摘要：UPS是為關鍵負載提供交流不間斷電源的設備。柴油發電機組制造商很早就已經注意到柴發與UPS之間的配合問題，特別是由整流器產生的電流諧波對供電系統如發電機組的電壓調節器、UPS的同步電路產生的不良影響非常明顯。因此，康明斯公司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與發電機組的兼容性起到了關鍵作用。康明斯公司在本文對UPS與柴油發電機組不兼容問題的原因從原理上進行了詳細的分析，并提出了相應的對策和建議。

一、概述

      UPS是為關鍵負載提供交流不間斷電源的設備。市電正常時，UPS從市電獲得能源，經過適當的電力變換和調節（最典型的是整流/逆變雙變換），消除市電線路的各種干擾，從而為負載提供穩定可靠的交流電源。市電停電時，UPS利用內部蓄電池的儲能，經逆變器不間斷地供給負載穩定可靠的交流電源。但蓄電池的儲能一般只能供電10~30 min。對于市電長時間停電，雖然可以采用大容量蓄電池．但保護時間仍然是有限的，而且大容量蓄電池是十分昂貴的。目前國內外普遍認為，大、中功率的UPS系統采用大容量蓄電池并不是經濟合理的方法，只有在非常特殊的情況下才推薦采用大容量蓄電池。

      因此，市電長時間停電時，一般需要由備用柴油發電機為UPS提供交流輸入電源。然而，許多現場的運行經驗表明，UPS和備用柴油發電機兩者一起運行時存在一些不兼容的問題。當采用較小功率的柴油發電機、UPS是柴油發電機的惟一負載或者最大負載的時候，就可能會出現不同程度的異常現象或故障。例如，柴油發電機給UPS供電時，出現輸出電壓、頻率不穩；輸出電壓嚴重失真，UPS在由柴油發電機供電時不能與柴油發電機的輸出電壓同步；UPS的關鍵負載不能轉換至由旁路電源供電等。這些接口問題發生后，往往不易找出原因和解決辦法。為此．有必要了解柴油發電機的工作與UPS輸人技術指標的關系，然后有針對性地采取措施。

      目前，應用的UPS主要分為線交互UPS（如圖1）、備用UPS（如圖2）、雙變換UPS等3種類型，外加一種20世紀90年代出現的Delta變換UPS。其中，與柴油發電機組不兼容問題最突出的是雙變換UPS。備用UPS、線交互UPS和Delta變換UPS與柴油發電機組不兼容問題比較簡單，在應用中并不是十分突出。而雙變換UPS與柴油發電機組不兼容問題要復雜得多，可能會出現各種各樣的異常現象，對供電系統的影響也更嚴重。

二、雙變換UPS的基本概念

      雙變換UPS供電系統由整流器／充電機、蓄電池、逆變器、靜態開關和手動維修旁路開關組成。工作原理如圖3所示

1、整流器／充電機

      將交流輸入電源（市電或備用柴油發電機組）整流為直流電源，供給逆變器，同時給蓄電池充電或浮充電。

2、蓄電池

      在交流輸入電源故障時，為逆變器提供備用直流電源。

3、逆變器

      將整流器或蓄電池的直流電源逆變為穩定可靠的高質量的交流電源，供給重要負載。

4、靜態開關

      UPS本身故障時，用以不間斷地將負載從逆變器轉換到交流輸入電源（經旁路輸人開關）。

5、維修旁路

      UPS維修時，用以將負載從逆變器轉換到交流輸入電源（經旁路輸人開關）。

6、雙變換UPS工作方式

（1）正常方式：

      整流器／充電機由市電供電，將交流電變為直流電；逆變器由整流器／充電機供電，將直流電變為交流電；負載由逆變器供電。因為負載功率經過了兩次變換，所以稱為雙變換UPS。

（2）備用方式：

      市電短時間停電時，逆變器由蓄電池供電，負載由逆變器供電；市電長時間停電時，整流器／充電機由備用柴油發電機供電，逆變器由整流器／充電機供電，負載由逆變器供電。

（3）旁路方式

      負載直接由交流輸入電源供電（經旁路輸入開關），電路如圖4所示。

三、雙變換UPS的輸入諧波電流和“換相凹口”

