UPS 系统与发电机组的兼容性文档格式.docx
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不间断电源系统的制造商和用户很早就已经注意到发电机组和UPS之间的配合问题，特别是由整流器产生的电流谐波。
电流谐波对供电系统产生的不良影响是非常明显的：
包括发电机组的电压调节器，UPS的同步电路。
因此，UPS系统工程师们设计了输入滤波器并把其应用到UPS中，成功地在UPS应用中控制了电流谐波。
这些滤波器对UPS与发电机组的兼容性起到了关键作用。
Virtuallyallinputfiltersusecapacitorsandinductorsconfiguredtotrapthemostdestructivecurrentharmonicsatthemoduleinputterminals.Theconfigurationsarenarrowlyprescribedbythedesignofmodulepowerelementsandthedesiredmaximumpercentageoftotalharmonicdistortioninfullloadmodulecurrent.Anaddedbenefitofmostfilterdesignsistheinputpowerfactorimprovementtheyproduceinloadedmodules.Oneoftheconsequencesofinputfilterapplication,however,isthesmallbutsignificantreductioninoverallmodulepowerefficiency.Mostinputfiltersconsumebetween?
and1%oftherealpowerpassedthroughthemodule.Inputfilterdesignhasalwaysbeenabalancingactbetweendesiredandundesiredcharacteristics.
事实上所有的输入滤波器都使用电容器和电感用以吸收UPS输入端的最具破坏性的电流谐波。
该设计考虑到了UPS电路固有的和在满载情况下的最大可能的全部谐波畸变的百分比。
大多数滤波器的另一个益处是提高带载UPS的输入功率因数。
然而输入滤波器的应用带来的另一个后果是使UPS整体效率的降低。
绝大多数滤波器消耗1%左右的UPS功率。
输入滤波器的设计一直在有利和不利的因素之间寻求平衡。
UPSengineers,inanefforttoimproveUPSsystempowerefficiency,haverecentlymadesomeadvancementsininputfilterpowerconsumption.Filterefficiencyimprovement,toagreatextent,wasmadeinconjunctionwiththeintroductionofIsolatedGateBipolarTransistor（IGBT）technologyintothemoduledesign.ThehigherefficiencyoftheIGBTinvertersledtoamodule-wideredesigninsearchforhigherefficienciesoverall.Itwasfoundthatinputfilterscanbetunedtocertaincurrentharmonicsanddrawverylittlerealpower.Generally,theratioofinductiveelementstocapacitiveelementsinfilterswentdown,modulefootprintbecamesmallerandefficiencywentup.ThingsseemedtobodewellintheUPSindustryuntilanoldproblemresurfacedwithanewtwist?
generatorcompatibility.
为了尽可能提高UPS系统的效率，UPS工程师近期在输入滤波器的功耗方面做了改进。
滤波器效率的提高，从很大程度上讲是将IGBT技术应用到UPS设计中的结果。
为了寻求系统全面的高效率，IGBT逆变器的高效率导致了对UPS的重新设计。
输入滤波器可以吸收某些电流谐波，同时吸收很小一部分有功功率。
总之，滤波器中感性因素对容性因素的比率降低了，UPS的体积变小了，效率提高了。
在UPS领域的事情好象得以解决了，而老问题却又被新问题--与发电机的兼容性所替代。
AMatterofPowerFactor
MuchattentionhasbeenplacedontheoperationofUPSsystemsatornearfullload.Mostengineersspecifytheoperatingcharacteristicsofamoduleatfullload,especiallyinputfiltercharacteristics;
fewareinterestedinfilterperformanceatornearnoload.Afterall,currentharmonicshavenegligibleimpactwhentheUPSandupstreamelectricalsystemareworkinglightlyloaded.However,theno-loadoperatingparametersofaUPSsystem,specificallytheinputpowerfactor,havebecomecriticaltoUPS/E-Gcompatibility.
