柴油發(fā)電機和UPS的協(xié)作、選型
時間：2018-08-21 來源：
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隨著IT技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)的業(yè)務都離不開數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，其中通信、金融、中大型企業(yè)和政府部門的IDC中心建設(shè)規(guī)模和數(shù)量也在迅速增加。保證IDC中心的設(shè)備安全運行時，往往要采用大功率UPS和柴油發(fā)電機組組成安全的供電系統(tǒng)。一般實現(xiàn)方法是發(fā)電機作為市電的備用電源，在斷電的情況下，由自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）將UPS、機房專用空調(diào)、應急照明等設(shè)備的輸入由市電切換到發(fā)電機，防止UPS后備電池耗盡引起系統(tǒng)供電中斷。該系統(tǒng)不但要求發(fā)電機組自動化程度高，更要求發(fā)電機必須適應UPS這一非線性負載的特性，使其在無市電的情況下保證UPS對負載可靠供電。許多行業(yè)機房管理辦法中明確提出機房須配備備用發(fā)電機，要求其設(shè)計容量須能夠滿足機房設(shè)備正常運行要求，并有適當余量。但在實際選配和使用發(fā)電機過程中，由于發(fā)電機容量不足或維護不當，會出現(xiàn)真正市電停電時，發(fā)電機卻不能正常工作的情況，本文就大型數(shù)據(jù)中心機房供電系統(tǒng)中發(fā)電機組選配、與UPS的匹配關(guān)系、發(fā)電機的使用維護要求做一簡要介紹，以期用戶在選購、配套柴油發(fā)電機組時作為參考。
1、大型數(shù)據(jù)中心機房對發(fā)電機組的要求
發(fā)電機是把機械能轉(zhuǎn)換為交流電能的轉(zhuǎn)換設(shè)備。當前，性能優(yōu)良的柴油發(fā)電機是一個功能完善、功率容量范圍大、對環(huán)境和場地條件要求低、安裝使用方便的小型發(fā)電設(shè)備，使用相對廣泛，輸出容量從幾KVA到幾兆VA。柴油發(fā)電機組主體主要由發(fā)動機、發(fā)電機和控制系統(tǒng)三部分組成。其中與現(xiàn)代柴油發(fā)電機組配套的同步交流發(fā)電機由于性能及結(jié)構(gòu)的特點，普遍采用自勵恒壓型式，通常選用自激式同步交流發(fā)電機和PMG（永磁式）激勵式同步交流發(fā)電機。發(fā)電機組的主要性能參數(shù)應滿足：
�、匐妷赫{(diào)整率：當負載功率因數(shù)（滯后）～1、負載空載至滿載變化、從冷機到滿機及轉(zhuǎn)速下跌%以內(nèi)等情況下，電壓調(diào)整率可以控制在±1%以內(nèi);
②頻率調(diào)整率：負載從0～100%范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定不變;
�、垭S機頻率波動：負載從0～100%功率任何值，隨機頻率波動率最大值為±5%;
�、茈妷翰ㄐ危弘娐烽_路（空載），最大總波形畸變%，三相平衡負載最大總波形畸變?yōu)?%。
2、發(fā)電機組在使用中容易產(chǎn)生的問題