      雙變換UPS被認為是性能最好、應用范圍最廣、使用數量最多的UPS。50~500 kW的雙變換UPS一般都采用6脈沖可控硅（SCR）相控整流器，這些整流器內部的可控硅元件在每個電源周期內輪流導通，每個可控硅導通1/3周期。由于換相時連接在交流輸入電源不同相線上的兩個可控硅在極短的時間內同時導通，造成瞬時相間短路，所以在交流電源電壓波形上造成了所謂“換相凹口”。此外，當某個可控硅被觸發導通時，交流電源相應的相電壓就突然加到直流側的濾波電感上，使交流電源的該相電流突然上升。由于濾波電感足夠大，電流基本保持恒定，直到下一個可控硅被觸發導通，結果形成了脈沖式的交流輸入電流。這種電流波形包含大量的諧波電流，諧波的存在使得波形發生失真，諧波失真的程度用總諧波失真（THD）（所有諧波頻率電流之和與基波頻率電流的比值）表示。輸入端采用6脈沖整流器的雙變換UPS輸入電流的THD為30%以上，主要含有5次、7次、11次、13次、17次、19次諧波。采用12脈沖整流器的雙變換UPS輸入電流的THD為10%左右，主要含有11次、13次、23次和25次諧波。

      下面的分析可以表明，交流輸入電源電壓波形上的“換相凹口”和輸入諧波電流是造成UPS和柴油發電機接口問題的主要原因。

1、諧波電流和“換相凹口”對柴油發電機的影響

（1）引起電壓失真

      在交流電源系統中，非線性負載可以等效為一個線性負載和一系列的諧波電流源（對應于各個諧波頻率電流）。可以認為，連接到交流電源的非線性負載從交流電源吸取基波電流并向交流電源反饋各種頻率的諧波電流。諧波電流流過電源的內阻（對各次諧波電流的阻抗）時將產生各次諧波電壓。

      電源輸出電壓等于基波電壓與諧波電壓的向量和，諧波電壓疊加在基波上必然引起電源電壓波形失真。電源電壓波形失真與負載諧波電流和電源內阻有關，負載諧波電流和電源內阻越大，電源電壓波形失真越大。因此應盡力減小負載諧波電流和電源內阻。

      柴油發電機的內阻比市電電源大，在給線性負載供電時，輸出電壓波形為正弦波。但是當帶有非線性負載時，由于它的內阻較大，輸出電壓波形會出現嚴重失真。

（2）配電損耗增大

      諧波電流在配電系統中流動時，會使柴油發電機繞組發熱，導致可靠性和壽命降低。

（3）輸出電壓不穩

      發電機都采用自動電壓調節器（AVR）調節輸出電壓，AVR實時監視輸出電壓，根據輸出電壓的變化控制發電機的激磁，以保持輸出電壓的穩定。當采用由SCR接通和斷開激磁電源的AVR時，如果發電機帶UPS負載，由于發電機輸出電壓波形失真（包括電壓波形的換相凹口），AVR可能會錯誤地斷開激磁電流，從而造成發電機的輸出電壓降低。AVR根據降低的電壓對激磁電流進行補償，必然使輸出電壓升得太高。接著AVR又根據升高的電壓控制激磁電流，使輸出電壓下降，結果造成輸出電壓不穩和系統故障。

（4）功率因數降低

      因為UPS輸入端的整流器／充電機是交流輸入電源的非線性負載，輸入電流含有諧波成分，諧波電流產生的失真功率，會使視在功率增大，因為取決于基波電流的有功功率是固定的，所以功率因數下降。交流電源給UPS供電時，需要供出額外的視在功率。

2、柴發電壓不穩和波形失真對UPS的影響

（1）蓄電池完全耗盡和UPS關機：柴油發電機輸出電壓波形嚴重失真時，UPS的可控硅整流器根本不能正常工作，UPS的檢測電路判定為交流輸人電源質量不合格或故障，強迫UPS轉換到蓄電池備用能源，經逆變器為負載供電。當負載轉換到蓄電池時，柴油發電機變為空載，輸出電壓波形失真消失。當UPS恢復由柴油發電機供電時，柴油發電機輸出電壓波形失真重新出現，這將導致UPS再次轉換到由蓄電池供電。以上過程將以一定的時間間隔無限制地循環下去，直到蓄電池的儲能完全耗盡，致使UPS最后關機。

（2）旁路電源不可用：柴油發電機輸出電壓波形失真可能被UPS檢測電路判定為旁路交流輸入電源質量不合格或存在故障，柴油發電機輸出電壓不穩也會影響UPS與旁路電源的同步，引起“旁路不可用”的告警。因此，在UPS設備有故障時，不可能轉換到旁路電源（柴油發電機）應急供電，降低了系統的可靠性。

