“1+1”UPS并機系統供電系統設計方案

相關的檢測數據表明：對于同一套UPS供電系統而言，不管它是工作在市電供電條件下、還是工作在發電機供電的條件下，它不僅具有幾乎相同的CosΦ,輸入功率因數PF, 輸入諧波電流絕對值。而且，還具有非常近似的輸入電流諧波的頻譜分佈曲線。發電機電源的高內阻是造成UPS供電系統的輸入電壓失真度增大的主要原因, 它極易導致電力穩壓器及發電機的自動調壓系統發生”誤動作”/”誤調操作”。

為此，過去為UPS業界所經常釆用的技術措施是：利用增大發電機的輸出功率同UPS的輸出功率的容量比的辦法來改善發電機的帶載特性(其實質是通過增大發電機的容量的辦法來降低發電機的內阻),從而導致投資成本增大。

　　通過適當地”錯開”兩臺電力穩壓器的”開機啟動浪涌電流”的發生時間及適當地調低電力穩壓器的穩壓精度，就能用1臺150KVA發電機來驅動由兩臺100KVA電力穩壓器+80KVA“1+1”UPS并機系統所組成的UPS供電系統, 從而達到節約投資和運行成本的目的。

　　1、利用發電機電源來驅動80KVA”1+1”UPS并機系統時、所釆用的技術改進措施

　　在民航的空管系統用的UPS供電系統中、為使得UPS并機系統能適應輸入電網的電壓波動范圍大的應用條件，需要在備用發電機與UPS供電系統之間增配電力穩壓器（見圖1）。對于這樣的UPS供電系統而言，處于”串聯工作狀態”中的電力穩壓器不會對它的輸入諧波特性產生任何實質性的影響。根據過去所獲得的相關的現場測試數據、可以發現：電力穩壓器與UPS的輸入電壓和輸入電流不僅具有非常相似的工作波形和基本相同的輸入諧波特性參數(例如：CosΦ、功率因數PF、輸入電流峰值比KF電流、輸入電壓的峰值比CF電壓、輸入電流諧波分量THDI和輸入電壓諧波分量THDV等參數)。而且，它們的輸入電流諧波分量的頻譜分佈曲線也具有非常相似的變化規律。根據前期的在市供電條件下對由110KVA發電機+兩臺100KV電力穩壓器+兩臺6脈沖型80KVA”1+1”UPS冗余并機系統所獲得的測試結果，可以推斷出：能對發電機的安全運行造成”最大的潛在威脅”的禍根是來自由兩臺100KVA的電力穩壓器所產生的單極性的”開機啟動”浪涌電流,而不是來自由兩臺80KVA 6脈沖型UPS所產生的具有”緩啟動爬升”調制特性的雙極性的輸入電流及其輸入諧波電流。相關的測試數據顯示，所需的發電機的輸出功率應該大于145KVA。

　　為確保由電力穩壓器+”1+1”UPS并機系統所組成的供電系統、在發電機供電的條件下，也能安全和可靠地工作，需要對這套UPS供電系統執行如下的技術改進：

　　（a） 將原來的輸出功率為110KVA的備用發電機組調換為150KVA的備用發電機(常行功率);

　　（b） 考慮到：因發電機電源被投入到電力穩壓器的輸入端上的時刻、可能出現在具有正弦波形的交流電源的”不同相位點上”，并進而導致它的”開機啟動浪涌電流”的幅值會發生較大差異的工作特性(其變化規律是：當發電機電源的投入的時刻出現在正弦波的電壓峰值處時、它的輸入啟動浪涌電流的幅值為最小值。當它的投入的時刻出現在正弦波的電壓”過零奌”處時、其啟動浪涌電流的幅值為最大值)。鑒于在過去的測試中、在兩臺電力穩壓器的輸入端上所曾經記錄到的它們的最大”開機啟動浪涌電流”是一串幅值為220A左右，持續時間較長達到0.2秒左右的單極性衰減波形。為改善發電機的運行環境,盡可能地降低由電力穩壓器的”開機啟動浪涌電流” 所可能帶來的不利影響。建議相應的電力穩壓器廠家：將兩臺穩壓器的”開機啟動時間”錯開3秒左右。

　　（c） 為改善發電機的運行條件，建議相應的UPS廠家：對80KVA”1+1”UPS并機系統進行”再調整”，以便盡量地減小兩臺UPS之間的輸入電流和輸出電流的均流”不平衡度”(通常的期望值<5%)及它們之間的”環流”,從而提高UPS并機系統運行的可靠性的目的。

