“1+1”UPS并机系统供电系统研究

“1+1”UPS并机系统供电系统设计方案

相关的检测数据表明：对于同一套UPS供电系统而言，不管它是工作在市电供电条件下、还是工作在发电机供电的条件下，它不仅具有几乎相同的CosΦ,输入功率因数PF, 输入谐波电流绝对值。而且，还具有非常近似的输入电流谐波的频谱分佈曲线。发电机电源的高内阻是造成UPS供电系统的输入电压失真度增大的主要原因, 它极易导致电力稳压器及发电机的自动调压系统发生”误动作”/”误调操作”。

为此，过去为UPS业界所经常釆用的技术措施是：利用增大发电机的输出功率同UPS的输出功率的容量比的办法來改善发电机的带载特性(其实质是通过增大发电机的容量的办法來降低发电机的内阻),从而导致投资成本增大。

　　通过适当地”错开”两台电力稳压器的”开机启动浪涌电流”的发生时间及适当地调低电力稳压器的稳压精度，就能用1台150KVA发电机來驱动由两台100KVA电力稳压器+80KVA“1+1”UPS并机系统所组成的UPS供电系统, 从而达到节约投资和运行成本的目的。

　　1、利用发电机电源來驱动80KVA”1+1”UPS并机系统时、所釆用的技术改进措施

　　在民航的空管系统用的UPS供电系统中、为使得UPS并机系统能适应输入电网的电压波动范围大的应用条件，需要在备用发电机与UPS供电系统之间增配电力稳压器（见图1）。对于这样的UPS供电系统而言，处于”串联工作状态”中的电力稳压器不会对它的输入谐波特性产生任何实质性的影响。根据过去所获得的相关的现场测试数据、可以发现：电力稳压器与UPS的输入电压和输入电流不仅具有非常相似的工作波形和基本相同的输入谐波特性参数(例如：CosΦ、功率因数PF、输入电流峰值比KF电流、输入电压的峰值比CF电压、输入电流谐波分量THDI和输入电压谐波分量THDV等参数)。而且，它们的输入电流谐波分量的频谱分佈曲线也具有非常相似的变化规律。根据前期的在市供电条件下对由110KVA发电机+两台100KV电力稳压器+两台6脉冲型80KVA”1+1”UPS冗余并机系统所获得的测试结果，可以推断出：能对发电机的安全运行造成”最大的潜在威胁”的祸根是来自由两台100KVA的电力稳压器所产生的单极性的”开机启动”浪涌电流,而不是来自由两台80KVA 6脉冲型UPS所产生的具有”缓启动爬升”调制特性的双极性的输入电流及其输入谐波电流。相关的测试数据显示，所需的发电机的输出功率应该大于145KVA。

　　为确保由电力稳压器+”1+1”UPS并机系统所组成的供电系统、在发电机供电的条件下，也能安全和可靠地工作，需要对这套UPS供电系统执行如下的技术改进：

　　（a） 将原來的输出功率为110KVA的备用发电机组调换为150KVA的备用发电机(常行功率);

　　（b） 考虑到：因发电机电源被投入到电力稳压器的输入端上的时刻、可能出现在具有正弦波形的交流电源的”不同相位点上”，并进而导致它的”开机启动浪涌电流”的幅值会发生较大差异的工作特性(其变化规律是：当发电机电源的投入的时刻出现在正弦波的电压峰值处时、它的输入启动浪涌电流的幅值为最小值。当它的投入的时刻出现在正弦波的电压”过零奌”处时、其启动浪涌电流的幅值为最大值)。鉴于在过去的测试中、在两台电力稳压器的输入端上所曾经记录到的它们的最大”开机启动浪涌电流”是一串幅值为220A左右，持续时间较长达到0.2秒左右的单极性衰减波形。为改善发电机的运行环境,尽可能地降低由电力稳压器的”开机启动浪涌电流” 所可能带來的不利影响。建议相应的电力稳压器厂家：将两台稳压器的”开机启动时间”错开3秒左右。

　　（c） 为改善发电机的运行条件，建议相应的UPS厂家：对80KVA”1+1”UPS并机系统进行”再调整”，以便尽量地减小两台UPS之间的输入电流和输出电流的均流”不平衡度”(通常的期望值<5%)及它们之间的”环流”,从而提高UPS并机系统运行的可靠性的目的。

