柴油發(fā)電機組與UPS的匹配

介紹

版本編號：VO.08010-10概述1、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)交換中心、金融結(jié)算中心、重要系統(tǒng)調(diào)度中心等關(guān)鍵部門的設(shè)備都需要不間斷的電源供電，都需要配套UPS。2、通常供電模式采用：一路市電供電+柴油發(fā)電機組備用+UPS。3、重要供電模式采用：兩路市電供電+柴油發(fā)電機組備用+UPS。上海科泰電源股份中國移動通信發(fā)電機組和UPS之間的配合問題主要是由于整流器產(chǎn)生的電流諧波對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響：1、對發(fā)電機組的電壓調(diào)節(jié)器的影響2、對UPS的同步電路的影響上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ虐l(fā)電機組和UPS不匹配易出現(xiàn)的現(xiàn)象1.發(fā)電機組的輸出電壓突然增高到440V以上，造成UPS損壞。2.發(fā)電機組輸出頻率到50～60Hz，致使UPS保護動作。3.發(fā)電機組出現(xiàn)嚴重的機械共振現(xiàn)象，柴油機出現(xiàn)有節(jié)奏的搖擺和聲音起伏，嚴重會損壞發(fā)電機的勵磁回路和AVR4.UPS檢測到過電壓或過頻率而自動關(guān)斷整流器，由后備電池組逆變向負載供電，反復(fù)出現(xiàn)油機+蓄電池逆變切換供電。上述現(xiàn)象的原因都有哪些呢？下面介紹一下負載性質(zhì)！上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ咆撦d的特性1、負載的分類〔根據(jù)負載的特性〕：1〕線性負載

2〕非線性負載。上海科泰電源股份中國移動通信1、線性負載：1〕電壓和電流之間是線性關(guān)系的負載，如果發(fā)電機的電壓是正弦波，通過負載的電流也是正弦波，如下圖。2〕常見的線性負載有加熱器、白熾照明燈、變壓器、直接啟動或傳統(tǒng)降壓啟動方式的電動機等。3〕線性負載根據(jù)電壓和電流的相位關(guān)系又分為電阻性〔如電阻、電爐、白幟燈等〕、電感性〔如感應(yīng)電動機、變壓器等〕、電容性〔如電容器等〕負載。線性負載的特性電流Current電壓Voltage上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ?、非線性負載：1〕電壓和電流之間是非線性關(guān)系的負載，存在基波〔50或60Hz〕和諧波(3次、5次,、7次、11次等奇次諧波)存在不同的幅值和相位畸變波形。如后附圖。2〕在負載投入、運行過程中，電壓、電流的關(guān)系是經(jīng)常變化的，其波形也不是我們常說的正弦交流波，而是含有不光滑的畸變成分，根據(jù)數(shù)學(xué)的方法可分解為基波和一系列的高次諧波，主要是3次、5次、7次、11次等奇次諧波線性負載的特性上海科泰電源股份中國移動通信圖一線性負載的特性三次諧波3rdharmonic電壓正常電壓電流電壓波形畸變發(fā)電機采取相應(yīng)措施后的上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ啪€性負載的特性電流電壓正常的電壓5和7次諧波變速器、變頻器、不間斷電源圖二畸變的電壓波形會對其它負載產(chǎn)生干擾，并使發(fā)電機溫升升高發(fā)電機采取相應(yīng)措施后的接近于正常波形上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ烹娏髦C波的構(gòu)成4、6、12脈沖非線性負載產(chǎn)生的諧波類型及電流諧波圖表中可以看到：1、四脈沖系統(tǒng)產(chǎn)生諧波有：3、5、7、9、11、13、15、17、19次2、六脈沖系統(tǒng)產(chǎn)生諧波有：5、7、11、13、17、19次。3、十二脈沖系統(tǒng)產(chǎn)生諧波有：11、13次**諧波電流比例%(p.u)：1/3rd,1/5th,1/7th,1/9th**總諧波畸變=諧波電流方根總數(shù)**對應(yīng)的總的畸變諧波THD分別為：

45%---30%---14%**十二脈沖的UPS諧波危害最小上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ烹娏髦C波的構(gòu)成4、6、12脈沖非線性負載產(chǎn)生的諧波類型及電流諧波N=kp±1

n=諧波秩序。

k=整數(shù)1、2、3、等等。

p=脈沖數(shù)。上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ?脈沖UPS電流諧波的構(gòu)成6脈沖非線性負載單個的電流諧波構(gòu)成諧波(第n個)頻率In%5^250207^3501411^550913^650817^850619^950523^1150425^12504上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ胖C波的類型及分析諧波與電壓畸變是關(guān)聯(lián)，下面了解一下電流諧波振幅的個體值1、總諧波畸變：THD%=100?SQRT(ΣUn2/U2)---Un指第n個電壓諧波的均方根振幅；---U指第一個電壓諧波的均方根振幅。2、對于3相發(fā)電機，如果沒有分配零線，需要考慮3次諧波的倍數(shù)〔多重3次諧波〕。于是，前面的公式變?yōu)椋?/p>