圖1:1+1型冗余并機ＵＰＳ供電系統（6脈沖型ＵＰＳ）

2、對由發電機、電力穩壓器和UPS冗余并機供電系統所組成的供電系

　　統所執行的”系統匹配性”的調控操作

　　在對如圖1所示的由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統所執行的”系統匹配性”的調控操作時，曾先后進行過如下調整步驟、才最終使得這套UPS供電系統進入穩定、可靠的運行工作狀態之下：

　　（a） 當150KVA的發電機被開機啟動、并等待它進入穩定工作狀態之后，在對這套UPS供電系統的輸入端、執行市電供轉入發電機供電的切換操作時，卻出現了發電機的聲音”異常”、電力穩壓器的輸出不穩，并頻繁地調節其輸出電壓等不正常工作現象(注：此時發現：位于伺服調控型的電力穩壓器中的碳刷進入頻繁的” 不停的上、下移動”的”誤調”工作狀態之中)。在此條件下，位于6脈沖型的80KVA”1+1”UPS并機系統中的1臺UPS的逆變器因輸入電源的電壓和頻率的”嚴重不穩”而進入”自動關機”狀態。

　　（b） 此時，將電力穩壓器從這套UPS供電系統中脫離出來,并直接用150KVA 的發電機來直接驅動”1+1”UPS并機系統。運行結果表明：工作基本正常。

　　對于這臺150KVA的發電機而言，它的標稱工作電流為217A,短時的最大工作電流可達239A。發電機的總負載包括：”1+1”UPS并機系統，空調機組及照明等負載。在進行此次發電機帶載調試時，實測到的發電機的總輸出電流為90A左右。根據過去的工作經驗：利用這臺150KVA 發電機應該是能夠驅動后接的6脈沖型UPS供電系統的。這是因為，此時的發電機標稱輸出電流與后接的負載電流的實際容量比已達2.4倍左右。因此，它暗示我們：導致這臺發電機不能正常驅動這套由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統主要原因應該是：電力穩壓器的”誤動作”,而不是發電機的容量不足的問題。

　　（c） 眾所周知：對發電機供電系統而言，它的最惡劣工作條件是發生在電機組剛被投入到它的后接UPS供電系統的輸入端的瞬間。因為，此時、它必須要提供足夠大的瞬態電流來滿足由后接的電感性的電力穩壓器所可能產生的開機啟動瞬態浪涌電流。目前，有兩種發電機型可供我們選擇：無刷、自勵磁式的發電機和無刷、永磁發電機勵磁式的發電機。相關的運行統計資料表明：無刷、永磁發電機勵磁式發電機的帶瞬態浪涌電流的抗”沖擊”的能力是優于無刷自激勵勵磁式的發電機的帶瞬態浪涌電流” 沖擊”能力的(有的資料稱，可提高1.4倍左右)。鑒于目前現有的發電機是屬于無刷、自勵磁式的發電機。相對地而言，它的瞬態帶載能力較弱。在此背景下，為了盡可能地發揮這種發電機的潛在驅動能力和為后接的UPS供電系統提供盡可能良好的運行環境。在調試中，釆用將它的輸出電壓從402V調節到396V, 工作頻率從50Hz調到51Hz的技術措施。這是因為：對于特定的發電機而言，如果適當地將它的輸出頻率調高的話,會有利于提高它的輸出功率。在釆取這種措施后、所進行的發電機帶載實驗證實：它的確可以使得UPS供電系統的運行狀態獲得了進一步的改善。然而，此時的運行狀態仍不能達到令人滿意的程度。主要表現為：發電機的輸出電壓仍然不夠穩定和聲音仍有”異常”。

　　（d） 根據過去的測試數據發現：對于同一套的UPS供電系統而言，不論它是處于市電供電、還是處于發電機供電的條件下運行，它可能反饋到輸入電源的諧波電流是基本相同的、不會有數量級的變化。在此條件下，釆用發電機電源供電方式與釆用市電電源供電方式所可能帶來的主要變化是：發電機電源的內阻明顯地高于市電電源的內阻。因此，在將釆用發電機電源帶載時的運行狀態同釆用市電電源帶載時的運行狀態進行比較時、就可發現：它對輸入電源所可能產生的影響是：將會導致供電電源的輸入電壓諧波分量THDV增大，從而致使它的輸入電壓波形的畸變度有所增大。