图1:1+1型冗余并机ＵＰＳ供电系统（6脉冲型ＵＰＳ）

2、对由发电机、电力稳压器和UPS冗余并机供电系统所组成的供电系

　　统所执行的”系统匹配性”的调控操作

　　在对如图1所示的由发电机、电力稳压器和UPS并机供电系统所组成的供电系统所执行的”系统匹配性”的调控操作时，曾先后进行过如下调整步骤、才最终使得这套UPS供电系统进入稳定、可靠的运行工作状态之下：

　　（a） 当150KVA的发电机被开机启动、并等待它进入稳定工作状态之后，在对这套UPS供电系统的输入端、执行市电供转入发电机供电的切换操作时，却出现了发电机的声音”异常”、电力稳压器的输出不稳，并频繁地调节其输出电压等不正常工作现象(注：此时发现：位于伺服调控型的电力稳压器中的碳刷进入频繁的” 不停的上、下移动”的”误调”工作状态之中)。在此条件下，位于6脉冲型的80KVA”1+1”UPS并机系统中的1台UPS的逆变器因输入电源的电压和频率的”严重不稳”而进入”自动关机”状态。

　　（b） 此时，将电力稳压器从这套UPS供电系统中脱离出來,并直接用150KVA 的发电机來直接驱动”1+1”UPS并机系统。运行结果表明：工作基本正常。

　　对于这台150KVA的发电机而言，它的标称工作电流为217A,短时的最大工作电流可达239A。发电机的总负载包括：”1+1”UPS并机系统，空调机组及照明等负载。在进行此次发电机带载调试时，实测到的发电机的总输出电流为90A左右。根据过去的工作经验：利用这台150KVA 发电机应该是能够驱动后接的6脉冲型UPS供电系统的。这是因为，此时的发电机标称输出电流与后接的负载电流的实际容量比已达2.4倍左右。因此，它暗示我们：导致这台发电机不能正常驱动这套由发电机、电力稳压器和UPS并机供电系统所组成的供电系统主要原因应该是：电力稳压器的”误动作”,而不是发电机的容量不足的问题。

　　（c） 众所周知：对发电机供电系统而言，它的最恶劣工作条件是发生在电机组刚被投入到它的后接UPS供电系统的输入端的瞬间。因为，此时、它必须要提供足够大的瞬态电流來满足由后接的电感性的电力稳压器所可能产生的开机启动瞬态浪涌电流。目前，有两种发电机型可供我们选择：无刷、自励磁式的发电机和无刷、永磁发电机励磁式的发电机。相关的运行统计资料表明：无刷、永磁发电机励磁式发电机的带瞬态浪涌电流的抗”冲击”的能力是优于无刷自激励励磁式的发电机的带瞬态浪涌电流” 冲击”能力的(有的资料称，可提高1.4倍左右)。鉴于目前现有的发电机是属于无刷、自励磁式的发电机。相对地而言，它的瞬态带载能力较弱。在此背景下，为了尽可能地发挥这种发电机的潜在驱动能力和为后接的UPS供电系统提供尽可能良好的运行环境。在调试中，釆用将它的输出电压从402V调节到396V, 工作频率从50Hz调到51Hz的技术措施。这是因为：对于特定的发电机而言，如果适当地将它的输出频率调高的话,会有利于提高它的输出功率。在釆取这种措施后、所进行的发电机带载实验证实：它的確可以使得UPS供电系统的运行状态获得了进一步的改善。然而，此时的运行状态仍不能达到令人满意的程度。主要表现为：发电机的输出电压仍然不够稳定和声音仍有”异常”。

　　（d） 根据过去的测试数据发现：对于同一套的UPS供电系统而言，不论它是处于市电供电、还是处于发电机供电的条件下运行，它可能反馈到输入电源的谐波电流是基本相同的、不会有数量级的变化。在此条件下，釆用发电机电源供电方式与釆用市电电源供电方式所可能带來的主要变化是：发电机电源的内阻明显地高于市电电源的内阻。因此，在将釆用发电机电源带载时的运行状态同釆用市电电源带载时的运行状态进行比较时、就可发现：它对输入电源所可能产生的影响是：将会导致供电电源的输入电压谐波分量THDV增大，从而致使它的输入电压波形的畸变度有所增大。

