中心議題：

• 發電機組和UPS之間的匹配問題
• UPS的功率因數問題
• UPS和發電機兼容典型案例

隨著互聯網的快速發展，數據中心對大功率UPS和發電機的需求迅猛增長，由此也產生了一些新問題。本文就UPS輸入端功率因數和輸入濾波器對發電機的影響
，進行理論分析和實際案例的說明
，以闡明問題產生的原因，進而找出解決的方法。

1發電機組和UPS之間的匹配問題

UPS供電係統的廠商和用戶很早就已經注意到發電機組和UPS之間的匹配問題，特別是由整流器產生的電流諧波對供電係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，技術人員設計了輸入濾波器並把其應用到UPS中，成功地在UPS應用中控製了電流諧波。這些濾波器對UPS與發電機組的兼容性起到了關鍵作用。

事實上所有的輸入濾波器都使用電容器和電感來吸收UPS輸入端具有破壞性的電流諧波。輸入濾波器的設計考慮了UPS電路固有的和在滿載情況下的最大可能的全部諧波畸變的百分比。大多數濾波器的另一個益處是提高帶載UPS的輸入功率因數。然而輸入濾波器的應用帶來的另一個後果是使UPS整體效率降低。絕大多數濾波器消耗1%左右的UPS功率。輸入濾波器的設計一直在有利和不利因素之間尋求平衡。

為了盡可能提高UPS係統的效率，近期UPS工程師在輸入濾波器的功耗方麵做了改進。濾波器效率的提高
，從很大程度上取決於將IGBT(絕緣門級晶體管)技術應用到UPS設計中。IGBT逆變器的高效率導致了對UPS的重新設計。輸入濾波器可以吸收某些電流諧波
，同時吸收很小一部分有功功率。總之，濾波器中感性因素對容性因素的比率降低了，UPS的縮小了體積
，提高了效率。而UPS與發電機的兼容性的問題又出現了。

2功率因數的問題

通常，人們把注意力放在UPS滿載或接近滿載情況下的工作狀態。大多數的工程師都了解滿載情況下的UPS工作特性
，特別是輸入濾波器的特性，然而很少有人對濾波器在空載或接近空載時的狀況感興趣。畢竟UPS及其電氣係統在輕載狀態下的電流諧波影響很小。然而，UPS空載時的工作參數，特別是輸入功率因數對於UPS與發電機的兼容性相當重要。

最(zui)新(xin)設(she)計(ji)的(de)輸(shu)入(ru)濾(lv)波(bo)器(qi)，在(zai)減(jian)少(shao)電(dian)流(liu)諧(xie)波(bo)及(ji)提(ti)高(gao)滿(man)載(zai)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)方(fang)麵(mian)有(you)了(le)較(jiao)好(hao)的(de)效(xiao)果(guo)。但(dan)是(shi)在(zai)空(kong)載(zai)或(huo)很(hen)小(xiao)負(fu)載(zai)情(qing)況(kuang)下(xia)卻(que)衍(yan)生(sheng)出(chu)一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)性(xing)超(chao)前(qian)的(de)極(ji)低(di)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)，特(te)別(bie)是(shi)那(na)些(xie)為(wei)了(le)滿(man)足(zu)5%最大電流失真度的濾波器。一般情況下
，當負載低於25%時
，大多數UPS係統的輸入濾波器會導致明顯的功率因數降低。盡管如此，輸入功率因數卻很少會低於30%

，有些新的係統甚至已達到空載功率因數低於2%，接近於理想的容性負載。

這種情況不影響UPS輸出和關鍵負載，市電變壓器和輸配電係統也不受影響。但發電機就不同了，有經驗的發電機工程師知道：發電機帶大容性負載時工作會不正常，當接入較低功率因數負載，典型的低於15%～20%容性時，由於係統失調，可能導致發電機停機。在市電停電後出現這種停機應急發電機係統帶動UPS係統負載將造成災難性事故。由於下述兩種原因停機給關鍵負載帶來危險：(1)發電機需要手動重啟，並且必須在UPS電池放電結束前;(2)在停機前發電機可能引起係統的"過壓"
，它可能損壞通信設備、火警係統
、監控網絡甚至UPS模塊。

