發(fā)電機(jī)與UPS的配置問題

發(fā)電機(jī)與UPS的配置問題

根據(jù)UPS容量，一般一臺(tái)傳統(tǒng)雙變換在線式UPS配套發(fā)電機(jī)組的容量比為2～4倍。事實(shí)上，叨淚一般工作在50%～80%額定容量，而對(duì)發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，其輸出的功率可能為額定容量的30%左右。這樣不但造成發(fā)電機(jī)組的容量不能充分利用，增加了設(shè)備投資，造成了"大馬拉小車"的現(xiàn)象，而且便發(fā)電機(jī)組更容易發(fā)生故障，增加了維護(hù)量，降低了發(fā)電機(jī)組的工作可靠性。

要改善各用發(fā)電機(jī)與UPS設(shè)備之間的匹配問題，在盡量選用性能優(yōu)良發(fā)電機(jī)的同時(shí)，應(yīng)把注意力主要放在改善UPS的輸入特性和改善兩者之間連接方式上。

根據(jù)UPS容量，一般一臺(tái)傳統(tǒng)雙變換在線式UPS配套發(fā)電機(jī)組的容量比為2～4倍。事實(shí)上，叨淚一般工作在50%～80%額定容量，而對(duì)發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，其輸出的功率可能為額定容量的30%左右。這樣不但造成發(fā)電機(jī)組的容量不能充分利用，增加了設(shè)備投資，造成了"大馬拉小車"的現(xiàn)象，而且便發(fā)電機(jī)組更容易發(fā)生故障，增加了維護(hù)量，降低了發(fā)電機(jī)組的工作可靠性。其原因是，根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的特性，如果長(zhǎng)期在小負(fù)荷下工作，氣缸內(nèi)溫度較低，正常進(jìn)入氣缸內(nèi)的潤(rùn)滑油不能完全燃燒，而燃油也不能充分燃燒，造成活塞環(huán)處、噴油嘴處積炭嚴(yán)重，氣缸磨損加劇，因而加速上述部位故障的產(chǎn)生，便柴柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)工作性能下降，排氣冒黑煙。

柴油機(jī)處于30%額定負(fù)載以下，經(jīng)濟(jì)性變差。通常，發(fā)電機(jī)組工作在負(fù)載超過(guò)額定負(fù)載的60%對(duì)柴油機(jī)較為有利。

解決這一間題的方法就是，對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)載輸入特性進(jìn)行校正。下面，具體介紹幾種常用的方法。

(1)改善系統(tǒng)功率因數(shù)

改善系統(tǒng)功率因數(shù)的方法很多，主要介紹以下幾種。

第一種方法是設(shè)置自動(dòng)切換柜，便發(fā)電機(jī)的其他負(fù)載先于UPS接入。此方法只適用于大功率柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)-UPS供電系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)中，除UPS外還有其他性質(zhì)的負(fù)載。這種自動(dòng)切換柜實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的因難，而且在維護(hù)時(shí)生產(chǎn)廠商的工程師需要單獨(dú)對(duì)UPS和發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。

第二種方法是增加一個(gè)性感應(yīng)電抗來(lái)補(bǔ)償容性負(fù)載，通常使用并聯(lián)線繞電抗器接在發(fā)電機(jī)輸出并聯(lián)板上，這很容易實(shí)現(xiàn)而且成本較低，但無(wú)論是重負(fù)載還是輕負(fù)載，電抗器總是在吸收電流并影響負(fù)載功率因數(shù)。而且，不論UPS的數(shù)量多少，電抗器的數(shù)量總是固定的。

第三種方法是在每一臺(tái)UPS中加裝正好能補(bǔ)償U(kuò)PS容抗的感性電抗器，在低負(fù)載情況下由接觸器(選件)控制電抗器接入。此方法可較精確地設(shè)置電抗器，但數(shù)量較大且安裝和控制的成本高。

第四種方法是在濾波器電容前安裝接觸器，在低負(fù)載時(shí)斷開。由于接觸器的時(shí)間必須精確，控制比較復(fù)雜，只能在工廠安裝。

第五種方法是在UPS供電系統(tǒng)前面配置混合型有源濾波器DHM，使整個(gè)供電系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)保持在0.95以上，輸入電流諧波控制在10%以下。

(2)改善UPS設(shè)備的輸入功率因數(shù)

這里講的不是用增加UPS輸入端無(wú)源濾波器方法。對(duì)于傳統(tǒng)雙變換在線式UPS，可改6脈沖整流為12脈沖整流，這種方法對(duì)提高UPS輸入功率因數(shù)和降低輸入電流諧波成分是有效的，但是它的輸入端同樣要設(shè)置濾波器，所以不能從根本上解決柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)與UPS的匹配問題。在本書第4章中介紹了改善UPS輸入功率因數(shù)的方法，其中最有效的辦法是把叨，S輸入端AC仍C整流電路改為高頻整流(PFC)電路(如第2章圖2-51和第4章圖4-28所示)，因?yàn)檫@種辦法可以在UPS負(fù)載0～100范圍內(nèi)都把輸入功率因數(shù)提高到0.95以上，當(dāng)UPS負(fù)載超過(guò)50A時(shí)，可提高到0.98以上，而且輸入端無(wú)需再加無(wú)源LC濾波器，在這樣的系統(tǒng)中，可使發(fā)電機(jī)與UPS的容量配置關(guān)系達(dá)到1.5:1。

(3)消除系統(tǒng)中設(shè)備啟動(dòng)電流沖擊

在供電系統(tǒng)中，任何大功率用電設(shè)備的啟動(dòng)都會(huì)形成過(guò)大的啟動(dòng)沖擊電流，嚴(yán)重污染電網(wǎng)，造成電網(wǎng)電壓下陷。特別是電網(wǎng)掉電后啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)供電時(shí)，會(huì)影響柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的正常啟動(dòng)，甚至引起UPS系統(tǒng)故障。圖5-7是柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流實(shí)測(cè)波形。

