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UPS系統與發電機組的兼容性

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UPS系統與發電機組的兼容性

發布日期:2018-04-18 作者:黔通衆彙 點擊:

随着Internet的發展,數據中心對大功率UPS和發電機的需求迅猛增長,由此也産生了一些新問題。本文就UPS輸入端功率因數和輸入濾波器對發電機的影響,進行理論分析和實際案例的說明,以闡明問題産生的原因,進而找出解決的方法。

發電機組和UPS之間的配合問題

  UPS的生産廠商和用戶很早就已經注意到發電機組和UPS之間的配合問題,特别是由整流器産生的電流諧波對供電系統如發電機組的電壓調節器、UPS的同步電路産生的不良影響非常明顯。因此,UPS系統工程師們設計了輸入濾波器并把其應用到UPS中,成功地在UPS應用中控制了電流諧波。這些濾波器對UPS與發電機組的兼容性起到了關鍵作用。

  事實上所有的輸入濾波器都使用電容器和電感來吸收UPS輸入端最具破壞性的電流諧波。輸入濾波器的設計考慮了UPS電路固有的和在滿載情況下的最大可能的全部諧波畸變的百分比。大多數濾波器的另一個益處是提高帶載UPS的輸入功率因數。然而輸入濾波器的應用帶來的另一個後果是使UPS整體效率降低。絕大多數濾波器消耗1%左右的UPS功率。輸入濾波器的設計一直在有利和不利因素之間尋求平衡。


  為了盡可能提高UPS系統的效率,近期UPS工程師在輸入濾波器的功耗方面做了改進。濾波器效率的提高,從很大程度上取決于将IGBT(絕緣門級晶體管)技術應用到UPS設計中。IGBT逆變器的高效率導緻了對UPS的重新設計。輸入濾波器可以吸收某些電流諧波,同時吸收很小一部分有功功率。總之,濾波器中感性因素對容性因素的比率降低了,UPS的體積變小了,效率提高了。在UPS領域的事情好像得以解決了,然而新問題與發電機的兼容性又出現了,替代了老問題。

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功率因數的問題

  通常,人們把注意力放在UPS滿載或接近滿載情況下的工作狀态。絕大多數工程師都能表述滿載情況下的UPS工作特性,特别是輸入濾波器的特性,然而很少有人對濾波器在空載或接近空載時的狀況感興趣。畢竟UPS及其電氣系統在輕載狀态下的電流諧波影響很小。然而,UPS空載時的工作參數,特别是輸入功率因數對于UPS與發電機的兼容性相當重要。

  最新設計的輸入濾波器,在減少電流諧波及提高滿載情況下的功率因數方面有了較好的效果。但是在空載或很小負載情況下卻衍生出一個電容性超前的極低的功率因數,特别是那些為了滿足5%最大電流失真度的濾波器。一般情況下,當負載低于25%時大多數UPS系統的輸入濾波器會導緻明顯的功率因數降低。盡管如此,輸入功率因數卻很少會低于30%,有些新的系統甚至已達到空載功率因數低于2%,接近于理想的容性負載。

  這種情況不影響UPS輸出和關鍵負載,市電變壓器和輸配電系統也不受影響。但發電機就不同了,有經驗的發電機工程師知道:發電機帶大容性負載時工作會不正常,當接入較低功率因數負載,典型的低于15%~20%容性時,由于系統失調,可能導緻發電機停機。在市電停電後出現這種停機應急發電機系統帶動UPS系統負載将造成災難性事故。由于下述兩種原因停機給關鍵負載帶來危險:第一,發電機需要手動重啟,并且必須在UPS電池放電結束前;第二,在停機前發電機可能引起系統的"過壓",它可能損壞電話設備、火警系統、監控網絡甚至UPS模塊。更糟糕的是,在事故發生後,很難區分責任,找出問題所在并予以糾正。UPS廠商說UPS系統測試完好,并指出其它地方相同的設備沒有發生類似問題。發電機廠商說是負載的問題,無法調整發電機來解決問題。同時,用戶工程師則說明他的規格要求,希望兩個廠商相互兼容。要了解為何會發生事故及如何避免(或如何在關鍵應用中找出解決方案),首先需要了解發電機與負載的工作關系。