更糟糕的是，在事故發生後，很難區分責任，找出問題所在並予以糾正。廠商說UPS係xi統tong測ce試shi完wan好hao，並bing指zhi出chu其qi它ta地di方fang相xiang同tong的de設she備bei沒mei有you發fa生sheng類lei似si問wen題ti。發fa電dian機ji廠chang商shang說shuo是shi負fu載zai的de問wen題ti，無wu法fa調tiao整zheng發fa電dian機ji來lai解jie決jue問wen題ti。同tong時shi
，用yong戶hu工gong程cheng師shi則ze說shuo明ming規gui格ge要yao求qiu，希xi望wang相xiang互hu兼jian容rong。要yao了le解jie為wei何he會hui發fa生sheng事shi故gu及ji如ru何he避bi免mian(或如何在關鍵應用中找出解決方案)，首先需要了解發電機與負載的工作關係。

2.1發電機與負載
發(fa)電(dian)機(ji)依(yi)靠(kao)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)器(qi)控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)器(qi)檢(jian)測(ce)三(san)相(xiang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，以(yi)其(qi)平(ping)均(jun)值(zhi)與(yu)要(yao)求(qiu)的(de)電(dian)壓(ya)值(zhi)相(xiang)比(bi)較(jiao)。調(tiao)節(jie)器(qi)從(cong)發(fa)電(dian)機(ji)內(nei)部(bu)的(de)輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)取(qu)得(de)能(neng)量(liang)
，通(tong)常(chang)是(shi)與(yu)主(zhu)發(fa)電(dian)機(ji)同(tong)軸(zhou)的(de)小(xiao)發(fa)電(dian)機(ji)
，傳(chuan)送(song)DC電源給發電機轉子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降，控製發電機定子線圈的旋轉磁場或稱為電動勢EMF的大小。定子線圈的磁通量決定發電機的輸出電壓。

發電機定子線圈的內阻以Z表示，包括感性和阻性部分;由轉子勵磁線圈控製的發電機電動勢用交流電壓源以E表示。假設負載是純感性的，在向量圖中電流I滯後電壓U正好90°電相位角。如果負載是純阻性的，U和I的矢量將重合或同相。實際上多數負載介於純阻性和純感性之間。電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量I×Z表示。它實際上是兩個較小的電壓矢量之和，與I同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降。在本例中，它恰好與U同相。因為電動勢必須等於發電機內阻的電壓降和輸出電壓之和，即矢量E=U和I×Z的矢量和。電壓調節器改變E可以有效地控製電壓U。

現在考慮用純容性負載代替純感性負載時
，發電機的內部情況會發生什麼變化。這時的電流和感性負載時正好相反。電流I現在超前電壓矢量U
，內阻電壓降矢量I×Z
，也正好反相。則U和I×Z的矢量和小於U。

由於和感性負載時相同的電動勢E在容性負載時產生了較高的發電機輸出電壓U，suoyidianyatiaojieqibixumingxiandijianxiaoxuanzhuancichang。shijishang，dianyatiaojieqikenengmeiyouzugoudefanweilaiwanquantiaojieshuchudianya。suoyoufadianjidezhuanzizaiyigefangxianglianxulicihanyouyongjiucichang
，jishidianyatiaojieqiquanguan
，zhuanzirengyouzugoudecichangduidianrongfuzaichongdianbingchanshengdianya，zhezhongxianxiangchengwei"自激"。自激的結果是過壓或者是電壓調節器關機，發電機的監控係統則認為是電壓調節器故障(即"失勵")。這zhe任ren一yi種zhong情qing況kuang都dou會hui引yin起qi發fa電dian機ji停ting機ji。發fa電dian機ji輸shu出chu端duan所suo接jie的de負fu載zai
，可ke能neng是shi獨du立li的de，也ye可ke能neng是shi並bing聯lian的de，決jue定ding於yu自zi動dong切qie換huan櫃gui工gong作zuo的de定ding時shi和he設she置zhi。在zai某mou些xie應ying用yong中zhong，停ting電dian時shiUPS係統是發電機接入的第一個負載。在其它情況下，UPS和機械負載同時接入。機械負載通常有啟動接觸器，停電後重新閉合需要一定時間
，補償UPS輸入濾波電容器的感性電動機負載要有延時。UPS本身有一段時間稱為"軟啟動"周期，將負載從電池轉向發電機
，使其輸入功率因數提高。然而，UPS的輸入濾波器並不參與軟啟動過程
，他們連接在UPS的輸入端是UPS的一部分
，因此，在某些情況下，停電時首先接到發電機輸出端的主要負載是UPS的輸入濾波器，它們是高容性的(有時是純容性的)。
[page]
解決這一問題的方法很明顯要用功率因數校正。這有多種方法可以實現，大致如下：