THD%=100?SQRT((U52+U72+U112+…Un2)/U2)上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ?脈沖UPS電流諧波含量1、通過方程式X〞d%=(100?THD%)/SQRT((5?I5%)2+(7?I7%)2+……+(n?In%)2)可以計算出的X“d(直軸次瞬變電抗)值。2、X“d值用來適應(yīng)THD電壓畸變要求(數(shù)據(jù)可在發(fā)電機數(shù)據(jù)表中查到〕。3、當(dāng)直軸次瞬變電抗值計算出來后，可知道負載的電流諧波含量。上海科泰電源股份中國移動通信諧波與發(fā)電機參數(shù)的關(guān)系諧波產(chǎn)生的壓降取決于“直軸次瞬變電抗(X"d)1、直軸次瞬變電抗(X“d)是發(fā)電機的一個重要參數(shù)2、Un=X〞d?n?InUn%=(X〞d%/100)?n?In%3、如果知道電流諧波的相對振幅，那么可很容易計算電壓諧波的組分/組件。這些變流器中的振幅是變換結(jié)構(gòu)/組合的一種功能。4、如果THD是規(guī)定好的，可以從給出的電流諧波的內(nèi)容/含量計算出需要的X“d。****典型設(shè)備的可接受的水平電壓畸變數(shù)據(jù)：UPSSystems10%InverterDrives15%Softstarters20%Rectifiers20%上海科泰電源股份中國移動通信諧波與發(fā)電機參數(shù)的關(guān)系直軸次瞬變電抗(X“d)是發(fā)電機的一個重要參數(shù)，不同的電壓等級其值是不同的。下表為斯坦福UCI274F發(fā)電機的數(shù)據(jù):上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ虐l(fā)電機組與UPS的匹配選擇由于發(fā)電機組和UPS兩者間的配合存在上述問題，解決上述問題的需要從兩個方面進行：1、正確選擇發(fā)電機的機組功率和勵磁工作方式，不同的勵磁方式和適當(dāng)匹配功率等有助于問題的最小化；2、選擇更能適合發(fā)電機組特性的UPS。上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ臮PS非線性負載的特性1、UPS的主要部件之一是整流濾波器件，屬于非線性負載。2、UPS作為機組的負載，即要為終端設(shè)備供電，也要為電池進行充電。3、非線性負載會對柴油發(fā)電機組反射大量的高次諧波，其中以5次和7次諧波危害最嚴重，**非線性負載較大而發(fā)電機組容量又較小時這種危害更明顯上海科泰電源股份中國移動通信移動通訊機房負載的特點移動局房的負荷中常見非線性負載的類型：〔1〕軟起動器〔可控硅電動機啟動器〕；〔2〕高頻開關(guān)電源、交流不間斷電源〔UPS〕；〔3〕變頻控制的電動機、電梯、泵等制造過程控制〔4〕電子數(shù)據(jù)圖象設(shè)備、無線電發(fā)射設(shè)備，可控?zé)艄庠O(shè)備；〔5〕電信通信設(shè)備；〔6〕熒光燈等上海科泰電源股份中國移動通信UPS采用的整流技術(shù)說明UPS采用過的整流技術(shù)有：⑴采用6脈沖整流技術(shù)的UPS

