摘要：柴油发电机与UPS配置的容量配比关系上，往往由于UPS的谐波反馈、负载电流突变等干扰，需要柴油发电机的容量为UPS最大负载量的2~3倍，同时还应考虑柴发所带的其他负载的因素而决定其容量。例如每台发电机组可带电阻性负载，可一次性及分段承带发电机组的功率的上限，如KC500GF康明斯发电机组可分二次（第一次280千瓦，第二次120千瓦）带上总负荷400千瓦。遇上起动大型马达及不间断电源，我们还需要考虑瞬间电压降及发电机可承受负载的承受能力。本文从非线性负载功率匹配、发电机组和UPS匹配错误的后果、选型案例及容量配比原则四个方面，系统阐述柴油发电机与UPS的容量配比关系与选型计算方法，为数据中心及关键负荷备用电源系统的设计提供技术参考。
一、非线性负载功率匹配
非线性负载的功率匹配，本质上是源—负载之间在波形、阻抗、能量缓冲和諧波层面上的协调，而不是简单的 数字对齐。其系统组成如图1所示，接线原理如图2所示。
1. 非线性负载对发电机组的影响机理
（1）谐波电流的反馈干扰。UPS整流器采用非线性整流方式，输入电流波形严重畸变，含有大量高次谐波成分。这些谐波电流反馈至发电机定子绕组，使发电机输出电压波形畸变，AVR自动调压板因采样信号失真而频繁调节，导致电压波动。
（2）谐波引起的附加损耗。高次谐波在发电机定子绕组、励磁绕组及铁芯中产生附加铜损与铁损，使发电机温升升高，输出效率下降，长期运行还会加速绝缘老化。
（3）负载电流突变的冲击。UPS在投入瞬间或蓄电池充电阶段会吸收较大电流，造成发电机负载电流突变，若发电机容量不足或励磁响应偏慢，将引起端电压瞬时下降与频率波动。
2. 康明斯发电机组带载能力
下面表1列出不带滤波器的非线性负载，发电机可承受的能力：
表1 部分康明斯发电机组机型带载能力
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柴油机型号 |
额定功率PR |
非线性负载的能力 |
|---|---|---|
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NT855-GA |
200KW |
75% |
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NTAA855-G7A |
350KW |
65% |
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KTA38-G2 |
640KW |
60% |
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KTA38-G5 |
880KW |
55% |
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KTA50-G3 |
1000KW以上 |
47% |
备注：额定功率附合GB/T2820-3及ISO8528-3。
（1）降容系数的变化规律。由表1可见，随着机组额定功率的增大，非线性负载承受比例逐渐降低，200kW机组可承受75%的非线性负载，而1000kW以上机组仅可承受47%。其原因是机组容量越大，其定子绕组电抗标幺值越小，谐波电流引起的畸变相对更为敏感。
（2）选型时的修正方法。选型时应将UPS的稳态视在功率除以对应的非线性负载承受比例，得到发电机所需的最小容量。例如400kVA的UPS负载，若选用KTA38-G2（640kW，非线性负载能力60%），则发电机所需容量至少为400/0.6≈667kVA。
（3）与滤波器配合使用。若在UPS输入端加装有源或无源滤波器，可显著降低输入电流谐波含量，此时发电机的非线性负载承受比例可适当提高，容量配比要求相应降低。
3. 发电机的强化配置
此部份为发电机的最高非线性负载的能力，发电机内配备以下功能：
（1）AREP或PMG永磁发电机。AREP励磁系统与PMG永磁发电机均能在负载突变或非线性负载工况下提供快速励磁响应，维持端电压稳定，其中PMG永磁发电机因励磁电源独立于主绕组，抗谐波干扰能力更强。
