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柴油发电机和UPS的协作、选型

时间:2018-08-21 来源: 点击量: 0

 随着IT技术的发展,各行业的业务都离不开数据中心的建设,其中通信、金融、中大型企业和政府部门的IDC中心建设规模和数量也在迅速增加。保证IDC中心的设备安全运行时,往往要采用大功率UPS和柴油发电机组组成安全的供电系统。一般实现方法是发电机作为市电的备用电源,在断电的情况下,由自动转换开关(ATS)将UPS、机房专用空调、应急照明等设备的输入由市电切换到发电机,防止UPS后备电池耗尽引起系统供电中断。该系统不但要求发电机组自动化程度高,更要求发电机必须适应UPS这一非线性负载的特性,使其在无市电的情况下保证UPS对负载可靠供电。许多行业机房管理办法中明确提出机房须配备备用发电机,要求其设计容量须能够满足机房设备正常运行要求,并有适当余量。但在实际选配和使用发电机过程中,由于发电机容量不足或维护不当,会出现真正市电停电时,发电机却不能正常工作的情况,本文就大型数据中心机房供电系统中发电机组选配、与UPS的匹配关系、发电机的使用维护要求做一简要介绍,以期用户在选购、配套柴油发电机组时作为参考。

  1、大型数据中心机房对发电机组的要求
  发电机是把机械能转换为交流电能的转换设备。当前,性能优良的柴油发电机是一个功能完善、功率容量范围大、对环境和场地条件要求低、安装使用方便的小型发电设备,使用相对广泛,输出容量从几KVA到几兆VA。柴油发电机组主体主要由发动机、发电机和控制系统三部分组成。其中与现代柴油发电机组配套的同步交流发电机由于性能及结构的特点,普遍采用自励恒压型式,通常选用自激式同步交流发电机和PMG(永磁式)激励式同步交流发电机。发电机组的主要性能参数应满足:
  ①电压调整率:当负载功率因数(滞后)~1、负载空载至满载变化、从冷机到满机及转速下跌%以内等情况下,电压调整率可以控制在±1%以内;
  ②频率调整率:负载从0~100%范围内,频率稳定不变;
  ③随机频率波动:负载从0~100%功率任何值,随机频率波动率最大值为±5%;
  ④电压波形:电路开路(空载),最大总波形畸变%,三相平衡负载最大总波形畸变为5%。
  2、发电机组在使用中容易产生的问题
  大型数据中心机房一般采用“市电-发电机-UPS并机系统”组成的供电系统。通常前级供电系统的容量应该在满足后级用电设备的容量基础上保留10%~20%裕量。UPS系统前级所需柴油发电机组的容量,实际上需要考虑的就是UPS输出满载、UPS系统效率、UPS对电池组的充电功率(油机启动前UPS启动电池放电,需补充能量)、UPS的输入功率因数等。举例来说,100KVA的UPS,满载输出80kw,效率假设取93%,充电功率为UPS额定容量的15%~25%,输入功率因数3,则所需柴油发电机组的容量为:80KW÷93%X5÷3=130KVA,保有部分裕量后,可选择150KVA左右的柴油发电机组。但实际上,这并不能保证停电后柴油发电机组能够顺利启动并向UPS供电。同时由于大型数据中心机房供电系统中的发电机负载还包括机房专用空调、应急照明、消防电梯等,这些负载启动或运行时都会对发电机引起振荡和干扰。当组成“市电-发电机-UPS”供电系统时,尽管发电机的负载量在它的额定输出容量范围内,市电中断后,在发电机投入运行过程中却经常发现工作不稳定,产生多种使发电机-UPS系统不能正常工作的现象,具体表现为:
  (1)负载反馈的波动电压,造成发电机的输出电压稳定度很差,常出现发电机组输出电压振荡。UPS整流器允许的输入电压范围一般在±15%或更宽,发电机的输出电压不稳定相对来说影响较小;
  (2) UPS整流器的输入谐波造成多个过零点;