• 安裝自動切換櫃
  ，使電動機負載先於UPS接入。某些切換櫃可能不能實現這種方法。另外，在維護時
  ，工廠工程師可能需要單獨調試UPS和發電機。
• 增加一個永久性反應電抗來補償容性負載，通常使用並聯纏繞電抗器
  ，接在E-G或huo發fa電dian機ji輸shu出chu並bing聯lian板ban上shang。這zhe是shi很hen容rong易yi實shi現xian的de，而er且qie成cheng本ben較jiao低di。但dan是shi無wu論lun在zai高gao負fu載zai還hai是shi在zai低di負fu載zai的de情qing況kuang下xia
  
  ，電dian抗kang器qi總zong是shi在zai吸xi收shou電dian流liu並bing影ying響xiang負fu載zai功gong率lv因yin數shu。而er且qie不bu論lunUPS的數量多少
  ，電抗器的數量總是固定的。
• 在每一台UPS中加裝感性電抗器，正好補償UPS的容抗。在低負載情況下由接觸器(選件)控製電抗器的投入。此方法電抗器較精確，但數量較大且安裝和控製的成本高。
• 在濾波電容前安裝接觸器，在低負載時斷開。由於接觸器的時間必須精確，控製比較複雜，隻能在工廠安裝。

哪一種方法是最佳的
，要根據現場的情況和設備的性能來確定。

2.2共振問題
電dian容rong自zi激ji問wen題ti可ke能neng被bei其qi他ta電dian氣qi狀zhuang態tai所suo加jia重zhong或huo掩yan蓋gai，如ru串chuan聯lian共gong振zhen。當dang發fa電dian機ji感gan抗kang的de歐ou姆mu值zhi和he輸shu入ru濾lv波bo器qi容rong抗kang的de歐ou姆mu值zhi相xiang互hu拉la近jin，並bing且qie係xi統tong的de電dian阻zu值zhi較jiao小xiao時shi將jiang產chan生sheng振zhen蕩dang
，電dian壓ya可ke能neng超chao出chu電dian力li係xi統tong的de額e定ding值zhi。新xin近jin設she計ji的deUPS係統實質上為100%的電容性輸入阻抗。一台500kVA的UPS可能有150kvar的電容和接近於0的功率因數。並聯電感、串聯扼流圈和輸入隔離變壓器是UPS的常規部件，這些部件都是感性的。事實上他們和濾波器的電容一起使UPS總體表現為容性，可能在UPS內部已經存在一些振蕩。加上連到UPS的輸電線的電容特性，整個係統的複雜性大為提高，超出了一般工程師所能分析的範圍。

近jin來lai在zai關guan鍵jian應ying用yong中zhong兩liang個ge附fu加jia因yin素su使shi得de這zhe些xie問wen題ti更geng普pu遍bian。首shou先xian，根gen據ju用yong戶hu高gao可ke靠kao數shu據ju處chu理li的de要yao求qiu，計ji算suan機ji設she備bei廠chang商shang在zai其qi設she備bei中zhong更geng多duo地di提ti供gong冗rong餘yu電dian源yuan輸shu入ru。現xian在zai典dian型xing的de計ji算suan機ji櫃gui都dou帶dai有you兩liang個ge或huo更geng多duo電dian源yuan線xian。其qi次ci，設she備bei經jing理li要yao求qiu係xi統tong支zhi持chi在zai線xian維wei護hu，他ta們men希xi望wang在zaiUPS關機維護時關鍵負載也有保護。這兩個因素使得典型數據中心UPS的安裝數量增加，每台UPS的負載容量減少。但是發電機的增加沒有與UPS保bao持chi一yi致zhi。在zai設she備bei經jing理li的de眼yan中zhong發fa電dian機ji通tong常chang是shi備bei用yong的de，容rong易yi安an排pai維wei護hu。另ling外wai在zai一yi些xie大da的de項xiang目mu中zhong資zi金jin壓ya力li限xian製zhi昂ang貴gui的de大da功gong率lv發fa電dian機ji組zu的de數shu量liang。結jie果guo是shi每mei台tai發fa電dian機ji帶dai更geng多duo的deUPS，這是一個令UPS廠商高興，發電機廠商煩惱的趨勢。