圖5-7所示為由1臺(tái)1OOkVA的電力穩(wěn)壓器+1臺(tái)8OkVAUPS所組成的UPS供電系統(tǒng)。電網(wǎng)掉電后，UPS轉(zhuǎn)電池逆變向負(fù)載供電，而電力穩(wěn)壓器則進(jìn)入不工作停機(jī)狀態(tài)。柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)面臨電力穩(wěn)壓器啟動(dòng)和UPS由電池逆變轉(zhuǎn)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)供電的負(fù)載電流轉(zhuǎn)移過(guò)程，電力穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的第1級(jí)的開機(jī)啟動(dòng)浪涌電流幅值包絡(luò)線的變化特性為:最大峰值電流是135A，持續(xù)期為0.2s左右單極性的瞬態(tài)浪涌電流。由UPS所產(chǎn)生的在第2級(jí)的開機(jī)啟動(dòng)浪涌電流，它出現(xiàn)在第1級(jí)的開機(jī)啟動(dòng)浪涌電流消失后的3-4s之后。由1臺(tái)8OkVAUPS所產(chǎn)生的第2級(jí)的具有輸入電流的緩啟動(dòng)爬升特性的啟動(dòng)電流，輸入電流的穩(wěn)態(tài)值是5OA。從測(cè)試曲線可知，能對(duì)發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行造成最大潛在威脅的浪涌電流是來(lái)自由1OOkVA的電力穩(wěn)壓器和8OkVA6脈沖型UPS所產(chǎn)生的具有緩啟動(dòng)爬升調(diào)制特性的輸入電流及其輸入諧波電流。

在供電系統(tǒng)中，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流最嚴(yán)重的設(shè)備是線性變壓器(包括隔離變壓器、UPS輸入12脈沖整流用變壓器和以補(bǔ)償變壓器為主體的交流穩(wěn)壓器)，有關(guān)沖擊電流產(chǎn)生的物理過(guò)程、特性和消除辦法，請(qǐng)看本章第3節(jié)。

產(chǎn)生啟動(dòng)沖擊電流的另一個(gè)設(shè)備是UPS，在市電-柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)-UPS供電系統(tǒng)中，市電掉電柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)正常后，UPS的接入影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)萬(wàn)面，一是負(fù)載電流由電池逆變向柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)供電的轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移可能會(huì)形成柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)負(fù)載的突變，另外也不排除在負(fù)載轉(zhuǎn)移過(guò)程中同時(shí)要給UPS電池充電，其變化的瞬態(tài)幅值要大于UPS正常對(duì)負(fù)載供電的輸入電流;二是UPS輸入端無(wú)源濾波器在啟動(dòng)時(shí)的容性電流的影響。對(duì)于前者，為了降低UPS啟動(dòng)沖擊電流對(duì)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的影響，通常要求UH啟動(dòng)時(shí)具有"軟啟動(dòng)"功能/使啟動(dòng)時(shí)的輸入電流由零緩慢增加到額定值。UPS沿的慢啟動(dòng)過(guò)程對(duì)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)-UPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是很重要的。下面以Delta變換UPS在柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)供電情況下的慢啟動(dòng)過(guò)程來(lái)說(shuō)明這一問錘。

由于Delta變換UPS的Delta變換器工作在高頻脈寬調(diào)制狀態(tài)，所以UPS開機(jī)時(shí)，它的慢啟動(dòng)過(guò)程可以做得很理想，圖5-8所示為S1con480kUPS由柴油發(fā)電機(jī)帶動(dòng)時(shí)的輸入慢啟動(dòng)特性實(shí)測(cè)波形。

UPS機(jī)型:SlconDP3480E，480kVM480kW。

UPS冶負(fù)載:滿載，5OOkW。

慢啟動(dòng)過(guò)程:105。

柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng):625kV肘5OOkW。

油機(jī)在負(fù)載啟動(dòng)過(guò)程中的頻率變化:0.25Hz。

ABB于2000年10月和12月測(cè)出了美國(guó)另外兩種品牌大功率傳統(tǒng)雙變換UPS輸入慢啟動(dòng)特性，如圖5-9所示。其中，圖5-9(a)是2000年10月測(cè)出的，圖5-9(b)是2000年12月測(cè)出的。從圖中可以看出，雖然這兩個(gè)啟動(dòng)波形不完全相同，但整個(gè)過(guò)程由兩次諧躍完成這一點(diǎn)卻是一樣的。盡管UPS延遲了啟動(dòng)時(shí)間，但并沒有消除柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)負(fù)載突變的問題。

上面的分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在改善油機(jī)和UPS的匹配關(guān)系時(shí)，應(yīng)把重點(diǎn)放在改善UPS輸入特性上，包括提高UPS輸入功率因數(shù)，降低輸入電流諧波成份，改善UPS動(dòng)、負(fù)載突變、電池逆變與市電逆變轉(zhuǎn)換等過(guò)程的UPS輸入電流的變化特性。由于Delta變換UPS輸入變換器是一個(gè)理想的正弦波電流源，它在輸入功率因數(shù)、輸入電流諧波成分、輸入電流的緩變特性(如圖2-52至圖2-56所示)等方面，都為柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)提供了一個(gè)理想的負(fù)載特性，所以它與柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的容量比可做到1.5:1，而輸入端帶有一般的可控整流電路的傳統(tǒng)雙變換UPS，輸入AC/DC變換器和附加的無(wú)源濾波器都不利于與柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的匹配，這種USP與柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的容量比為2:1至4:1。

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