浅谈UPS电源与发电机组的兼容性

【摘 要】现代航行管制设备采用了复杂的计算机监控和安全保护系统，其交流电源和供电系统的可靠性、安全性要求增高，因此“两路市电+UPS+后备发电机组”的供电形式广泛应用空管系统。本文从UPS产生的谐波对电网及发电机组的危害和频率漂移对UPS和发电机组的危害等几方面综合进行论述谐波干扰和频率漂移带来的危害。

【关键词】UPS；发电机组；谐波危害；频率漂移

1、谐波的产生与危害

谐波的产生是由非线性负载所致。当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。

谐波的危害很大，由于谐波的频率较高，使导线的趋肤效应加重，因此铜损急剧增加；谐波还会影响表计的计量精度，使精密电子设备会被严重干扰，导致不能正常工作。另外，接于电网中的设备损耗都会增加，温升增加。最后，谐波会造成继电保护机构误动或拒动。

2、UPS产生的谐波对电网及发电机组的危害

在空管系统中，计算机、服务器、雷达等设备对交流电源的要求最高，属于特别重要的一级负荷。因此，大功率UPS得以大面积的广泛使用，但由于UPS使用的整流器和逆变器等电子开关元件产生的谐波，使 UPS本身成了一个大的电磁发射源，在为所保护的负载提供持续电能的同时，自身又会产生新的电磁干扰。

如上图所示，UPS由市电中吸取的能量不是连续的正弦波，而是断续的。因此，虽然输入交流电压是正弦波，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，这样势必造成输入功率因数下降并污染电网。

2.1UPS产生的谐波电流对电网的危害

脉冲状的输入电流，含有大量谐波，造成对电网的谐波污染，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变，将电网电压由正弦波畸变为非正弦波形；另一方面，会造成电路故障，使变压设备损坏。线路和配电变压器过热；引起电网LC谐振；高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸。

2.2UPS产生的谐波电流对发电机组的危害

⑴降低发电机组的带载能力：由于发电机组的输出电压畸变度大（波形失真大），而且额定输出功率有限，其内阻大的问题显得更加突出。用发电机组带非线性负载时，会发生各种不兼容的问题。其原因是非线性负载向发电机组反射大量的高次谐波，其中以5次和11次谐波对发电机组的危害最严重。这些谐波会消耗大量的无功功率，从而使发电机组带载能力下降，输入电压波形畸变增大。

⑵电压震荡：UPS产生的电流谐波分量“倒流”，造成输入电压波形畸变，反馈的电压波动，造成发电机组的输出电压稳定度差，形成震荡。

⑶电流震荡：同样由于电流谐波分量，造成输入电流畸变。在UPS负载稳定的情况下，发电机组输出电流大范围摆动，而且这种摆动无法调整。

3、频率漂移对UPS和发电机组的危害

3.1UPS不能正常工作

⑴在UPS电源中，逆变输出跟踪旁路电源，逆变电源与旁路电源锁相、同步。当旁路电源由发电机组提供时，频率会发生快速变化。当频率变化超出于先设定的极限值时，逆变器频率变化就无法跟上旁路电源的频率变化（在这种情况下切换，可能造成逆变器过流、短路）。

⑵整流器在频率正常时工作，频率漂移时不工作，如此以来，就会造成频繁的放电循环，将大大缩短电池寿命。更严重的后果是将电池电量全部放光，造成输出中断。

3.2增加发电机组机械磨损

频率漂移导致UPS整流器时而工作，时而不工作的频繁切换的状态，加速了机械磨损，甚至损坏机组部件。

4、如何解决UPS与发电机组兼容性

4.1发电机组的选择。不同的励磁方式和适当的匹配功率有助于将发电机组和UPS配合时出现的问题最小化。发电机组的选择可以从以下两方面考虑。

（1）发电机组的输出功率。

发电机组的功率与UPS的功率并不是简单的一对一关系，还必须考虑UPS电池充电所需功率，UPS的整机效率，UPS整流器引起的谐波电流失真等，都需要适当增加发电机组的功率。UPS的整流器对频率漂移更加敏感，这也需要增大发电机功率。所以一般选择发电机功率是UPS功率的2倍以上。

（2）发电机组的励磁工作方式。

发电机组分为自励式和永磁式（PMG）两种。这两种发电机组励磁方式的根本区别是：自励式从发电机组的电枢绕组给调压器AVR同时提供功率和信号源；而永磁式从永磁发电机电枢绕组给调压器AVR提供功率，与同步发电机组电枢绕组的电势波形畸变无关。

因此自励式发电机组的调压器AVR受非线性负载的影响比较明显。但由于现在的发电机组几乎全部采用自励式的励磁方式，所以UPS功率与发电机组功率之比至少为1：（2～2.5），但仍不能排除发电机组不受UPS影响。

4.2UPS的选择。UPS整流方式的不同以及对频率漂移的适应性都是选择UPS的重要技术依据。其中高频PWM整流技术的“绿色环保”UPS，即通常所说的高频UPS。

高频UPS采用的高频PMW整流电路和传统相控式UPS整流电路最大的不同在于，其中输入PMW整流电路和输出SPMW逆变电路均采用IGBT器件，使用IGBT整流技术的整流器利用高频切割脉宽调制电流，达到正弦波式输入电流的目的。

高频UPS主要的技术特性：

（1）具有完美的正弦波输入电流，极大的减少了UPS对电网的谐波污染。如下图所示：

（2）因为输入电压与输入电流同相，使得功率因数近似为PF=1，UPS与电网之间几乎没有无功传递，大幅度减小无功损耗，降低电源系统的容量。

因此可以选择UPS功率与发电机组功率之比为1：1，从而节约能源，降低系统成本。下表是IGBT高频整流与传统相控UPS的技术参数比较：

（3）输入电压范围宽，更适合电网电压剧烈波动。

（4）整流输出直流电压波纹小，可延长续电池寿命。

5、“发电机组+电力稳压器+UPS电源”供电系统是否必要

在民航的空管系统用的UPS供电系统中，为使UPS电源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。

通过上述分析，知道影响UPS的最大问题是谐波和频率漂移。而处于”串联工作状态”中的电力稳压器不会对输入谐波特性和频率产生任何实质性的影响。而且采用电力稳压器还会产生负面影响。

5.1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。而且，它们的输入电流谐波分量的频谱分布曲线也具有非常相似的变化规律。对输入电压和电流的波形失真毫无助益。

5.2电力稳压器的使用是为了防止电源电压剧烈波动。从目前来看，电网和发电机组的输出电压相当稳定，而且UPS本身具有稳压功能，适应输入电压范围相当大（一般为±10%）；因此电力稳压器的应用无疑为画蛇添足，多此一举。

综上所述，“发电机组+电力稳压器+UPS电源”供电系统不仅毫无必要，还会增加故障点，引起负面影响，增加系统成本。所以，使用“发电机组+UPS电源”就完全可以满足用户需求。

6、结束语

通过上述几个方面的分析，对于UPS电源和发电机组来说，我们可以采取增加发电机组的功率，选用高频IGBT整流技术的UPS等手段来提高兼容性。而且“发电机组+UPS电源”这种供电形式完全可以满足用户需求，不必增加电力稳压器。