　　如圖2所示，同市電供時、出現在兩臺UPS輸入端的的電壓波形相比，當改用發電機供電時，出現在它的輸入電壓波形上的畸變度明顯地增大(此時，可在它的電壓波形上、觀察到頻率較高的瞬態”電壓躍變”現象)。眾所周知：當這種畸變度增大的電壓信號被送同時到發電機和電力穩壓器的自動穩壓調控線路中的電壓釆樣信號線路的輸入端上時、由此所造成的惡果之一是：迫使位于伺服調控式電力穩壓器中的僅具有25V/秒左右的低速跟蹤運動特性的碳刷所執行的”慢速機械移動”的調控操作、始終無法同步跟蹤從電子控制線路所發出的高速自動調壓控制信號。這是因為碳刷所執行的是具有極大延時特性的、機械移動式的自動調壓操作，從而迫使電力穩壓器進入一種具有明顯”滯后跟蹤”特性的、“自激振蕩式”的“誤調”的工作狀態之中（其表現為：碳刷始終處于無規則的、不停的“上、下移動”之中），從而使得它始終無法進入穩定的自動調壓工作狀態。為改善電力穩壓器的運行條件，可釆用技術措施之一是：釆用適當地降低它的標稱穩壓精度的辦法來達到盡可能地減少“伺服調整碳刷”執行自動調壓操作的頻度，從而達到讓它進入慢速跟蹤的自動調壓狀態。在這里，釆用的辦法是：將電力穩壓器的輸出電壓的穩壓范圍從380V±1%擴大為380V±2.6%（370伏—390伏）。至此，150KVA的發電機就能正常地驅動由兩臺100KVA電力穩壓器+6脈沖的80KVA“1+1”并機系統所組成的整套UPS供電系統，僅在發電機剛投入的瞬間、發電機還存在短暫的聲音稍有異常的現象。

　　3、經”系統匹配性”調控操作的技術改進后、所檢測到的由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統的輸入諧波特性

　　為了證實對由發電機、電力穩壓器和UPS并機供電系統所組成的供電系統所執行的系統匹配性和兼容性的調控操作的合理性，對該系統進行如下輸入諧波特性的檢測：

　　(a) 將兩臺電力穩壓器的”開機啟動時間”錯開所帶來的性能改善

　　在150KVA發電機供電條件下、釆用手動切換操作的方法，從市電供電切換到發電機供電后、所測得的UPS供電系統的兩次”開機啟動輸入電流”的典型波形圖被示于3中。從該圖可以清晰地、分別地觀察到三種啟動浪涌電流：電力穩壓器1的開機啟動浪涌電流、電力穩壓器2的開機啟動浪涌電流、UPS的緩啟動輸入“爬升”電流。從這樣的測試結果可以得到如下結論：在釆用將兩臺電力穩壓器的”開機啟動浪涌電流”的出現時間“錯開”3秒左右的技術措施之后，所帶來的明顯好處是：它大大地降低了在毎臺電力穩壓器被開機啟動時所可能產生的瞬態浪涌電流的幅度，經多次開機啟動測試后，發現：在此條件下，可能出現在兩臺電力穩壓器的輸入端的瞬態電流的峰值都小于100A。與此相反，在未釆用這樣的技術措施之前，曾經被檢測到的最大浪涌電流的峰值卻高達220A左右。

　　(b) 市電供電與發電機供電條件下，UPS供電系統的輸入電流諧波和輸入電壓諧波特性的比較

6脈沖型80KVA UPS的分別在市電供電和發電機供電條件下、進入穩態工作狀態時的典型輸入電流和輸入電壓的諧波頻譜分佈曲線被示于圖4和圖5中。與此同時，我們還可以得到如表1所示的輸入電流諧波分量THDI%r和輸入電壓諧波分量THDV%r的頻譜分佈特性的參數值。在表2中，還分別顯示出：在市電供電和發電機供電條件下的由兩臺100KVA電力穩壓器+ 80KVA”1+1”UPS并機系統所組成的供電系統的各種典型的輸入諧波參數值。

　　表1：在市電供電和發電機供電條件下的80KVA的6脈沖UPS的輸入電流諧波分量THDI%r和輸入電壓諧波分量THDV%r的頻譜分佈特性

　　表2：在市電供電和發電機供電條件下的由兩臺100KVA電力穩壓器+ 80KVA”1+1”UPS并機系統所組成的供電系統的各種典型的輸入諧波參數值(注：UPS并機系統的負載百分比為23%)