四、UPS和柴發接口問題的解決途徑

      UPS和柴油發電機接口問題涉及到UPS和柴油發電機兩個自動調節系統，兩者接口時出現的不兼容的問題是兩個系統相互作用的結果。可以在其中一個系統或兩個系統內采取適當措施予以解決。

      過去，一般是在柴油發電機上想辦法，最常用的方法是將柴油發電機降容使用，以減小諧波失真和繞組發熱。該種方法是根據不同柴油發電機的具體情況將柴油發電機容量加大到UPS容量的2~5倍。柴油發電機相對于UPS的容量越大，柴油發電機輸出電壓失真越小，但工程投資越大。因此．這是非常昂貴的方法，而且也不能保證UPS和柴油發電機組的完全兼容；另外，柴油發電機組的欠載還會引出柴油發電機組運行維護方面的問題。因此，不宜過分追求電壓波形失真小，一般將柴油發電機輸出電壓失真減小到10%~15%即可保證UPS和柴油發電機的正常運行。

      20世紀90年代以來，人們對電源系統諧波電流越來越重視，一些國際標準對一般配電系統的諧波電流提出了限制。為了滿足國際標準的要求，許多UPS廠商致力于減小UPS輸入端相控整流器產生的諧波電流的研究，并采用了比較有效的、低成本的解決辦法。IEEE std 519要求商業和工業用戶向公共電源系統反饋的最大總諧波失真（TDD）應小于5%，其中11次下的諧波為4%，11~17次諧波為2%，17~23次諧波為1.5%，23~35次諧波為0.6%，35次以上的諧波為0.3%。如果UPS的輸入諧波電流達到了這個標準要求，UPS與柴油發電機的兼容性問題就徹底解決了。

1、對雙變換UPS輸入諧波電流的控制

      減小雙變換UPS輸入諧波電流的方法主要有在整流器輸入端串聯電感、在整流器輸入端加LC無源濾波器、12脈沖濾波器和總諧波控制有源濾波器。

（1）串聯電感

      在交流輸入電源（柴油發電機）和UPS的輸入端之間加上一個電感LF，可以衰減各次諧波。假設發電機和電纜的總電感為LS，那么LF和LS構成的分壓電路，可將發電機輸出端的電壓失真減小為UPS輸人端電壓失真的LS／（LS+LF）。

      這是最簡單和最經濟的方法，但是抑制諧波的效果有限，而且體積較大。

（2）LC無源濾波器

      LC無源濾波器由電感L和電容C組成的LC無源濾波器與整流器并聯，這個濾波器設計對幅度最大的5次諧波（250 Hz）電流的阻抗為零，對7次諧波（350 Hz）電流的阻抗也很低。因此，5次諧波電流和大部分7次諧波電流都流經濾波器，不會流向發電機，引起發電機輸出電壓的失真。

      這種方法比較簡單，濾波效果也很好，諧波電流總諧波失真（THDI）可以減小到5%。

（3）12脈沖濾波器

      12脈沖濾波器就是采用12脈沖整流器。12脈沖整流器是由兩個相差30°的6脈沖整流器組成的。由兩個6脈沖整流器產生的諧波電流在整流變壓器輸人端疊加，消除了6脈沖整流器輸入電流含有的較低次諧波（5次、7次、17次、19次），使其輸入電流中僅含有11次、13次、23次、25次諧波。THDI降低為10%左右。

       這種濾波效果比LC無源濾波器的效果差，但（THDI）控制得比較低，可以避免發電機發熱問題，一般說來，基本可以保證UPS與柴油發電機兼容。然而，這個方法的缺點是電路復雜、成本高、體積大。

（4）總諧波控制有源濾波器

      總諧波控制有源濾波器通過檢測整流器輸入電流諧波，濾波器輸出與整流器諧波電流大小相同、相位相反的諧波電流。這樣，交流電源只需要供給整流器基波電流。

      總諧波控制有源濾波器是最有效的濾波器，可以做到UPS輸入（THDI）小于4%，而且功率因數可以提高到0.95~0.98（同時相移功率因數也得到改善）。但是，由于總諧波控制有源濾波器價格昂貴，目前主要用在大型UPS中。

2、UPS和柴發接口的新問題

       上述控制UPS諧波電流的方法各有優缺點，可以應用在不同的UPS設備中。其中無源濾波器的濾波性能較好、成本較低，在UPS中應用最多。值得提出的是，無源濾波器雖然成功地抑制了諧波電流，但有時會引起UPS和柴油發電機新的不兼容問題，因此在進行系統設計時必須給予足夠的重視。下面討論無源濾波器對UPS和柴油發電機兼容性的影響。