　　如图2所示，同市电供时、出现在两台UPS输入端的的电压波形相比，当改用发电机供电时，出现在它的输入电压波形上的畸变度明显地增大(此时，可在它的电压波形上、观察到频率较高的瞬态”电压跃变”现象)。众所周知：当这种畸变度增大的电压信号被送同时到发电机和电力稳压器的自动稳压调控线路中的电压釆样信号线路的输入端上时、由此所造成的恶果之一是：迫使位于伺服调控式电力稳压器中的仅具有25V/秒左右的低速跟踪运动特性的碳刷所执行的”慢速机械移动”的调控操作、始终无法同步跟踪从电子控制线路所发出的高速自动调压控制信号。这是因为碳刷所执行的是具有极大延时特性的、机械移动式的自动调压操作，从而迫使电力稳压器进入一种具有明显”滞后跟踪”特性的、“自激振荡式”的“误调”的工作状态之中（其表现为：碳刷始终处于无规则的、不停的“上、下移动”之中），从而使得它始终无法进入稳定的自动调压工作状态。为改善电力稳压器的运行条件，可釆用技术措施之一是：釆用适当地降低它的标称稳压精度的办法來达到尽可能地减少“伺服调整碳刷”执行自动调压操作的频度，从而达到让它进入慢速跟踪的自动调压状态。在这里，釆用的办法是：将电力稳压器的输出电压的稳压范围从380V±1%扩大为380V±2.6%（370伏—390伏）。至此，150KVA的发电机就能正常地驱动由两台100KVA电力稳压器+6脉冲的80KVA“1+1”并机系统所组成的整套UPS供电系统，仅在发电机刚投入的瞬间、发电机还存在短暂的声音稍有异常的现象。

　　3、经”系统匹配性”调控操作的技术改进后、所检测到的由发电机、电力稳压器和UPS并机供电系统所组成的供电系统的输入谐波特性

　　为了证实对由发电机、电力稳压器和UPS并机供电系统所组成的供电系统所执行的系统匹配性和兼容性的调控操作的合理性，对该系统进行如下输入谐波特性的检测：

　　(a) 将两台电力稳压器的”开机启动时间”错开所带來的性能改善

　　在150KVA发电机供电条件下、釆用手动切换操作的方法，从市电供电切换到发电机供电后、所测得的UPS供电系统的两次”开机启动输入电流”的典型波形图被示于3中。从该图可以清晰地、分别地观察到三种启动浪涌电流：电力稳压器1的开机启动浪涌电流、电力稳压器2的开机启动浪涌电流、UPS的缓启动输入“爬升”电流。从这样的测试结果可以得到如下结论：在釆用将两台电力稳压器的”开机启动浪涌电流”的出现时间“错开”3秒左右的技术措施之后，所带來的明显好处是：它大大地降低了在毎台电力稳压器被开机启动时所可能产生的瞬态浪涌电流的幅度，经多次开机启动测试后，发现：在此条件下，可能出现在两台电力稳压器的输入端的瞬态电流的峰值都小于100A。与此相反，在未釆用这样的技术措施之前，曾经被检测到的最大浪涌电流的峰值却高达220A左右。

　　(b) 市电供电与发电机供电条件下，UPS供电系统的输入电流谐波和输入电压谐波特性的比较

6脉冲型80KVA UPS的分别在市电供电和发电机供电条件下、进入稳态工作状态时的典型输入电流和输入电压的谐波频谱分佈曲线被示于图4和图5中。与此同时，我们还可以得到如表1所示的输入电流谐波分量THDI%r和输入电压谐波分量THDV%r的频谱分佈特性的参数值。在表2中，还分别显示出：在市电供电和发电机供电条件下的由两台100KVA电力稳压器+ 80KVA”1+1”UPS并机系统所组成的供电系统的各种典型的输入谐波参数值。

　　表1：在市电供电和发电机供电条件下的80KVA的6脉冲UPS的输入电流谐波分量THDI%r和输入电压谐波分量THDV%r的频谱分佈特性

　　表2：在市电供电和发电机供电条件下的由两台100KVA电力稳压器+ 80KVA”1+1”UPS并机系统所组成的供电系统的各种典型的输入谐波参数值(注：UPS并机系统的负载百分比为23%)