　　從表1和表2可以得出如下結論：

　　1) 對于UPS供電系統而言，無論它是運行在市電供電條件下、還是在發電機供電的條件下運行，它們都具有基本相同的輸入電流諧波工作特性

　　相關的檢測數據表明：對于同一套UPS供電系統言，不管它是工作在市電供電條件下、還是工作在發電機供電的條件下，它不僅具有幾乎相同的CosΦ,輸入功率因數PF, 輸入諧波電流絕對值。而且，還具有非常近似的輸入電流諧波的頻譜分佈曲線。在這里，需特別說明的是：造成在發電機供電條件下的UPS供電系統的輸入電流諧波分量(注：兩臺電力穩壓器的總輸入端的輸入電流諧波分量和80KVA UPS的輸入端的輸入電流諧波分量THDI分別是24%和40.9%) 小于在市電供電條件下的輸入電流諧波分量(注：兩臺電力穩壓器的總輸入端的輸入電流諧波分量和80KVA UPS的輸入端的輸入電流諧波分量THDI分別是28.4%和44.8%)的原因是：在市電供電的條件下的輸入電流(227V,53A)小于發電機供電條件下的輸入電流(219V,62A)的緣故。按照6脈沖型UPS的工作原理，當它處于低壓，大電流的工作條件下運行時，它的輸入電流諧波分量的相對值(THDI%r)將會有不同程度的下降。

　　2) 發電機電源的高內阻是造成UPS供電系統的輸入電壓失真度增大的主要原因

　　相關的檢測數據表明：對于同一套UPS供電系統言，當它處于發電機供電的條件下運行時，它的輸入電壓諧波分量明顯地高于在市電供電條件下的輸入電壓諧波分量。我們從這套UPS供電系統上所檢測到的數據是：對于出現在兩臺電力穩壓器的總輸入端的輸入電壓諧波分量而言，在市電供電時和在發電機供電的的THDV分別為2.8%和5.1%。對于在出現80KVA UPS的輸入端的輸入電壓諧波分量而言，在市電供電時和在發電機供電的的THDV分別為3.1%和6.1%。從圖4和5還可觀察到：在驅動相同的整流濾波型非線性UPS負載時，通過降低輸入電源的內阻不僅可以有效地降低UPS的輸入電壓諧波分量THDV。而且，還可以有效地消除由UPS反饋到輸入電源中的高次電流諧波分量THDI(n)%所可能在輸入電源上所產生的高次電壓諧波分量THDV(n)%。例如：當市電供電時，出現在80KVA UPS輸入端的輸入電壓諧波分量主要集中在5次和7次等低次輸入電壓諧波分量上。然而，在釆用具有較高內阻的發電機供電時，我們不僅可以觀察到5次、7次、13次和17次等的輸入電壓諧波分量。而且，還可以觀察到由UPS的IGBT逆變器的脈寬調制所產生41次、47次和49次等的高次輸入電壓諧波分量。為此，過去為UPS業界所經常釆用的技術措施是：利用增大發電機的輸出功率和UPS的輸出功率的容量比的辦法來改善發電機的帶載特性，其實質是通過增大發電機的容量的辦法來降低發電機的內阻。

在此需要說明的一點是：造成出現在兩臺電力穩壓器的總輸入端的輸入電壓諧波分量小于在出現80KVA UPS的輸入端的輸入電壓諧波分量的原因是：有不會產生輸入電流諧波”污染”的空調機和照明負載等負載被同時并聯在UPS的輸入配電柜中的匯流母排上的綠故。

　　3) 6脈沖型80KVA”1+1”UPS并機系統的并機性能尚需進一步改善

　　眾所周知：為改善由發電機+電力穩壓器+”1+1”UPS并機系統所組成的UPS供電系統的可靠性的技術途徑之一是設法提高UPS并機系統對輸入電源的適應性，可供選擇的技術措施有：

　　釆用6脈沖+5次諧波濾波器型UPS、12脈沖整流器型UPS或12脈沖+11次諧波濾波器型UPS等辦法來降低它的輸入電流諧波分量。然而，由種種原因所限，對于目前的用戶來說，只能繼續使用原有的6脈沖型80KVA”1+1”UPS并機系統

　　提高”1+1”UPS并機系統的并機性能：通過準確的、合理的”并機調機”操作來盡可能地降低UPS并機系統的”環流”和降低兩臺UPS的輸出電流的”均流”不平衡度,從而達到盡可能地提高它對發電機電源的適應能力。

　　在此次對由發電機+電力穩壓器+”1+1”UPS并機系統所組成的UPS供電系統所執行的”系統匹配性”的調控操作中，唯一沒有得到明顯技術改善的部件是：釆用釆用”熱同步并機”調控技術的UPS冗余并機系統的并機輸出特性較差。有關的并機調控操作的實踐表明：由于種種原因所限，對于這套80KVA”1+1”UPS并機系統而言，它的并機工作特性、至今仍然處于不能令人滿意的工作狀態之中，其主要表現為