（1）無源濾波器對功率因數的影響

      采用無源濾波器除了成功地抑制了諧波電流外，還有一個附加的好處就是提高了UPS的輸入功率因數。

      由于UPS在輕載時輸入諧波電流對交流電源系統的影響很小，甚至可以忽略，無源濾波器的設計一般主要考慮UPS滿載時輸入諧波電流抑制和改善輸入功率因數的性能。因此，有無源濾波器的UPS在空載和輕載時往往呈現特別低的超前功率因數。

       這種情況對UPS系統輸出和負載沒有什么影響，對市電變電站的變壓器和配電系統也沒有什么影響。但是，柴油發電機給超前功率因數的負載（電容性負載）供電時可能會由于輸出電壓過高或無激磁而關機，給供電系統造成嚴重故障。這是由于無源濾波器存在而導致的UPS和柴油發電機不兼容的新問題。下面分析這種新的不兼容問題產生的原因。

（2）產生原因

      為了說明上述新的不兼容問題產生的原因，我們首先分析柴油發電機運行特性與其負載性質的關系。圖5是柴油發電機供電系統簡化電路圖。V₁是發電機的電勢，V₁的大小取決于發電機的激磁電流。Z_S是發電機定子繞組的阻抗（由電感和電阻元件組成），Z_L是負載阻抗，V_s是發電機的輸出電壓，I是負載電流。

      負載Z_L可能為各種不同性質的負載。圖2（a）是發電機給純電感性負載供電時的向里圖。其中，電流I滯后于發電機輸出電壓V_s90°，電流I流過定子繞組產生的壓降表示為IxZ_L。因為定子阻抗包含電阻和電感兩個分量，這個定子阻抗壓降實際上是兩個小的電壓向量的和（與電流同相的電阻壓降V_R和超前電流90°的電感壓降V_L）。因為發電機的電勢必須等于發電機內部阻抗和外部負載阻抗的壓降之和，所以發電機的電勢向量V₁等于發電機輸出電壓V_s和IxZ_S的向量和。因此，可以通過電壓調節器改變發電機電勢V₁有效地控制發電機輸出電壓VS。 

      圖6（b）是發電機給純電容性負載供電時的向量圖。其中，電流向量I超前于電壓向量V_s90°,內部壓降IxZ_S的相位與電感性負載時相反，結果向量V_s和IxZ_S合成的向量V₁比V_s小。也就是說，很小的電勢V₁就能產生很大的輸出電壓V_S。

      在這種情況下，為了維持發電機輸出電壓V_s恒定，電壓調節器必須大大地減小轉子激磁電流以減小發電機電勢V₁。但是，電壓調節器不可能有足夠的調節范圍完全控制輸出電壓。因為發電機轉子都有一定的剩磁，即使電壓調節器完全關閉，仍有足夠的磁場產生輸出電壓。這將導致輸出過壓或者電壓調節器關閉，最終使發電機關機。因此，柴油發電機帶電容性負載時不能正常工作。

      值得注意的是，圖6（b）的情況是實際存在的。在某些系統中，UPS是市電停電期間加到備用發電機上的第一個負載，UPS本身有軟啟動功能，可以在很短的時間逐漸將負載加到備用發電機上。而UPS的輸人濾波器是固定接在UPS輸人端的，在UPS啟動過程中輸入電流呈現很強的電容性或UPS具有超前功率因數。

      因此，要解決上述問題，必須對UPS在空載和輕載時的輸入功率因數進行調節。

（3）解決方法

      可以采用下列幾種方法對UPS空載和輕載時的輸人功率因數進行調節：

① 備用柴油發電機啟動運行后，將其他的感性負載（如空調設備）先于UPS設備加到發電機上。

② 在發電機上或發電機配電屏上加上一個補償電抗器。這個電抗器可以調節UPS空載和輕載時的功率因數，但也會影響大負載時UPS的功率因數。

③ 在每個UPS設備上加一個補償電抗器，僅補償本UPS產生的超前功率因數。這個方法可以根據該UPS產生的電容性電流精確地確定電抗器的容量。

④ 采用帶接觸器的UPS輸入濾波器，當UPS輕載時通過接觸器自動斷開濾波器。

3、建議

      為了妥善解決UPS和柴油發電機組接口問題，使UPS和柴油發電機組的不兼容性降到最小，在進行系統設計時應慎重考慮UPS和柴油發電機組的選型要求。現根據上述討論，提出保證兩者兼容的基本技術要求。

（1）UPS

① 雙變換UPS（特別是采用6脈沖整流器／充電機的UPS）應有輸入濾波器。