⑵采用12脈沖整流技術(shù)的UPS

⑶采用單相整流技術(shù)的UPS

⑷采用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)的UPS上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ欧蔷€性-諧波對發(fā)電機的危害1、非線性負載產(chǎn)生的諧波電流會導(dǎo)致的發(fā)電機繞組溫升。2、對發(fā)電機組的電壓調(diào)節(jié)器的影響。上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ欧蔷€性-諧波對ups的危害1、UPS不能旁路。UPS〔在線式、后備式〕在旁路電源頻率、電壓正常時，UPS的逆變電源與旁路電源鎖相、同步。當(dāng)旁路電源頻率變化超出設(shè)定極限時，靜態(tài)旁路開關(guān)將禁止切換到旁路〔此時切換可能造成逆變器過流、短路〕。在這種旁路電源頻率無法跟蹤的情況下，UPS只會發(fā)出“旁路不可用〞告警，提醒用戶防止超載造成斷電，逆變器仍繼續(xù)提供電源給負載。2、電池壽命縮短。頻率漂移會導(dǎo)致SCR〔可控硅〕整流器的驅(qū)動信號與輸入交流電不同步，造成整流器關(guān)閉，此間UPS轉(zhuǎn)為電池供電。如此反復(fù)會造成電池過分放電循環(huán)，大大縮短電池壽命，嚴重者會將電池電量全部放光，輸出中斷。上海科泰電源股份中國移動通信發(fā)電機組的選擇-11、機組的輸出功率選擇。柴油發(fā)電機組在60％以上額定負載的情況下工作對柴油發(fā)電機較為有利。2、在考慮發(fā)電機總負荷中的UPS負載局部，需考慮的主要因素有：UPS功率，電池充電功率，UPS整機效率，UPS的輸入整流方式，UPS整流器引起的輸入電流失真等，都需適當(dāng)增加發(fā)電機的功率；3、UPS的整流器對于頻率漂移更為敏感，這也需增大發(fā)電機功率。一般選擇發(fā)電機功率和UPS功率都有一定的系數(shù)上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ虐l(fā)電機組的選擇-21、柴油發(fā)電機組工作方式的選擇。對于非線性負載，兩沖程柴油發(fā)電機組帶載能力優(yōu)于四沖程柴油發(fā)電機組。上海科泰電源股份中國移動通信發(fā)電機組的選擇-41、同步發(fā)電機永磁勵磁結(jié)構(gòu)的說明上海科泰電源股份中國移動通信UPS的選擇-11、UPS輸入整流方式的選擇。非線性負載會向發(fā)電機組反射大量的高次諧波，尤以5次、7次、11次諧波對發(fā)電機的危害性嚴重。2、不同非線性負載對柴油發(fā)電機組輸出電壓失真度〔THD〕都有不同的影響程度。3、以200kVA機組為例上海科泰電源股份中國移動通信UPS的選擇-11、不同整流器對發(fā)電機的影響〔以200kVA機組為例〕發(fā)電機組允許的電壓畸變度柴油發(fā)電機組允許帶負荷的百分比（允許+N%）12脈沖整流UPS6脈沖整流UPS單相整流UPS5%78%42%22%10%100%69%36%15%100%96%52%上海科泰電源股份中國移動通信UPS的選擇-21、UPS具有以下兩方面的功能可更好地適應(yīng)與發(fā)電機組的匹配：1)旁路鎖相頻率范圍和逆變器同步速率現(xiàn)場可調(diào)功能；有此功能的UPS系統(tǒng)可以根據(jù)用電設(shè)備類型進行相應(yīng)調(diào)整，提高系統(tǒng)運行可靠性。2)高速寬頻的整流器控制電路。UPS的整流器有一個高速寬頻的控制電路，以調(diào)整整流器的工作狀態(tài)以適應(yīng)輸入電源的頻率漂移。上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ臮PS的選擇1、UPS輸入諧波的治理1〕接受并允許諧波的存在。通過對柴油發(fā)電機增容來減小諧波的影響。實際應(yīng)用中，假設(shè)UPS負載對柴油發(fā)電機組的其他負載來說相對小很多，也就是說UPS功率比發(fā)電機組的功率小很多，在功率比為1:〔1.2～5〕時，UPS系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波可不采用濾波措施。2〕消除諧波。使用濾波器或有源諧波調(diào)節(jié)器來局部或全部地消除諧波。

***需要考慮的問題***

上海科泰電源股份中國移動通信消除諧波需要考慮的問題2、消除諧波需要考慮的問題1〕設(shè)計用輸入濾波器，在減少電流諧涉及提高滿載情況下的功率因數(shù)方面有了較好的效果。2〕但是在空載或很小負載情況下卻衍生出一個電容性超前的極低的功率因數(shù)，特別是那些為了滿足5％最大電流失真度的濾波器。3〕一般情況下，當(dāng)負載低于25％時大多數(shù)UPS系統(tǒng)的輸入濾波器會導(dǎo)致明顯的功率因數(shù)降低。盡管如此，輸入功率因數(shù)卻很少會低于30％，有些新的系統(tǒng)甚至已到達空載功率因數(shù)低于2％，接近于理想的容性負載。4〕上述情況不影響UPS輸出和關(guān)鍵負載，市電變壓器和輸配電系統(tǒng)也不受影響。但發(fā)電機就不同了，發(fā)電機帶大容性負載時工作會不正常，當(dāng)接入較低功率因數(shù)負載，典型的低于15％～20％容性時，由于系統(tǒng)失調(diào)，可能導(dǎo)致發(fā)電機停機。上海科泰電源股份中國移動通信選擇濾波器時需要考慮的參數(shù)

