柴油发电机组与UPS配合问题案例解析

随着Internet的发展,数据中心对大功率UPS和发电机的需求迅猛添加,由此也发作了一些新问题。本文就UPS输入端功率因数和输入滤波器对发电机的影响,进行理论剖析和实践事例的阐明,以阐明问题发作的原因,进而找出处理的办法。 
　　 

　　1 发电机组和UPS之间的合作问题 
　　 
　　不间断电源体系的制造商和用户很早就现已注意到发电机组和UPS之间的合作问题,特别是由整流器发作的电流谐波对供电体系如发电机组的电压调理器、UPS的同步电路发作的不良影响十分显着。因而,UPS体系工程师们规划了输入滤波器并把其使用到UPS中,成功地在UPS使用中操控了电流谐波。这些滤波器对UPS与发电机组的兼容性起到了要害作用。 
　　 
　　事实上一切的输入滤波器都使用电容器和电感来吸收UPS输入端最具破坏性的电流谐波。输入滤波器的规划考虑了UPS电路固有的和在满载状况下的最大或许的悉数谐波畸变的百分比。大多数滤波器的另一个好处是进步带载UPS的输入功率因数。但是输入滤波器的使用带来的另一个结果是使UPS整体功率下降。绝大多数滤波器消耗1%左右的UPS功率。输入滤波器的规划一直在有利和不利要素之间寻求平衡。 
　　 
　　为了尽或许进步UPS体系的功率,近期UPS工程师在输入滤波器的功耗方面做了改善。滤波器功率的进步,从很大程度上取决于将IGBT(绝缘门级晶体管)技术使用到UPS规划中。IGBT逆变器的高功率导致了对UPS的从头规划。输入滤波器能够吸收某些电流谐波,一同吸收很小一部分有功功率。总之,滤波器中理性要素对容性要素的比率下降了,UPS的体积变小了,功率进步了。在UPS领域的作业如同得以处理了,但是新问题是与发电机的兼容性又呈现了,替代了老问题。 
　　 
　　2 功率因数的问题 
　　 
　　通常,人们把注意力放在UPS满载或挨近满载状况下的作业状况。绝大多数工程师都能表述满载状况下的UPS作业特性,特别是输入滤波器的特性,但是很少有人对滤波器在空载或挨近空载时的状况感兴趣。毕竟UPS及其电气体系在轻载状况下的电流谐波影响很小。但是,UPS空载时的作业参数,特别是输入功率因数对于UPS与发电机的兼容性适当重要。 
　　 
　　最新规划的输入滤波器,在削减电流谐波及进步满载状况下的功率因数方面有了较好的效果。但是在空载或很小负载状况下却衍生出一个电容性超前的极低的功率因数,特别是那些为了满足5%最大电流失真度的滤波器。一般状况下,当负载低于25%时大多数UPS体系的输入滤波器会导致显着的功率因数下降。尽管如此,输入功率因数却很少会低于30%,有些新的体系乃至已达到空载功率因数低于2%,挨近于理想的容性负载。 
　　 
　　这种状况不影响UPS输出和要害负载,市电变压器和输配电体系也不受影响。但发电机就不同了,有经验的发电机工程师知道:发电机带大容性负载时作业会不正常,当接入较低功率因数负载,典型的低于15%~20%容性时,由于体系失调,或许导致发电机停机。在市电停电后呈现这种停机应急发电机体系带动UPS体系负载将造成灾难性事端。由于下述两种原因停机给要害负载带来风险:榜首,发电机需求手动重启,而且有必要在UPS电池放电结束前;第二,在停机前发电机或许引起体系的"过压",它或许损坏电话设备、火警体系、监控网络乃至UPS模块。更糟糕的是,在事端发作后,很难区别职责,找出问题所在并予以纠正。UPS厂商说UPS体系测验无缺,并指出其它地方相同的设备没有发作类似问题。发电机厂商说是负载的问题,无法调整发电机来处理问题。一同,用户工程师则阐明他的规格要求,期望两个厂商彼此兼容。要了解为何会发作事端及怎么避免(或怎么在要害使用中找出处理计划),首要需求了解发电机与负载的作业关系。 
　　 
　　2.1 发电机与负载 
　　 