　　从表1和表2可以得出如下结论：

　　1) 对于UPS供电系统而言，无论它是运行在市电供电条件下、还是在发电机供电的条件下运行，它们都具有基本相同的输入电流谐波工作特性

　　相关的检测数据表明：对于同一套UPS供电系统言，不管它是工作在市电供电条件下、还是工作在发电机供电的条件下，它不仅具有几乎相同的CosΦ,输入功率因数PF, 输入谐波电流绝对值。而且，还具有非常近似的输入电流谐波的频谱分佈曲线。在这里，需特别说明的是：造成在发电机供电条件下的UPS供电系统的输入电流谐波分量(注：两台电力稳压器的总输入端的输入电流谐波分量和80KVA UPS的输入端的输入电流谐波分量THDI分别是24%和40.9%) 小于在市电供电条件下的输入电流谐波分量(注：两台电力稳压器的总输入端的输入电流谐波分量和80KVA UPS的输入端的输入电流谐波分量THDI分别是28.4%和44.8%)的原因是：在市电供电的条件下的输入电流(227V,53A)小于发电机供电条件下的输入电流(219V,62A)的缘故。按照6脉冲型UPS的工作原理，当它处于低压，大电流的工作条件下运行时，它的输入电流谐波分量的相对值(THDI%r)将会有不同程度的下降。

　　2) 发电机电源的高内阻是造成UPS供电系统的输入电压失真度增大的主要原因

　　相关的检测数据表明：对于同一套UPS供电系统言，当它处于发电机供电的条件下运行时，它的输入电压谐波分量明显地高于在市电供电条件下的输入电压谐波分量。我们从这套UPS供电系统上所检测到的数据是：对于出现在两台电力稳压器的总输入端的输入电压谐波分量而言，在市电供电时和在发电机供电的的THDV分别为2.8%和5.1%。对于在出现80KVA UPS的输入端的输入电压谐波分量而言，在市电供电时和在发电机供电的的THDV分别为3.1%和6.1%。从图4和5还可观察到：在驱动相同的整流滤波型非线性UPS负载时，通过降低输入电源的內阻不仅可以有效地降低UPS的输入电压谐波分量THDV。而且，还可以有效地消除由UPS反馈到输入电源中的高次电流谐波分量THDI(n)%所可能在输入电源上所产生的高次电压谐波分量THDV(n)%。例如：当市电供电时，出现在80KVA UPS输入端的输入电压谐波分量主要集中在5次和7次等低次输入电压谐波分量上。然而，在釆用具有较高内阻的发电机供电时，我们不仅可以观察到5次、7次、13次和17次等的输入电压谐波分量。而且，还可以观察到由UPS的IGBT逆变器的脉宽调制所产生41次、47次和49次等的高次输入电压谐波分量。为此，过去为UPS业界所经常釆用的技术措施是：利用增大发电机的输出功率和UPS的输出功率的容量比的办法來改善发电机的带载特性，其实质是通过增大发电机的容量的办法來降低发电机的内阻。

在此需要说明的一点是：造成出现在两台电力稳压器的总输入端的输入电压谐波分量小于在出现80KVA UPS的输入端的输入电压谐波分量的原因是：有不会产生输入电流谐波”污染”的空调机和照明负载等负载被同时并联在UPS的输入配电柜中的汇流母排上的綠故。

　　3) 6脉冲型80KVA”1+1”UPS并机系统的并机性能尚需进一步改善

　　众所周知：为改善由发电机+电力稳压器+”1+1”UPS并机系统所组成的UPS供电系统的可靠性的技术途径之一是设法提高UPS并机系统对输入电源的适应性，可供选择的技术措施有：

　　釆用6脉冲+5次谐波滤波器型UPS、12脉冲整流器型UPS或12脉冲+11次谐波滤波器型UPS等办法来降低它的输入电流谐波分量。然而，由种种原因所限，对于目前的用户來说，只能继续使用原有的6脉冲型80KVA”1+1”UPS并机系统

　　提高”1+1”UPS并机系统的并机性能：通过准确的、合理的”并机调机”操作來尽可能地降低UPS并机系统的”环流”和降低两台UPS的输出电流的”均流”不平衡度,从而达到尽可能地提高它对发电机电源的适应能力。

　　在此次对由发电机+电力稳压器+”1+1”UPS并机系统所组成的UPS供电系统所执行的”系统匹配性”的调控操作中，唯一没有得到明显技术改善的部件是：釆用釆用”热同步并机”调控技术的UPS冗余并机系统的并机输出特性较差。有关的并机调控操作的实践表明：由于种种原因所限，对于这套80KVA”1+1”UPS并机系统而言，它的并机工作特性、至今仍然处于不能令人满意的工作状态之中，其主要表现为