（2）三相r.m.s.值AVR及2/3节距。AVR自动调压板采用三相r.m.s.值采样，可准确反映含谐波电压的真实有效值，避免因平均值采样造成的调节偏差；2/3（pitch）节距绕组可削弱谐波磁动势，改善输出电压波形。
（3）短时过载能力。能达到300%满载电流量持续10秒及极强的非线性负载的能力，为UPS投入瞬间及大型电机起动提供了必要的电流裕度。
4. 分段承载能力的校核
（1）分段加载的基本方法。每台发电机组可带电阻性负载，可一次性及分段承带发电机组的功率的上限，如KC500GF康明斯发电机组可分二次（第一次280千瓦，第二次120千瓦）带上总负荷400千瓦。
（2）分段加载的设计原则。分段加载应使每一段的负载增量不超过发电机瞬态功率承受能力，同时控制每段之间的间隔时间，待电压与频率恢复稳定后再投入下一段负载。
（3）分段加载与UPS延时起动配合。多台UPS并联运行时，可通过设置先后延时起动顺序，使各台UPS依次投入，避免同时加载造成发电机瞬态过载。
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图1 柴油发电机组与UPS系统组成示意图 |
图2 UPS与柴油发电机接线原理图 |
二、发电机组和UPS匹配错误的后果
1. 输出电压异常升高
（1）故障表现。发电机组的输出电压突然增高到440V以上，造成UPS损坏。
（2）产生原因。UPS整流器在轻载或充电阶段产生的高次谐波电流注入发电机定子绕组，使AVR采样信号失真，励磁电流异常增大，导致输出电压升高。
（3）危害后果。UPS输入端过压保护动作或内部整流器件损坏，严重时还可能波及下游负载设备。
2. 输出频率波动
（1）故障表现。发电机组输出频率到50～60Hz，致使UPS保护动作。
（2）产生原因。UPS负载的周期性突变使柴油机调速器频繁调节供油量，转速出现周期性波动，频率随之偏离额定值。
（3）危害后果。UPS检测到频率超出允许范围后自动关断整流器，由蓄电池逆变供电，若频率持续波动，将造成UPS反复切换。
3. 机械共振现象
（1）故障表现。发电机组出现严重的机械共振现象，柴油机出现有节奏的摇摆和声音起伏，严重会损坏发电机的励磁回路和调压板。
（2）产生原因。UPS负载的谐波频率与发电机组的机械固有频率或控制系统响应频率接近时，会引起共振放大。
（3）危害后果。长期共振会加速机组基础螺栓松动、减震器失效，严重时损坏发电机励磁回路与AVR调压板。
4. 反复切换供电
（1）故障表现。UPS检测到过电压或过频率而自动关断整流器，由后备电池组逆变向负载供电，反复出现油机+蓄电池逆变切换供电。
（2）产生原因。发电机输出电压与频率不稳定，超出UPS输入允许范围，UPS保护动作后转为电池逆变，待发电机参数恢复后又切回整流供电，如此反复。
（3）危害后果。蓄电池频繁充放电，寿命显著缩短；切换过程中负载供电质量下降，严重时可能造成负载设备重启或数据丢失。
5. 其他衍生问题
（1）发电机温升异常。谐波电流引起的附加损耗使发电机温升升高，若长时间运行可能超过绝缘允许温度。
（2）机组机械磨损加剧。频率波动与机械共振使柴油机转速频繁变化，曲轴、连杆及轴承承受交变载荷，磨损加剧。
（3）电磁干扰增强。高次谐波通过电缆辐射或传导，对机房内其他电子设备造成电磁干扰，影响监控系统正常工作。
三、选型案例
1. 设备参数
以某项目的3台400Vac/三相/50周/200kVA/170kW不间断电源为例，送电模式为2台并联使用+1台备用，12默充式，规划UPS先后延时起动。
（1）负载能力：200kVA/170kW，0.8功率因素滞后。
（2）假定电池量：50%放光，UPS继续带全负载即200kVA。
（3）电池充电量：10%。
（4）起动大型负载：UPS放电令冲击减小，对柴油发电机组承受25%冲击。
2. 负载计算
第一台UPS投入时用电量：
瞬态（突增值）：57.9kVA/46.3kW@0.8功率因素滞后；稳态负载：231.6SkVA/196.8SkW@0.8功率因素滞后
第二台UPS投入时用电量：
瞬态（突增值）：115.8kVA/92.6kW@0.8功率因素滞后；稳态负载：463.2SkVA/393.6SkW@0.8功率因素滞后
第三台UPS投入时用电量只预留充电部份：-