　　发电机依靠电压调理器操控输出电压。电压调理器检测三相输出电压,以其平均值与要求的电压值相比较。调理器从发电机内部的辅助电源取得能量,通常是与主发电机同轴的小发电机,传送DC电源给发电机转子的磁场鼓励线圈。线圈电流上升或下降,操控发电机定子线圈的旋转磁场或称为电动势EMF的大小。定子线圈的磁通量决定发电机的输出电压。 
　　 
　　发电机定子线圈的内阻以Z标明,包括理性和阻性部分;由转子励磁线圈操控的发电机电动势用交流电压源以E标明。假设负载是纯理性的,在向量图中电流I滞后电压U正好90°电相位角。假如负载是纯阻性的,U和I的矢量将重合或同相。实践上多数负载介于纯阻性和纯理性之间。电流通过定子线圈引起的电压降用电压矢量I×Z标明。它实践上是两个较小的电压矢量之和,与I同相的电阻压降和超前90°的电感压降。在本例中,它恰好与U同相。由于电动势有必要等于发电机内阻的电压降和输出电压之和,即矢量E=U和I×Z的矢量和。电压调理器改动E能够有效地操控电压U。 
　　 
　　现在考虑用纯容性负载替代纯理性负载时,发电机的内部状况会发作什么改变。这时的电流和理性负载时正好相反。电流I现在超前电压矢量U,内阻电压降矢量I×Z,也正好反相。则U和I×Z的矢量和小于U。 
　　 
　　由于和理性负载时相同的电动势E在容性负载时发作了较高的发电机输出电压U,所以电压调理器有必要显着地减小旋转磁场。实践上,电压调理器或许没有满足的规模来彻底调理输出电压。一切发电机的转子在一个方向连续励磁含有永久磁场,即便电压调理器全关,转子仍有满足的磁场对电容负载充电并发作电压,这种现象称为"自激"。自激的结果是过压或者是电压调理器关机,发电机的监控体系则认为是电压调理器毛病(即"失励")。这任一种状况都会引起发电机停机。发电机输出端所接的负载,或许是独立的,也或许是并联的,决定于主动切换柜作业的守时和设置。在某些使用中,停电时UPS体系是发电机接入的榜首个负载。在其它状况下,UPS和机械负载一同接入。机械负载通常有启动接触器,停电后从头闭合需求一守时刻,补偿UPS输入滤波电容器的理性电动机负载要有延时。UPS自身有一段时刻称为"软启动"周期,将负载从电池转向发电机,使其输入功率因数进步。但是,UPS的输入滤波器并不参与软启动进程,他们连接在UPS的输入端是UPS的一部分,因而,在某些状况下,停电时首要接到发电机输出端的首要负载是UPS的输入滤波器,它们是高容性的(有时是纯容性的)。


处理这一问题的办法很显着要用功率因数校对。这有多种办法能够完成,大致如下: 
　　 
　　装置主动切换柜,使电动机负载先于UPS接入。某些切换柜或许不能完成这种办法。另外,在维护时,工厂工程师或许需求单独调试UPS和发电机。 
　　 
　　添加一个永久性反应电抗来补偿容性负载,通常使用并联环绕电抗器,接在E-G或发电机输出并联板上。这是很容易完成的,而且本钱较低。但是无论在高负载仍是在低负载的状况下,电抗器总是在吸收电流并影响负载功率因数。而且不论UPS的数量多少,电抗器的数量总是固定的。 
　　 
　　在每一台UPS中加装理性电抗器,正好补偿UPS的容抗。在低负载状况下由接触器(选件)操控电抗器的投入。此办法电抗器较准确,但数量较大且装置和操控的本钱高。 
　　 
　　在滤波电容前装置接触器,在低负载时断开。由于接触器的时刻有必要准确,操控比较复杂,只能在工厂装置。 
　　 
　　哪一种办法是最佳的,要依据现场的状况和设备的性能来确认。 
　　 
　　2.2 共振问题 
　　 
　　电容自激问题或许被其他电气状况所加重或掩盖,如串联共振。当发电机的感抗的欧姆值和输入滤波器容抗的欧姆值彼此拉近,而且体系的电阻值较小时将发作振荡,电压或许超出电力体系的额定值。新近规划的UPS体系实质上为100%的电容性输入阻抗。一台500kVA的UPS或许有150kvar的电容和挨近于0的功率因数。并联电感、串联扼流圈和输入阻隔变压器是UPS的常规部件,这些部件都是理性的。事实上他们和滤波器的电容一同使UPS总体表现为容性,或许在UPS内部现已存在一些振荡。加上连到UPS的输电线的电容特性,整个体系的复杂性大为进步,超出了一般工程师所能剖析的规模。 