　　从UPS的LCD显示屏上所读取的电流、KVA和KW等UPS的实时运行参数值较大地偏离它的现场实测值,需要重新较正。否则，易于导致相关的操作人员产生”误解”(注：此类现象，在其它安装现场、也曾出现过)。

　　从上表可见：从这种UPS的LCD显示屏上所获得的电流的读数与实测值之间的误差偏大。

　　“1+1”UPS并机系统的并机输出特性较差

　　根据经过MG24型鉗型电流表校正后所获得的80KVA”1+1”UPS并机系统的输入和输出参数,可以得到这套UPS并机系统的如下并机工作特性：

　　(a) 在两台UPS的输入功率和输出功率之间存在有明显的供配电的不平衡度;

　　两台UPS的A相输出电流之间的”均流”不平衡度：±20.7%;

　　两台UPS的B相输出电流之间的”均流”不平衡度：±27.5%;

　　两台UPS的C相输出电流之间的”均流”不平衡度：±31.4%;

　　(b) 存在于两台UPS之间的”环流”偏大(注：”环流”不是从毎台UPS输入用户负载中的电流，它是在两台UPS之间相互流动的电流)

　　两台UPS的A相输出电流之间的”环流”：7.6A

　　两台UPS的B相输出电流之间的”环流”：13A;

　　两台UPS的C相输出电流之间的”环流”：5.2A;

　　由” 环流”所造成的”额外功耗”约占UPS并机系统的总输出功率的18%左右。

　　所有这一切，都说明这套UPS并机系统的并机性能较差。按照目前UPS业界的惯例，UPS并机系统的”均流”不平衡度应小于±5%,环流”小于3-4A的水平。上述检测数据表明：其并机性能明显地低于UPS业界的并机性能。

　　结论

　　为提高由150KVA发电机+两台100KVA电力稳压器+80KVA“1+1”UPS并机系统所组成的UPS供电系统的运行的可靠性和稳定性，常用的技术措施有：

　　（a） 降低UPS的输入电流谐波分量：

对于中、大型UPS而言，可选用6脉冲整流+5次谐波滤波器型UPS、12脉冲整流器型UPS、12脉冲整流+11次谐波滤波器型UPS和6脉冲整流+有源滤波器型UPS。对于中、小型UPS而言，可选用IGBT脉宽调制整流器型UPS。

　　（b） 增大发电机的输出功率同UPS输出功率之间的容量比。

　　（c） 相关的检测数据表明：对于同一套UPS供电系统言，不管它是工作在市电供电条件下、还是工作在发电机供电的条件下，它不仅具有几乎相同的CosΦ,输入功率因数PF, 输入谐波电流绝对值。而且，还具有非常近似的输入电流谐波的频谱分佈曲线。发电机电源的高内阻是造成UPS供电系统的输入电压失真度增大的主要原因，它极易导致电力稳压器及发电机中的自动稳压线路发生”误动作”/”误调操作”， 从而迫使用户釆用增大发电机输出功率的技术措施来降低它的内阻，导致投资和营维成本的增加。

　　（d） 为尽可能地降低备用发电机的输出功率同UPS供电系统的输出功率的容量比，可供选择的技术措施有：

　　通过适当地”错开”两台电力稳压器的”开机启动浪涌电流”的出现时刻点之间的迟时值及适当地调低电力稳压器的稳压精度，就能用150KVA发电机來正常地驱动由两台100KVA电力稳压器+80KVA“1+1”UPS并机系统所组成的UPS供电系统,从而达到避免釆用”过份地”增大发电机容量技术措施的目的(例如：釆用>250KVA以上 的发电机组)。

　　对于配置有“发电机运行控制信号”的UPS來说，可供用户选用技术手段是：将來自发电机的主输出开关上的“发电机工作”辅助触点信号馈送到UPS的指定干接点通信接口上。此时，我们就可利用这组输入信号來限制UPS输入电流及电池充电电流，并禁止逆变器与旁路电源同步，达到同时确保发电机和UPS稳定工作的目。这个特性常用于市电停电后，由容量较小的发电机向UPS供电的用户。

　　在电力稳压器和备用发电机的自动稳压调控线路的电压采样输入信号线路的前端、增配小功率的5次谐波/11次谐波滤波器。