  (3)发电机的频率(转速)振荡:一般情况下,频率振荡比电压、电流振荡范围小,但影响比较大,导致UPS处于频繁切换及非正常工作状态。频率振荡一般在±5%以内,发电机组由于负载有规律的忽大忽小,造成其工作也忽强忽弱,机组振动加剧,加速机械磨损,甚至机件严重损坏。频率振荡最明显特征之一,即柴油机工作噪声有规律的忽大忽小,因此必须引起高度重视。
  (4)UPS工作不正常:空调压缩机启动和电梯升降的瞬间会导致发电机发生±5HZ频率漂移,造成UPS频繁切换,当频率、电压振荡变化超出UPS输入工作范围时,UPS由蓄电池供电,而发电机在无UPS负载时恢复正常,随即UPS又自动投入以至交错进行。频率漂移会对UPS正常运行产生两方面影响:
  ①不能旁路。在旁路电源的频率和电压处于允许的范围内,UPS的逆变器输出跟踪旁路电源,逆变电源与旁路电源锁相、同步。当旁路电源由发电机提供时,频率会发生快速的变化,当频率变化超出预先设定的极限值时,逆变器频率变化就跟不上旁路电源的频率变化。这时静态旁路开关将禁止切换到旁路(在这种情况下切换,有可能造成逆变器过流、短路)。在这种旁路电源频率无法跟踪的状况下,UPS只会发出警示性告警,逆变器仍继续提供电源给负载。
  ②电池寿命缩短。前面提到瞬间的大负载波动可能导致发电机频率产生±5Hz的漂移,这将导致SCR(可控硅)整流器的驱动信号与输入交流电失去同步,造成整流器关闭。在整流器重新启动进入正常工作期间,UPS转为电池供电,如此过分地放电循环,将明显缩短电池寿命,更严重的情形会将电池能量全部放光,中断电源输出。
  3、发电机运行不稳定原因分析
  在“市电-发电机-UPS”供电系统中,由于UPS电路结构决定了其输入非线性的特性,最典型的是传统双变换在线式UPS,由于其输入端AC/DC变换器是整流滤波电路,它的输入电流是脉动电流,不仅输入功率因数低(~),还包括大量的高次谐波电流(30%~40%),而低输入功率因数和谐波电流都会通过发电机定子线圈的感性内阻,由于发电机组定子线圈内阻大于电力变压器的短路阻抗,因此发电机更易受到非线性负载的影响,即在同样的负载电流波形失真度(THDI)情况下,其电压波形失真度(THDU)大于变压器;同时UPS的谐波电流使发电机损耗明显增大(磁滞损耗正比于电流频率,涡流损耗正比于电流频率的平方,以及导线的电流趋肤效应),并使得发电机的输出电压波形失真度明显增大,严重影响发电机的正常工作。
  另外,负载的阶跃变化、UPS前端的滤波器提供的容性电流都是造成发电机组不能正常工作的主要原因。
  例如某机房配置的发电机与双变换在线式UPS并机系统,测量发现发电机带载时负荷率达到70%、UPS输入端电流波形失真度%、发电机负载功率因数为容性超前3时,发电机带载时UPS会有“旁路电源相位超限,系统降级运行,旁路不可用”等警示性报警信息,同时发电机无功功率显示数据变化较大。
  4、发电机组与UPS的配置
  要改善备用发电机与UPS设备之间匹配问题,在尽量选择性能优良发电机的同时,应把主要精力放在改善UPS的输入特性和改善两种之间的连接方式上。
  (1)不同的功率输出对柴油发电机组的影响
  根据UPS容量,一般配套发电机组的容量为UPS容量的2~倍。而事实上,UPS一般工作在50%~80%额定容量,而对发电机组来说,其发出的功率可能为额定容量的30%左右。这样不但造成发电机组的容量不能充分利用,增加了设备的投资,造成了“大马拉小车”的现象,而且使发电机组更容易产生故障,增加了维护量,降低了发电机组的工作可靠性,其原因是:
  ①根据柴油机的特性,如果在小负荷下长期工作,气缸内温度较低,正常进入气缸内的润滑油不能完全燃烧,而燃油也不能充分燃烧,造成活塞环处、喷油嘴处积炭严重,气缸磨损加剧,因而使上述部位加速故障的产生,使柴油机工作性能下降,排气冒黑烟。
  ②柴油机处于30%额定负载以下,经济性变差。