1、失真度〔THDI和THDU〕的減小，2、提高輸入功率因素，3、與發(fā)電機的兼容，4、適合于并聯(lián)UPS配置，上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ殴β室蛩貑栴}要素0.70.60.50.40.30.20.100.70.60.50.40.30.20.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0標么值

kW0.951.000.950.90.90.80.8功率因素0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0輸出(滯后-感性)輸入(超前-容性)標么值kVAR0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0標么值

kW定子損害轉(zhuǎn)子損害極距滑動不穩(wěn)定平安運行區(qū)域發(fā)動機過載同步電抗Xd=3.0,(300%)上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ殴β室蛩貑栴}要素1、發(fā)動機功率線2、發(fā)電機功率線3、功率因素曲線4、運行標定曲線上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ鸥鞣N濾波方案的比較上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ?2脈沖采用有源濾波器的特點

1、采用有源12脈沖技術(shù)的有源濾波器采用復(fù)合的、有源雙橋組合而成，由6只可控硅組成的整流橋用來給逆變器供電，由6只IGBT組成的橋路來實現(xiàn)電流正弦波并減少諧波。2、其優(yōu)點是能大幅度減小諧波〔可完全消除25次以下的諧波〕、性能穩(wěn)定，可靠性高，提高了UPS的輸入功率因素〔大于0.9〕，能最有效地使用發(fā)電機組，與發(fā)電機組完全兼容。但缺乏之處是本錢較高。上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ虐l(fā)電機和非線性負載功率匹配關(guān)系-1

整流技術(shù)功率匹配關(guān)系早期技術(shù)K值采用6脈沖整流技術(shù)Sg=k1*Su3-3.5采用12脈沖整流技術(shù)Sg=K2*Su2.5-3采用單相整流技術(shù)Sg=K3*Su4-5采用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)Sg=K4*Su2-32、注：Sg表示發(fā)電機的標稱功率〔kVA〕；Su表示負載的標稱功率〔kVA〕；K值隨著技術(shù)提高已經(jīng)大大縮??；

1、供參考的一個功率匹配關(guān)系上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ胚x型前需了解的設(shè)備參數(shù)1、由于非線性負載選型是一個比較復(fù)雜的過程，只應(yīng)用前述的方法很難準確進行選用，有時甚至無從識別負載的類型。2、所以選擇非線性負載時盡可能提供以下資料：1〕根本負載的容量2)負載投入的順序3)非線性負載采用何種脈沖整流技術(shù)4)UPS的后備電池充電電流為多大，用于計算充電容量5)設(shè)備所允許的電壓畸變量是多少上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ虐l(fā)電機和非線性負載匹配經(jīng)濟性

1、從前面介紹的匹配數(shù)值來看，柴油發(fā)電機組的容量會比UPS大許多〔最多2倍以上〕，如按此選型，會造成用戶投資浪費，且發(fā)電機組長期在輕載條件下工作還會對柴油發(fā)動機帶來不利。2、實踐證明可以采用“小馬拉大車〞的方式來替用戶節(jié)省投資，從前面的參考選擇容量上可以看出“發(fā)電機容量〞并非整臺發(fā)電機組的容量。3、發(fā)電機組的輸出有功功率大小取決于柴油發(fā)動機的出力，而視在功率那么主要取決于發(fā)電機的容量，發(fā)電機組在帶UPS負載時，只要加大發(fā)電機的容量，其瞬態(tài)特性就會大大的增強，而整臺機組的輸出有功功率其實并未增加，4、因而可采用這種所謂“小馬拉大車〞的方式來解決，即柴油機的功率按照所有負載有功功率之和略大來選擇，發(fā)電機功率那么按照上面所說的方法來配置。上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ虐l(fā)電機和ups匹配經(jīng)濟案例

1、曾用一臺32kW的柴油機配一臺60kVA的發(fā)電機來帶動一臺6脈沖整流技術(shù)的15kVAUPS，2、其測試的各項參數(shù)均滿足技術(shù)條件要求。上?？铺╇娫垂煞葜袊苿油ㄐ虐l(fā)電機和ups匹配案例

1、一臺175KVAUPS由一臺電壓415V,3P,50Hz的發(fā)電機供電，UPS采用6脈沖，30%電流畸變，計算一下由下述發(fā)電機帶載時電壓畸變率。2、850KVA發(fā)電機次級瞬態(tài)電抗0.10pu在根本功率800kva400V。***計算如下：UPS運行效率按95%計算，考慮充電因素，匹配系數(shù)按1.25考慮.輸入功率kVA=(175kVA/0.95)x1.25=230kVA.X〞d〔800kVA〕=0.10p.u.(10