大型數(shù)據(jù)中心機房一般采用“市電-發(fā)電機-UPS并機系統(tǒng)”組成的供電系統(tǒng)。通常前級供電系統(tǒng)的容量應該在滿足后級用電設(shè)備的容量基礎(chǔ)上保留10%～20%裕量。UPS系統(tǒng)前級所需柴油發(fā)電機組的容量，實際上需要考慮的就是UPS輸出滿載、UPS系統(tǒng)效率、UPS對電池組的充電功率（油機啟動前UPS啟動電池放電，需補充能量）、UPS的輸入功率因數(shù)等。舉例來說，100KVA的UPS，滿載輸出80kw，效率假設(shè)取93%，充電功率為UPS額定容量的15%～25%，輸入功率因數(shù)3，則所需柴油發(fā)電機組的容量為：80KW÷93%X5÷3=130KVA，保有部分裕量后，可選擇150KVA左右的柴油發(fā)電機組。但實際上，這并不能保證停電后柴油發(fā)電機組能夠順利啟動并向UPS供電。同時由于大型數(shù)據(jù)中心機房供電系統(tǒng)中的發(fā)電機負載還包括機房專用空調(diào)、應急照明、消防電梯等，這些負載啟動或運行時都會對發(fā)電機引起振蕩和干擾。當組成“市電-發(fā)電機-UPS”供電系統(tǒng)時，盡管發(fā)電機的負載量在它的額定輸出容量范圍內(nèi)，市電中斷后，在發(fā)電機投入運行過程中卻經(jīng)常發(fā)現(xiàn)工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生多種使發(fā)電機-UPS系統(tǒng)不能正常工作的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：
�。�1）負載反饋的波動電壓，造成發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)定度很差，常出現(xiàn)發(fā)電機組輸出電壓振蕩。UPS整流器允許的輸入電壓范圍一般在±15%或更寬，發(fā)電機的輸出電壓不穩(wěn)定相對來說影響較小;
（2） UPS整流器的輸入諧波造成多個過零點;
�。�3）發(fā)電機的頻率（轉(zhuǎn)速）振蕩：一般情況下，頻率振蕩比電壓、電流振蕩范圍小，但影響比較大，導致UPS處于頻繁切換及非正常工作狀態(tài)。頻率振蕩一般在±5%以內(nèi)，發(fā)電機組由于負載有規(guī)律的忽大忽小，造成其工作也忽強忽弱，機組振動加劇，加速機械磨損，甚至機件嚴重損壞。頻率振蕩最明顯特征之一，即柴油機工作噪聲有規(guī)律的忽大忽小，因此必須引起高度重視。
�。�4）UPS工作不正常：空調(diào)壓縮機啟動和電梯升降的瞬間會導致發(fā)電機發(fā)生±5HZ頻率漂移，造成UPS頻繁切換，當頻率、電壓振蕩變化超出UPS輸入工作范圍時，UPS由蓄電池供電，而發(fā)電機在無UPS負載時恢復正常，隨即UPS又自動投入以至交錯進行。頻率漂移會對UPS正常運行產(chǎn)生兩方面影響：
�、俨荒芘月�。在旁路電源的頻率和電壓處于允許的范圍內(nèi)，UPS的逆變器輸出跟蹤旁路電源，逆變電源與旁路電源鎖相、同步。當旁路電源由發(fā)電機提供時，頻率會發(fā)生快速的變化，當頻率變化超出預先設(shè)定的極限值時，逆變器頻率變化就跟不上旁路電源的頻率變化。這時靜態(tài)旁路開關(guān)將禁止切換到旁路（在這種情況下切換，有可能造成逆變器過流、短路）。在這種旁路電源頻率無法跟蹤的狀況下，UPS只會發(fā)出警示性告警，逆變器仍繼續(xù)提供電源給負載。
�、陔姵貕勖s短。前面提到瞬間的大負載波動可能導致發(fā)電機頻率產(chǎn)生±5Hz的漂移，這將導致SCR（可控硅）整流器的驅(qū)動信號與輸入交流電失去同步，造成整流器關(guān)閉。在整流器重新啟動進入正常工作期間，UPS轉(zhuǎn)為電池供電，如此過分地放電循環(huán)，將明顯縮短電池壽命，更嚴重的情形會將電池能量全部放光，中斷電源輸出。
3、發(fā)電機運行不穩(wěn)定原因分析