  综合各种因素,发电机组要求负载必须在60%以上额定负载的情况下工作,对柴油机较为有利。
  (2)现代同步交流发电机的励磁方式的不同对负载的影响也不同
  实际上UPS与发电机的功率比可在1:(1~)之间配套,其关键是要考虑发电机组中现代同步交流发电机的励磁方式。当采用自激式同步交流发电机,其UPS功率与发电机组功率之比至少应为1:(2~),但仍不能排除发电机组不受UPS的影响,当采用永磁式发电机时,功率比可取1:(~5),即可保证发电机组正常工作。
  (3)发电机组与UPS的选型问题
  ①尽可能选择内阻小的发电机组。
  ②发电机组的稳压励磁调节等尽可能采用不受UPS输入谐波电流影响的类型,比如采用PMG(永磁发电机)激励式。
  ③应选择电流波形失真度较小、功率因数较高的UPS,即使增加成本,其费效比也远远高于增加油机的容量。和油机匹配最好,按照业界通用的UPS整流技术,运行最稳定的整流技术依次是:IGBT整流(有源功率因数校正)、12脉冲整流+11次谐波滤波器、有源滤波器+无源滤波器+相控整流、6脉冲整流+5次谐波滤波器、6脉冲整流器等。
  ④要求UPS应具备高速宽频的整流控制电路以及旁路琐相频率范围和逆变器同步速率现场可调功能。
  ⑤ UPS应具有斜坡启动功能,保证整流器在发电机上逐渐启动,启动过程应持续大约10秒钟;当市电恢复时,整流器应可以通过一个辅助开关逐渐斜坡停止,从而避免干扰其它负载,防止发电机飞车。
  ⑥ UPS还应具有延时启动的功能,防止所有负载在发电机上同时启动,造成发电机过载,延迟时间为0~255秒。
  ⑦ UPS应具有发电机运行时的第二级充电限流,防止由于发电机出力不足,而电池组却需要很大充电电流的矛盾,第二级充电限流应为0~C10可调。
  由上可见,发电机与UPS配合的好坏或兼容性,主要取决于发电机输出阻抗和UPS的输入电流失真度。在发电机组与UPS的配套中,其功率比完全可以做到1:1,而在发电机组的选型上,不但要考虑到功率配套适宜,更应了解发电机的励磁型式,以便能适应UPS(非线性负载)而正常工作。
  大型数据中心机房考虑到市电中断时,发电机所带负载包括UPS(计算机类设备)、空调、应急电源、消防电梯等设备,对发电机启动干扰较大,一般建议发电机配备容量至少应满足所有负载总功率要求,并留有30%~40%的余量。
  5、发电机组的使用与维护
  为确保发电机组的安全运行,日常运行维护和快速的故障排除至关重要。发电机组的不同,维护、检修内容、步骤、方法有所区别,一般应按照发电机组保养要求和本单位制定的维护计划进行。主要包括:
  (1)定期检查项目:定期测量发电机电池组的电压及内阻情况,并进行记录;定期检查空气过滤器、冷却液液位、驱动皮带、排烟系统、燃油液位、机油液位、各种控制器以及工作环境等情况
  (2)须按照发电机组保养要求及时更换机油、三滤、启动电池及冷却液。
  (3)定期由供应商对发电机组进行检测并出具报告
  (4)定期(至少一个季度)进行发电机组空载、带载测试
  柴油发电机组出现的故障,应该保持头脑冷静,有步骤有目的地进行检查与分析,切不可手忙脚乱盲目检查,胡乱拆卸,应根据故障的异常征兆、迹象、响声、出现时机、变化规律来寻找故障产生部位,首先从原理与结构层面进行细致的分析推理,作出正确判断来寻找产生故障原因。查找故障的步骤应从简到繁,由表及里,按系统部位分段进行。
  对于由“市电-发电机-UPS”组成的供电系统,发电机组本身的故障一般都由厂家、供应商专业技术人员完成,对于实际带载中出现的一些系统性问题,除专业人员排除机器本身故障外,还应考虑其他原因,例如发电机输出电压过高或过低时应检查负载状况,是否由负载不平衡引起;发电机工作频率不稳定时应检查是否负载太大。

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