USV und Generatoren sollten beste Freunde sein und reibungslos zusammenarbeiten, um die Ausfallsicherheit des Standorts zu verbessern. Aufgrund gegenseitiger Missverständnisse und fehlender Informationen ist dies häufig nicht der Fall. Dieser Artikel ist ein umfassender Leitfaden und eine grundlegende Wissensdatenbank über die Eingangsleistung der USV und deren Auswirkungen auf den Generatorbetrieb.

Im realen Betrieb wird bei jedem Netzausfall die Versorgung zwischen dem eingehenden Netz und einem Dieselgeneratorsatz bzw. Genset umgeschaltet. Die Umstellung erfolgt nach dem Prinzip „Pause-before-make“ und erfolgt in der Regel innerhalb weniger Sekunden. Das nachgeschaltete USV-System schaltet während des gesamten Austauschs auf Batteriestrom um, während sein Eingangswandler oder Gleichrichter aufgrund fehlender Eingangsleistung ausgeschaltet ist. Wenn die Versorgung durch den Dieselgenerator hergestellt ist, führt der Gleichrichter einen Startvorgang durch und der USV-Betrieb wird auf die normale Doppelwandlung zurückgesetzt. In dieser entscheidenden Phase ist es von größter Bedeutung, dass USV und Stromerzeuger wie am Schnürchen funktionieren, um zu verhindern, dass die Umstellung durch schlechte Interaktion gefährdet wird.

Aus Sicht des Aggregats ist eine USV-Anlage eine Last, die je nach USV-Betriebsart sowohl Wirk- als auch Blindleistung bezieht. Aktuelle USVs mit VFI-Doppelwandlung verbrauchen 99 % „sauberen“ Wirkstrom, das heißt, eine moderne USV wird von der vorgeschalteten Versorgung praktisch als lineare Widerstandslast angesehen. Dies vereinfacht das Design und die Leistung des elektrischen Systems erheblich.

Im Bypass-Betrieb wird die Last von der vorgeschalteten Versorgung über die USV-Bypassleitung gespeist, die somit nicht von der USV-Filterwirkung profitieren kann. In diesem Zustand würde ein Aggregat direkt mit dem Lastleistungsfaktor, der harmonischen Verzerrung und den Laststufen interagieren.
Bei geringer Last, typischerweise unter 10 % der Nennnennleistung, oder im Leerlauf weist eine USV einen überwiegend kapazitiven Eingangsleistungsfaktor und eine etwas höhere Unterdrückung harmonischer Verzerrungen im Verhältnis zur gesamten aufgenommenen Leistung auf. Darüber hinaus ist der Anlaufübergang des Gleichrichters ein Lastsprung für die vorgeschaltete Versorgung.

Obwohl sich die oben genannten Bedingungen überhaupt nicht auf die „unendliche“ Netzleistung eines Stromaggregats auswirken, müssen solche Fälle sorgfältig geprüft werden.
Als Faustregel gilt, dass die Dauernennleistung eines Aggregats nicht weniger als das 1,5-fache der
USV-Nennleistung betragen sollte. Der Überdimensionierungsfaktor berücksichtigt den USV-Wirkungsgrad (typischerweise 96 %), den USV-Leistungsfaktor (typischerweise 0,99) und die harmonische Eingangsverzerrung (typischerweise 3 %). Wie oben erwähnt, sollten jedoch andere Parameter berücksichtigt werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb während des Übergangs- oder Leerlaufbetriebs sicherzustellen.
Moderne USVs weisen beim Start keinen Einschaltstromstoß auf. Nach einer einstellbaren „Walk-in“-Zeit steigern sie sich schrittweise auf die erforderliche Ausgangsleistung. Hierbei handelt es sich um die sogenannte „Soft-Start“-Funktion, die auch einen verzögerten Start entsprechend einer einstellbaren „Hold-off“-Zeit umfassen kann. Das Einstellen einer Haltezeit ist nützlich, wenn mehrere USV-Einheiten parallel starten, sodass die gesamte USV-Last in schrittweisen Schritten auf das Aggregat übertragen wird.

Andererseits hängt die Einlaufzeit davon ab, wie steil die Sanftanlauframpe sein wird. Je kürzer die Einstellung, desto steiler ist die Rampe. Es ist wichtig zu beachten, dass der Gleichrichter während der kombinierten Halte- und Einschaltzeit nicht vollständig mit Strom versorgt wird, um die Last zu versorgen, sodass die Speicherbatterien möglicherweise noch teilweise entladen werden.

Darüber hinaus könnte eine Batterieladesperre vorhanden sein, um das Aggregat beim allmählichen Lastanstieg zu unterstützen. Für einen problemlosen Wechsel kommt es daher neben anderen Faktoren auf die richtige Verwaltung der Batterieautonomie und der USV-Softstart-Einstellungen an. Letzteres hängt eng mit der spezifischen Leistung des Aggregats zusammen.

Zu viel CAP wird Sie aufhalten

Zu Filterzwecken eingesetzte Eingangskondensatoren sorgen dafür, dass reine Scheinleistung zwischen der Versorgung und der USV fließt. Diese Leistung wird als führende oder kapazitive Leistung bezeichnet. Aggregate können eine begrenzte Menge an reinem Hauptstrom bewältigen, da diese den Erregerkreis im Wechselstromgenerator stört, was zu Spannungsschwankungen und der Abschaltung des Aggregats führt. Diagramme zum sicheren Betriebsbereich zeigen den zulässigen Lastleistungsfaktorbereich der Aggregate für einen stabilen Betrieb und die reine Spitzenleistungsgrenze liegt typischerweise bei 20 % der Nennnennleistung des Aggregats.

Sicherer Betriebsbereich des Dieselgenerators. Der Normalbetrieb wird grün dargestellt. Im gelben Bereich ist der Betrieb vorübergehend weiterhin möglich. Der Betrieb im roten Bereich ist nicht zulässig. Beim USV-Start müssen die Generatoren reine Leitleistung liefern und der Arbeitspunkt liegt rechts auf der linken horizontalen Achse. Die maximale reine Leitleistungsgrenze liegt typischerweise bei 0,2 der Nennleistung des Aggregats.

Ein USV-System, das nach einem Netzausfall neu gestartet wird, weist reine kapazitive Eingangsleistung auf. Obwohl sein Beitrag im Vergleich zur nominalen USV-Nennleistung gering ist, ist der Eingangsfilter zu diesem Zeitpunkt nicht durch eine Wirkleistung ausgeglichen. Es muss abgewartet werden, bis die Inbetriebnahme des Gleichrichters abgeschlossen ist. Dieses Problem verschärft sich, wenn Reihen parallel geschalteter USV-Anlagen durch Reihen parallel geschalteter Aggregate versorgt werden sollen. Aufgrund des inhärenten sequentiellen Starts der Generatoren speist der allererste, der einschaltet, die gesamte kapazitive Leistung des USV-Strangs ein. Dies könnte die Leistungsfähigkeit des Aggregats überschreiten und somit eine erfolgreiche Umstellung verhindern.

Es können verschiedene Techniken eingesetzt werden, um das Problem zu entschärfen, wie zum Beispiel die Installation von Widerstandsbänken zum Ausgleich. Moderne USV-Anlagen haben ihre kapazitive Eingangsleistung durch den Einsatz elektronischer Filtertechnologien von Gleichrichtern verringert. Sie können auch ein adaptives kapazitives Eingangsleistungsmanagement anbieten, um den Entwurf widerstandsfähigerer elektrischer Infrastrukturen zu unterstützen.