瞬态（突增值）：11.OkVA/9.4kW@0.8功率因素滞后；稳态负载：474.2SkVA/403.0SkW@0.8功率因素滞后
3. 功率匹配方案
（1）发动机
可匹配一台常载功率440KW柴油发动机
审测（a）“连续功率要求”条件：
440kW>403kW（基本功率（PRP）满足）
审测（b）“瞬间（突增）功率要求”条件：
（440 x 80%=）352SkW>92.6SkW@转速降-1.5%，复原0.3秒（满足）
（2）交流发电机
① 可匹配一台斯坦福发电机（880kVA）
审测（a）“连续功率要求”条件
775kVA>474.2kVA（持续功率（COP）满足）
审测（b）“瞬间（突增）功率要求”条件
（115.8+USkVA）126.8 SkVA冲击发电机，瞬间电压降为・3%
（8U dyn<20%）（满足）
② 可匹配一台斯坦福发电机（775kVA）
审测（c）“非线性负载的能力”条件
（477SkVA8>474.2SkVA）非线性负载冲击（满足）
（3）最后选型：
440KW发动机配775KVA发电机，发电机加大了二级，基本功率（PRP）775kVA/440kW，限时运行功率（LPT）775kVA，508kW。由于发电机组只带负载（403/508=）79.3%，还有很大的负载空间（不含非线性负载），可接上如照明或马达等负载。
四、容量配比原则与工程应用建议
1. 容量配比的基本原则
（1）UPS容量与发电机容量的配比。传统双变换UPS的输入功率因数只有0.8，输入电流的高次谐波高达30%以上，当使用柴油发电机为其供电时，必然会严重影响油机频率和输出电压的稳定，所以发电机的功率容量必须要高达UPS容量的2.5—3倍，才能保证系统正常运行。
（2）非线性负载的降容系数。不同功率等级的发电机组对非线性负载的承受能力不同，200kW机组可承受75%的非线性负载，而1000kW以上机组仅可承受47%，容量越大，非线性负载承受比例越低，选型时应按表1对应的降容系数进行修正。
（3）其他负载的叠加。柴油发电机除带UPS负载外，往往还需承担照明、空调、消防等辅助负载，选型时应将UPS稳态负载与辅助负载叠加后作为发电机连续功率的选型依据。
2. 瞬态特性的校核要求
（1）瞬态电压降校核。UPS投入或大型电机起动时，发电机组端电压会出现瞬时下降，一般要求瞬态电压降不超过额定电压的20%，否则应加大发电机容量或调整UPS投入顺序。
（2）瞬态频率降校核。负载突加时柴油机转速会短时下降，一般要求瞬态频率降不超过额定频率的10%，转速复原时间不超过3～5秒。
（3）分段加载设计。对于多台UPS并联运行的场合，宜采用先后延时起动的方式，使负载分步投入，避免多台UPS同时加载造成发电机瞬态过载。
3. 工程应用建议
（1）优先选用带AREP或PMG永磁发电机的机组。此类发电机励磁响应快，短路电流大，非线性负载承受能力强，更适合带UPS类非线性负载。
（2）发电机容量适度加大。在按连续功率与瞬态功率双条件校核后，发电机容量宜适度加大一至二级，以预留负载扩展空间并提高系统抗冲击能力。
（3）UPS输入端配置滤波装置。在UPS输入端加装有源或无源滤波器，可有效抑制高次谐波反馈，减小谐波对发电机电压与频率稳定的影响，从而降低发电机容量配比要求。
（4）现场联动测试。系统投运前应进行发电机与UPS的联动带载测试，验证UPS先后延时起动、突加突卸负载、电池充电等工况下发电机电压、频率与温升均在允许范围内。
总结
综上所述，柴油发电机与UPS连接时，存在着相互匹配问题，从发电机的外特性来看，影响其频率和输出电压稳定的因素主要有两个方面：负载电流的高次谐波成分；负载的瞬时启动。传统双变换UPS的输入功率因数只有0.8，输入电流的高次谐波高达30%以上，当使用柴油发电机为其供电时，必然会严重的影响油机频率和输出电压的稳定，所以发电机的功率容量必须要高达UPS容量的2.5—3倍，才能保证系统正常运行。选型时应按非线性负载降容系数修正，并对连续功率、瞬态功率与非线性负载承受能力进行三重校核，结合分段加载设计与联动测试，方能保障柴油发电机与UPS系统长期稳定运行。
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