功率因数的问题
通常人们大多把注意力放在UPS满载或接近满载情况下的工作状态。
绝大多数工程师都表述了满载情况下的UPS工作特性，特别是输入滤波器的特性，很少有人对滤波器在空载或接近空载时的状况感兴趣。
毕竟UPS及其电气系统在轻载状态下电流谐波影响很小。
然而，UPS空载时的工作参数，特别是输入功率因数，对于UPS与发电机的兼容性是相当重要的。
Thenewerinputfilterdesigns,whiledoingagoodjobreducingcurrentharmonicsandimprovingfull-loadpowerfactor,wereseentoexhibitanextremelylowcapacitiveleadingpowerfactoratno-loadandverysmallloads.Thiswasespeciallytrueoffiltersbuilttothecommonlyspecified5%maximumcurrentTHDrequirement.Historically,mostUPSsysteminputfiltersseeapronounceddecreaseinpowerfactorwhenloadsdipbelow25%.Rarely,though,didinputpowerfactorsfallbelow30%.However,somenewsystemsnowshowno-loadpowerfactorslessthan2%?
nearlyperfectcapacitiveloads.
最新设计的输入滤波器，在减少电流谐波及提高满载情况下的功率因数方面有了较好的效果。
但是空载或很小负载情况下却衍生出一个电容性超前的极低的功率因数。
特别是那些为了满足5%最大电流失真度的滤波器。
一般情况下，当负载低于25%时大多数UPS系统的输入滤波器会导致明显的功率因数的降低，尽管如此，输入功率因数很少会低于30%。
然而，有些新的系统已达到空载功率因数小于2%。
接近于理想的容性负载。
ThisconditionhasnoeffectontheUPSsystemoutputandcriticalloads.Utilitytransformersandelectricaldistributionsystemsalsoseemtobeunaffected.Thatisnotthecasewithengine-generators.Asanyexperiencedengine-generatortechnicianknows,E-Gsdonotworkwellwithhighlycapacitiveloads.Whenfeedingverylowpowerfactorloads,typicallybelow15or20%capacitive,generatorsmayexperienceshutdowndueto"
overvoltage"
or"
lossofexcitation."
Suchashutdowncomingjustafterautilityoutage（whentheemergencygeneratorsystemisattemptingtopickuptheUPSsystemload）willproduceacatastrophicevent.Theshutdownputsthecriticalloadinjeopardyfortworeasons.First,amanualrestartoftheE-Gsisrequired,anditmustbeperformedbeforebatteryruntimeisexpired.Second,asystem-wideovervoltagecausedbytheE-Gsmayoccurjustbeforeshutdown,anditcandamagetelephoneequipment,firealarmsystems,monitoringnetworksandevenUPSmodules.
这种情况不影响UPS输出和关键负载，市电变压器和输配电系统也不受影响。
但发电机就不同了，有经验的发电机工程师知道：
发电机带大容性负载时工作会不正常。
当接入较低功率因数负载，典型的低于15-20%容性，由于后力不能系统失调，导致发电机可能停机。
在市电停电后出现这种停机（应急发电机系统带动UPS系统负载）将造成灾难性事故。
由于下述两种原因停机给关键负载带来危险：
第一，发电机需要手动重起，并且必须在UPS电池放电结束前；
第二，在停机前发电机可能引起系统的“过压”，它可能损坏电话设备，火警系统，监控网络，甚至UPS模块。
Makingmattersworse,itisoftendifficulttoassign,afterthefact,theresponsibilityforidentifyingandcorrectingthisproblem.TheUPSmanufacturermaysaytheUPSsystemtestedperfectly,andbesides,hecanpointtoseveralsiteswherethesameequipmentcausesnosuchproblems.TheE-Gmanufacturermaysaythattheproblemisload-relatedandthatthereisnothingthatcanbedonewithintheE-Gequipmenttosolvetheproblem.Theengineer,meanwhile,maystatethathisspecscallforbothmanufacturerstobecompatiblewitheachother.Tounderstandwhysuchaneventispossibleandhowtoavoidit（orhowtofindasolutionshoulditappearatamission-criticalfacility）,itisnecessarytounderstandhowengine-generatorsoperateinrelationshiptotheirloads.