　　從UPS的LCD顯示屏上所讀取的電流、KVA和KW等UPS的實時運行參數值較大地偏離它的現場實測值,需要重新較正。否則，易于導致相關的操作人員產生”誤解”(注：此類現象，在其它安裝現場、也曾出現過)。

　　從上表可見：從這種UPS的LCD顯示屏上所獲得的電流的讀數與實測值之間的誤差偏大。

　　“1+1”UPS并機系統的并機輸出特性較差

　　根據經過MG24型鉗型電流表校正后所獲得的80KVA”1+1”UPS并機系統的輸入和輸出參數,可以得到這套UPS并機系統的如下并機工作特性：

　　(a) 在兩臺UPS的輸入功率和輸出功率之間存在有明顯的供配電的不平衡度;

　　兩臺UPS的A相輸出電流之間的”均流”不平衡度：±20.7%;

　　兩臺UPS的B相輸出電流之間的”均流”不平衡度：±27.5%;

　　兩臺UPS的C相輸出電流之間的”均流”不平衡度：±31.4%;

　　(b) 存在于兩臺UPS之間的”環流”偏大(注：”環流”不是從毎臺UPS輸入用戶負載中的電流，它是在兩臺UPS之間相互流動的電流)

　　兩臺UPS的A相輸出電流之間的”環流”：7.6A

　　兩臺UPS的B相輸出電流之間的”環流”：13A;

　　兩臺UPS的C相輸出電流之間的”環流”：5.2A;

　　由” 環流”所造成的”額外功耗”約占UPS并機系統的總輸出功率的18%左右。

　　所有這一切，都說明這套UPS并機系統的并機性能較差。按照目前UPS業界的慣例，UPS并機系統的”均流”不平衡度應小于±5%,環流”小于3-4A的水平。上述檢測數據表明：其并機性能明顯地低于UPS業界的并機性能。

　　結論

　　為提高由150KVA發電機+兩臺100KVA電力穩壓器+80KVA“1+1”UPS并機系統所組成的UPS供電系統的運行的可靠性和穩定性，常用的技術措施有：

　　（a） 降低UPS的輸入電流諧波分量：

對于中、大型UPS而言，可選用6脈沖整流+5次諧波濾波器型UPS、12脈沖整流器型UPS、12脈沖整流+11次諧波濾波器型UPS和6脈沖整流+有源濾波器型UPS。對于中、小型UPS而言，可選用IGBT脈寬調制整流器型UPS。

　　（b） 增大發電機的輸出功率同UPS輸出功率之間的容量比。

　　（c） 相關的檢測數據表明：對于同一套UPS供電系統言，不管它是工作在市電供電條件下、還是工作在發電機供電的條件下，它不僅具有幾乎相同的CosΦ,輸入功率因數PF, 輸入諧波電流絕對值。而且，還具有非常近似的輸入電流諧波的頻譜分佈曲線。發電機電源的高內阻是造成UPS供電系統的輸入電壓失真度增大的主要原因，它極易導致電力穩壓器及發電機中的自動穩壓線路發生”誤動作”/”誤調操作”， 從而迫使用戶釆用增大發電機輸出功率的技術措施來降低它的內阻，導致投資和營維成本的增加。

　　（d） 為盡可能地降低備用發電機的輸出功率同UPS供電系統的輸出功率的容量比，可供選擇的技術措施有：

　　通過適當地”錯開”兩臺電力穩壓器的”開機啟動浪涌電流”的出現時刻點之間的遲時值及適當地調低電力穩壓器的穩壓精度，就能用150KVA發電機來正常地驅動由兩臺100KVA電力穩壓器+80KVA“1+1”UPS并機系統所組成的UPS供電系統,從而達到避免釆用”過份地”增大發電機容量技術措施的目的(例如：釆用>250KVA以上 的發電機組)。

　　對于配置有“發電機運行控制信號”的UPS來說，可供用戶選用技術手段是：將來自發電機的主輸出開關上的“發電機工作”輔助觸點信號饋送到UPS的指定干接點通信接口上。此時，我們就可利用這組輸入信號來限制UPS輸入電流及電池充電電流，并禁止逆變器與旁路電源同步，達到同時確保發電機和UPS穩定工作的目。這個特性常用于市電停電后，由容量較小的發電機向UPS供電的用戶。

　　在電力穩壓器和備用發電機的自動穩壓調控線路的電壓采樣輸入信號線路的前端、增配小功率的5次諧波/11次諧波濾波器。