在“市電-發(fā)電機-UPS”供電系統(tǒng)中，由于UPS電路結(jié)構(gòu)決定了其輸入非線性的特性，最典型的是傳統(tǒng)雙變換在線式UPS，由于其輸入端AC/DC變換器是整流濾波電路，它的輸入電流是脈動電流，不僅輸入功率因數(shù)低（～），還包括大量的高次諧波電流（30%～40%），而低輸入功率因數(shù)和諧波電流都會通過發(fā)電機定子線圈的感性內(nèi)阻，由于發(fā)電機組定子線圈內(nèi)阻大于電力變壓器的短路阻抗，因此發(fā)電機更易受到非線性負載的影響，即在同樣的負載電流波形失真度（THDI）情況下，其電壓波形失真度（THDU）大于變壓器;同時UPS的諧波電流使發(fā)電機損耗明顯增大（磁滯損耗正比于電流頻率，渦流損耗正比于電流頻率的平方，以及導線的電流趨膚效應），并使得發(fā)電機的輸出電壓波形失真度明顯增大，嚴重影響發(fā)電機的正常工作。
另外，負載的階躍變化、UPS前端的濾波器提供的容性電流都是造成發(fā)電機組不能正常工作的主要原因。
例如某機房配置的發(fā)電機與雙變換在線式UPS并機系統(tǒng)，測量發(fā)現(xiàn)發(fā)電機帶載時負荷率達到70%、UPS輸入端電流波形失真度%、發(fā)電機負載功率因數(shù)為容性超前3時，發(fā)電機帶載時UPS會有“旁路電源相位超限，系統(tǒng)降級運行，旁路不可用”等警示性報警信息，同時發(fā)電機無功功率顯示數(shù)據(jù)變化較大。
4、發(fā)電機組與UPS的配置
要改善備用發(fā)電機與UPS設(shè)備之間匹配問題，在盡量選擇性能優(yōu)良發(fā)電機的同時，應把主要精力放在改善UPS的輸入特性和改善兩種之間的連接方式上。
（1）不同的功率輸出對柴油發(fā)電機組的影響
根據(jù)UPS容量，一般配套發(fā)電機組的容量為UPS容量的2～倍。而事實上，UPS一般工作在50%～80%額定容量，而對發(fā)電機組來說，其發(fā)出的功率可能為額定容量的30%左右。這樣不但造成發(fā)電機組的容量不能充分利用，增加了設(shè)備的投資，造成了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，而且使發(fā)電機組更容易產(chǎn)生故障，增加了維護量，降低了發(fā)電機組的工作可靠性，其原因是：
�、俑鶕�(jù)柴油機的特性，如果在小負荷下長期工作，氣缸內(nèi)溫度較低，正常進入氣缸內(nèi)的潤滑油不能完全燃燒，而燃油也不能充分燃燒，造成活塞環(huán)處、噴油嘴處積炭嚴重，氣缸磨損加劇，因而使上述部位加速故障的產(chǎn)生，使柴油機工作性能下降，排氣冒黑煙。
�、诓裼蜋C處于30%額定負載以下，經(jīng)濟性變差。
綜合各種因素，發(fā)電機組要求負載必須在60%以上額定負載的情況下工作，對柴油機較為有利。
�。�2）現(xiàn)代同步交流發(fā)電機的勵磁方式的不同對負載的影響也不同
實際上UPS與發(fā)電機的功率比可在1：（1～）之間配套，其關(guān)鍵是要考慮發(fā)電機組中現(xiàn)代同步交流發(fā)電機的勵磁方式。當采用自激式同步交流發(fā)電機，其UPS功率與發(fā)電機組功率之比至少應為1：（2～），但仍不能排除發(fā)電機組不受UPS的影響，當采用永磁式發(fā)電機時，功率比可取1：（～5），即可保證發(fā)電機組正常工作。
�。�3）發(fā)電機組與UPS的選型問題
�、俦M可能選擇內(nèi)阻小的發(fā)電機組。
�、诎l(fā)電機組的穩(wěn)壓勵磁調(diào)節(jié)等盡可能采用不受UPS輸入諧波電流影響的類型，比如采用PMG（永磁發(fā)電機）激勵式。