對自激和振蕩的最佳防衛是物理學的基本知識。工程師應仔細地確定UPS係統在所有負載條件下的功率因數特性。UPS設備安裝後
，業主應堅持全麵的測試，在調試驗收時仔細測量整個係統的工作參數。當發現問題時
，最佳的方案是成立由廠商、工程師
、承包商和業主組成的項目小組

，對係統進行完全測試並找出解決辦法。

3典型案例

以下是一個UPS和發電機兼容性問題的案例
，一個在線服務供應商的新建數據中心在調試運行時發生的。它表明廠商、工程師和用戶如何發現並解決問題的。

現場裝有3套MGEUPS3000kVA係統，每一套由4台75kVAIGBT調寬調頻模塊組成，可擴展到6台。模塊的設計負載率是65%，UPS模塊配有輸入隔離變壓器和最大5%輸入電流諧波濾波器。所有的模塊分別連到兩組發電機並聯總線

，每組總線有3台1600kW的發電機，可以擴展到6tai。meitaifadianjidoupeiyoudianzitiaoyaqi。meitiaobinglianzongxiandedianyuanzhuanhuanjihuashi，zaidiyipifuzaijieruqian，dengdailiangtaifadianjibinglian。diyipifuzaibaohanmeitaoxitongzhongdeyitaiUPS和部分空調負載。

隨sui著zhe後hou續xu發fa電dian機ji的de並bing入ru，與yu第di一yi批pi相xiang同tong的de負fu載zai隨sui後hou加jia入ru。在zai故gu障zhang模mo式shi測ce試shi中zhong操cao作zuo員yuan發fa現xian，帶dai第di一yi批pi負fu載zai的de兩liang台tai發fa電dian機ji中zhong有you一yi台tai故gu障zhang時shi，另ling一yi台tai將jiang出chu現xian過guo壓ya報bao警jing並bing於yu2s後關機。但是第一批負載遠低於一台發電機的容量
，因為此時UPS的負載很輕。隨即安排了進一步的測試，以確定UPS對單台發電機的影響。因為首先懷疑的是UPS的輸入環節對調壓器的*，因此測試的UPS不帶負載
，或UPSdenibianqiguanbi。ceshizhuangzhibaokuozhiliudianyahedianliubiao
，zhijiejiancechangjilixianquan，yinweizhexiecanshuyoutiaoyaqikongzhi
，keyilijifanyingchutiaoyaqidedongzuo。tongshiyongfadianjibenshendeyibiaojiancefuzaidegonglv（Ｗ）、電流電壓（VA）、乏（var）。

首先用純阻性負載進行測試以建立基準。它表明隨著負載增加勵磁電流和電壓上升，如我們所預期。較大的負載電流在發電機內阻Z上產生較大的壓降I×Z，必須克服它以保持輸出電壓U穩定。接著測試UPS對發電機的影響，每次增加一台。UPS不帶負載，觀察UPS整流器軟啟動過程。測試結果很明顯調壓器的動作和純阻性負載時相反。接入兩台UPS後，調壓器已接近允許範圍的邊緣
，再加一台使得發電機2s後進入過載狀態。

此時注意單台750kVAUPS對應的負載值，它造成發電機關機實質上卻沒有真實負載，每台UPS接近230kvar的容抗使得功率因數為０。

由工程師、業主、承包商
、供gong貨huo商shang和he廠chang商shang組zu成cheng的de項xiang目mu小xiao組zu，在zai考kao慮lv了le所suo有you的de可ke能neng性xing後hou，選xuan擇ze了le在zai每mei個ge容rong性xing負fu載zai上shang安an裝zhuang反fan應ying電dian抗kang器qi的de方fang案an。根gen據ju前qian麵mian測ce試shi的de數shu據ju，廠chang商shang為wei每mei台taiUPS設計了200kvar並聯電抗器，並由接觸器控製，承包商在現場將其與UPS的輸入濾波器並聯安裝，工程師設計了外部控製電路，它測發電機的負載，僅當UPS由發電機供電且發電機的總負載低於一個（可調）設定值時，才允許電抗器接入。項目小組用修改後的UPS接入一台發電機重新測試。

這時電容的影響依然存在，電抗器隻能平衡部分而不是全部電容。因此，隨著UPS的增加
，勵磁電流慢慢減少，然而這並不會造成問題。因為６台UPS已超出一台發電機的容量
，而調壓器依然正常並控製著輸出電壓。