機的影響，每次增加一臺。UPS不帶負載，觀(guān)察UPS整流器軟啟動(dòng)過(guò)程。測試結果很明顯調壓器的動(dòng)作和純阻性負載時(shí)相反。接入兩臺UPS后，調壓器已接近允許范圍的邊緣，再加一臺使得發(fā)電機2s后進(jìn)入過(guò)載狀態(tài)。

　請注意單臺750kVA UPS對應的負載值。它造成發(fā)電機關(guān)機實(shí)質(zhì)上卻沒(méi)有真實(shí)負載，每臺UPS接近230kvar的容抗使得功率因數為０。

由工程師、業(yè)主、承包商、供貨商和廠(chǎng)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(gè)容性負載上安裝反應電抗器的方案。根據前面測試的數據，廠(chǎng)商為每臺UPS設計了200kvar并聯(lián)電抗器，并由接觸器控制，承包商在現場(chǎng)將其與UPS的輸入濾波器并聯(lián)安裝，工程師設計了外部控制電路，它測發(fā)電機的負載，僅當UPS由發(fā)電機供電且發(fā)電機的總kW負載低于一個(gè)（可調）設定值時(shí)，才允許電抗器接入。項目小組用修改后的UPS接入一臺發(fā)電機重新測試。

這時(shí)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(zhù)UPS的增加，勵磁電流慢慢減少，然而這并不會(huì )造成問(wèn)題。因為６臺UPS已超出一臺發(fā)電機的容量，而調壓器依然正常并控制著(zhù)輸出電壓。

2.2　共振問(wèn)題

電容自激問(wèn)題可能被其他電氣狀態(tài)所加重或掩蓋，如串聯(lián)共振。當發(fā)電機的感抗的歐姆值和輸入濾波器容抗的歐姆值相互拉近，并且系統的電阻值較小時(shí)將產(chǎn)生振蕩，電壓可能超出電力系統的額定值。新近設計的UPS系統實(shí)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。并聯(lián)電感、串聯(lián)扼流圈和輸入隔離變壓器是UPS的常規部件，這些部件都是感性的。事實(shí)上他們和濾波器的電容一起使UPS總體表現為容性，可能在UPS內部已經(jīng)存在一些振蕩。加上連到UPS的輸電線(xiàn)的電容特性，整個(gè)系統的復雜性大為提高，超出了一般工程師所能分析的范圍。

近來(lái)在關(guān)鍵應用中兩個(gè)附加因素使得這些問(wèn)題更普遍。首先，根據用戶(hù)高可靠數據處理的要求，計算機設備廠(chǎng)商在其設備中更多地提供冗余電源輸入?，F在典型的計算機柜都帶有兩個(gè)或更多電源線(xiàn)。其次，設備經(jīng)理要求系統支持在線(xiàn)維護，他們希望在UPS關(guān)機維護時(shí)關(guān)鍵負載也有保護。這兩個(gè)因素使得典型數據中心UPS的安裝數量增加，每臺UPS的負載容量減少。但是發(fā)電機的增加沒(méi)有與UPS保持一致。在設備經(jīng)理的眼中發(fā)電機通常是備用的，容易安排維護。另外在一些大的項目中資金壓力限制昂貴的大功率發(fā)電機組的數量。結果是每臺發(fā)電機帶更多的UPS，這是一個(gè)令UPS廠(chǎng)商高興發(fā)電機廠(chǎng)商煩惱的趨勢