③應選擇電流波形失真度較小、功率因數(shù)較高的UPS，即使增加成本，其費效比也遠遠高于增加油機的容量。和油機匹配最好，按照業(yè)界通用的UPS整流技術(shù)，運行最穩(wěn)定的整流技術(shù)依次是：IGBT整流（有源功率因數(shù)校正）、12脈沖整流+11次諧波濾波器、有源濾波器+無源濾波器+相控整流、6脈沖整流+5次諧波濾波器、6脈沖整流器等。
�、芤骍PS應具備高速寬頻的整流控制電路以及旁路瑣相頻率范圍和逆變器同步速率現(xiàn)場可調(diào)功能。
⑤ UPS應具有斜坡啟動功能，保證整流器在發(fā)電機上逐漸啟動，啟動過程應持續(xù)大約10秒鐘;當市電恢復時，整流器應可以通過一個輔助開關(guān)逐漸斜坡停止，從而避免干擾其它負載，防止發(fā)電機飛車。
�、� UPS還應具有延時啟動的功能，防止所有負載在發(fā)電機上同時啟動，造成發(fā)電機過載，延遲時間為0～255秒。
⑦ UPS應具有發(fā)電機運行時的第二級充電限流，防止由于發(fā)電機出力不足，而電池組卻需要很大充電電流的矛盾，第二級充電限流應為0～C10可調(diào)。
由上可見，發(fā)電機與UPS配合的好壞或兼容性，主要取決于發(fā)電機輸出阻抗和UPS的輸入電流失真度。在發(fā)電機組與UPS的配套中，其功率比完全可以做到1:1，而在發(fā)電機組的選型上，不但要考慮到功率配套適宜，更應了解發(fā)電機的勵磁型式，以便能適應UPS（非線性負載）而正常工作。
大型數(shù)據(jù)中心機房考慮到市電中斷時，發(fā)電機所帶負載包括UPS（計算機類設(shè)備）、空調(diào)、應急電源、消防電梯等設(shè)備，對發(fā)電機啟動干擾較大，一般建議發(fā)電機配備容量至少應滿足所有負載總功率要求，并留有30%～40%的余量。
5、發(fā)電機組的使用與維護
為確保發(fā)電機組的安全運行，日常運行維護和快速的故障排除至關(guān)重要。發(fā)電機組的不同，維護、檢修內(nèi)容、步驟、方法有所區(qū)別，一般應按照發(fā)電機組保養(yǎng)要求和本單位制定的維護計劃進行。主要包括：
�。�1）定期檢查項目：定期測量發(fā)電機電池組的電壓及內(nèi)阻情況，并進行記錄;定期檢查空氣過濾器、冷卻液液位、驅(qū)動皮帶、排煙系統(tǒng)、燃油液位、機油液位、各種控制器以及工作環(huán)境等情況
�。�2）須按照發(fā)電機組保養(yǎng)要求及時更換機油、三濾、啟動電池及冷卻液。
�。�3）定期由供應商對發(fā)電機組進行檢測并出具報告
（4）定期（至少一個季度）進行發(fā)電機組空載、帶載測試
柴油發(fā)電機組出現(xiàn)的故障，應該保持頭腦冷靜，有步驟有目的地進行檢查與分析，切不可手忙腳亂盲目檢查，胡亂拆卸，應根據(jù)故障的異常征兆、跡象、響聲、出現(xiàn)時機、變化規(guī)律來尋找故障產(chǎn)生部位，首先從原理與結(jié)構(gòu)層面進行細致的分析推理，作出正確判斷來尋找產(chǎn)生故障原因。查找故障的步驟應從簡到繁，由表及里，按系統(tǒng)部位分段進行。
對于由“市電-發(fā)電機-UPS”組成的供電系統(tǒng)，發(fā)電機組本身的故障一般都由廠家、供應商專業(yè)技術(shù)人員完成，對于實際帶載中出現(xiàn)的一些系統(tǒng)性問題，除專業(yè)人員排除機器本身故障外，還應考慮其他原因，例如發(fā)電機輸出電壓過高或過低時應檢查負載狀況，是否由負載不平衡引起;發(fā)電機工作頻率不穩(wěn)定時應檢查是否負載太大。
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