　　 
　　近来在要害使用中两个附加要素使得这些问题更遍及。首要,依据用户高可靠数据处理的要求,计算机设备厂商在其设备中更多地提供冗余电源输入。现在典型的计算机柜都带有两个或更多电源线。其次,设备经理要求体系支持在线维护,他们期望在UPS关机维护时要害负载也有维护。这两个要素使得典型数据中心UPS的装置数量添加,每台UPS的负载容量削减。但是发电机的添加没有与UPS坚持一致。在设备经理的眼中发电机通常是备用的,容易组织维护。另外在一些大的项目中资金压力约束贵重的大功率发电机组的数量。结果是每台发电机带更多的UPS,这是一个令UPS厂商高兴发电机厂商烦恼的趋势。 
　　 
　　对自激和振荡的最佳防卫是物理学的基本知识。工程师应细心地确认UPS体系在一切负载条件下的功率因数特性。UPS设备装置后,业主应坚持全面的测验,在调试验收时细心测量整个体系的作业参数。当发现问题时,最佳的计划是成立由厂商、工程师、承包商和业主组成的项目小组,对体系进行彻底测验并找出处理办法。 
　　 
　　3 典型事例 
　　 
　　以下是一个UPS和发电机兼容性问题的事例,一个在线服务供货商的新建数据中心在调试运行时发作的。它标明厂商、工程师和用户怎么发现并处理问题的。 
　　 
　　现场装有3套3000kVA UPS体系,每一套由4台750 kVA IGBT调宽调频模块组成,可扩展到6台。模块的规划负载率是65%,UPS模块配有输入阻隔变压器和最大5%输入电流谐波滤波器。一切的模块分别连到两组发电机并联总线,每组总线有3台1600 kW的发电机,能够扩展到6台。每台发电机都配有电子调压器。每条并联总线的电源转换计划是,在榜首批负载接入前,等候两台发电机并联。榜首批负载包含每套体系中的一台UPS和部分空调负载。随着后续发电机的并入,与榜首批相同的负载随后加入。在毛病形式测验中操作员发现,带榜首批负载的两台发电机中有一台毛病时,另一台将呈现过压报警并于2s后关机。但是榜首批负载远低于一台发电机的容量,由于此时UPS的负载很轻。随即组织了进一步的测验,以确认UPS对单台发电机的影响。由于首要置疑的是UPS的输入环节对调压器的搅扰,因而测验的UPS不带负载,或UPS的逆变器封闭。测验装置包括直流电压和电流表,直接监测场鼓励线圈,由于这些参数由调压器操控,能够立即反映出调压器的动作。一同用发电机自身的仪表监测负载的功率(W)、电流电压(VA)、电容(var)。 
　　 
　　首要用纯阻性负载进行测验以树立基准。它标明随着负载添加励磁电流和电压上升,如咱们所预期。较大的负载电流在发电机内阻Z上发作较大的压降I×Z,有必要战胜它以坚持输出电压U安稳。接着测验UPS对发电机的影响,每次添加一台。UPS不带负载,调查UPS整流器软启动进程。测验结果很显着调压器的动作和纯阻性负载时相反。接入两台UPS后,调压器已挨近答应规模的边际,再加一台使得发电机2s后进入过载状况。 
　　 
　　请注意单台750kVA UPS对应的负载值。它造成发电机关机实质上却没有实在负载,每台UPS挨近230kvar的容抗使得功率因数为0。 
　　 
　　由工程师、业主、承包商、供货商和厂商组成的项目小组,在考虑了一切的或许性后,选择了在每个容性负载上装置反应电抗器的计划。依据前面测验的数据,厂商为每台UPS规划了200kvar并联电抗器,并由接触器操控,承包商在现场将其与UPS的输入滤波器并联装置,工程师规划了外部操控电路,它测发电机的负载,仅当UPS由发电机供电且发电机的总kW负载低于一个(可调)设定值时,才答应电抗器接入。项目小组用修改后的UPS接入一台发电机从头测验。 
　　 
　　这时电容的影响依然存在,电抗器只能平衡部分而不是悉数电容。因而,随着UPS的添加,励磁电流渐渐削减,但是这并不会造成问题。由于6台UPS已超出一台发电机的容量,而调压器依然正常并操控着输出电压。