更糟糕的是,在事故发生后,很难区分责任,找出问题所在并予以纠正。
UPS厂商说UPS系统测试完好，并指出其它地方相同的设备没有发生类似问题。
发电机厂商说是负载的问题，无法调整发电机来解决问题。
同时，用户工程师则说明他的规格要求，希望两个厂商相互兼容。
要了解为何会发生事故及如何避免（或如何在关键应用中找出解决方案），首先需要了解发电机与负载的工作关系。
TheLeadingQuestion
主要问题
Generatorsrelyonvoltageregulatorstocontroltheiroutputterminalvoltage.Thevoltageregulatorsensestheoutputvoltageonallphases,averagesthemandcomparesthevaluewiththedesiredvoltagelevel.TheregulatorthentakespowerfromanauxiliarypowersourcewithintheE-G,usuallyasmallauxiliarypowergeneratoronthesameshaftasthemaingenerator,anddeliversDCpowertothegeneratorrotor抯magneticfieldexciterwindings.Thefieldwindingcurrentisraisedorlowered,controllingthemagnitudeoftherotatingmagneticfield（referredtoastheelectro-motiveforceorEMF）inthegenerator抯statorwindings.Themagneticfluxlevelsinthestatorwindingsdeterminethegenerator抯terminalvoltage.
发电机依靠电压调节器控制输出电压。
电压调节器检测三相输出电压，以其平均值与要求的电压值相比较。
调节器从发电机内部的辅助电源取得能量，通常是与主发电机同轴的小发电机，传送DC电源给发电机转子的磁场激励线圈。
线圈电流上升或下降，控制发电机定子线圈的旋转磁场（或称为电动势EMF）的大小。
定子线圈的磁通量决定发电机的输出电压。
Figure1showsagreatlysimplifiedschematicdrawingofageneratorconnectedtoapurelyinductiveload.Thephasordiagramrepresentsthevoltagesandcurrentsintheschematicasvectorsthatrotatecounterclockwiseat60cyclespersecondor60Hz.
图1所示为发电机带纯感性负载的简化示意图。
矢量图表示电压和电流矢量以每秒60周逆时针旋转（60HZ）。
Figure1.Simplifiedschematicdiagram,generatorwithinductiveload.
Thegeneratorstatorwindinginternalimpedance,designatedZ,consistsofinductiveandresistiveelements.Thegenerator抯EMFascontrolledbythefieldexcitationwindingsontherotorisrepresentedbyanalternatingvoltagesource,designatedE.Sincetheloadinthisexampleispurelyinductive,thecurrent,I,inthephasorvectordiagramis"
lagging"
thevoltage,V,byexactly90electricaldegreesofrotation.Iftheloadwaspurelyresistive,thetwovectors,IandV,wouldbeexactlylinedup,or"
inphase."
Mostloadsareactuallysomewherebetweenpurelyresistiveandpurelyinductive.ThevoltagedropcausedbythecurrentflowthroughthestatorwindingsisrepresentedasvoltagevectorIxZ.Thisvoltageisactuallyavectorsumoftwosmallervoltagevectors?
aresistivevoltagedropinphasewithIandaninductivevoltagedrop90degrees"
ahead"
ofI.Inthisexample,IhappenstobeinphasewithV.SincetheEMFgeneratedmustequalthevoltagedropsintheinternalgeneratorimpedanceandexternalload,vectorEequalsthevectorsumofVandIxZ.ThevoltageViseffectivelycontrolledbyvaryingEusingthevoltageregulator.
发电机定子线圈的内阻，以Z表示，包括感性和阻性部分。
由转子励磁线圈控制的发电机电动势用交流电压源E表示。
因为假设负载是纯感性的，在相量图中电流I滞后电压V正好90度电相位角。
如果负载是纯阻性的，V和I的矢量将重合，或同相。
实际上多数负载介于纯阻性和纯感性之间。
电流通过定子线圈引起的电压降用电压矢量IxZ表示。
它实际上是两个较小的电压矢量之和，与I同相的电阻压降和超前90度的电感压降。
在本例中，它恰好与V同相。
因为电动势必须等于发电机内阻的电压降和输出电压之和，即矢量E等于V和IxZ的矢量和。
电压调节器改变E可以有效地控制电压V。
Figure2.Simplifiedschematicdiagram,generatorwithcapacitiveload.
Nowconsiderhowtheinternalconditionsinthegeneratorchangewhenapurelycapacitiveloadissubstitutedfortheinductiveloadinourexample.TheschematicdiagramandphasordiagramforthiscaseareshowninFigure2.Inthiscasethecurrenthasvirtuallyreverseditselffromthepreviousinductiveloadcase.Current,I,isnowleadingthevoltagevect
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