1發電機與負載

  發電機依靠電壓調節器控制輸出電壓。電壓調節器檢測三相輸出電壓,以其平均值與要求的電壓值相比較。調節器從發電機内部的輔助電源取得能量,通常是與主發電機同軸的小發電機,傳送DC電源給發電機轉子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降,控制發電機定子線圈的旋轉磁場或稱為電動勢EMF的大小。定子線圈的磁通量決定發電機的輸出電壓。

  發電機定子線圈的内阻以Z表示,包括感性和阻性部分;由轉子勵磁線圈控制的發電機電動勢用交流電壓源以E表示。假設負載是純感性的,在向量圖中電流I滞後電壓U正好90°電相位角。如果負載是純阻性的,U和I的矢量将重合或同相。實際上多數負載介于純阻性和純感性之間。電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量I×Z表示。它實際上是兩個較小的電壓矢量之和,與I同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降。在本例中,它恰好與U同相。因為電動勢必須等于發電機内阻的電壓降和輸出電壓之和,即矢量E=U和I×Z的矢量和。電壓調節器改變E可以有效地控制電壓U。

  現在考慮用純容性負載代替純感性負載時,發電機的内部情況會發生什麼變化。這時的電流和感性負載時正好相反。電流I現在超前電壓矢量U,内阻電壓降矢量I×Z,也正好反相。則U和I×Z的矢量和小于U。

  由于和感性負載時相同的電動勢E在容性負載時産生了較高的發電機輸出電壓U,所以電壓調節器必須明顯地減小旋轉磁場。實際上,電壓調節器可能沒有足夠的範圍來完全調節輸出電壓。所有發電機的轉子在一個方向連續勵磁含有永久磁場,即使電壓調節器全關,轉子仍有足夠的磁場對電容負載充電并産生電壓,這種現象稱為"自激"。自激的結果是過壓或者是電壓調節器關機,發電機的監控系統則認為是電壓調節器故障(即"失勵")。這任一種情況都會引起發電機停機。發電機輸出端所接的負載,可能是獨立的,也可能是并聯的,決定于自動切換櫃工作的定時和設置。在某些應用中,停電時UPS系統是發電機接入的第一個負載。在其它情況下,UPS和機械負載同時接入。機械負載通常有啟動接觸器,停電後重新閉合需要一定時間,補償UPS輸入濾波電容器的感性電動機負載要有延時。UPS本身有一段時間稱為"軟啟動"周期,将負載從電池轉向發電機,使其輸入功率因數提高。然而,UPS的輸入濾波器并不參與軟啟動過程,他們連接在UPS的輸入端是UPS的一部分,因此,在某些情況下,停電時首先接到發電機輸出端的主要負載是UPS的輸入濾波器,它們是高容性的(有時是純容性的)。

  解決這一問題的方法很明顯要用功率因數校正。這有多種方法可以實現,大緻如下:

  安裝自動切換櫃,使電動機負載先于UPS接入。某些切換櫃可能不能實現這種方法。另外,在維護時,工廠工程師可能需要單獨調試UPS和發電機。

  增加一個永久性反應電抗來補償容性負載,通常使用并聯纏繞電抗器,接在E-G或發電機輸出并聯闆上。這是很容易實現的,而且成本較低。但是無論在高負載還是在低負載的情況下,電抗器總是在吸收電流并影響負載功率因數。而且不論UPS的數量多少,電抗器的數量總是固定的。

  在每一台UPS中加裝感性電抗器,正好補償UPS的容抗。在低負載情況下由接觸器(選件)控制電抗器的投入。此方法電抗器較精确,但數量較大且安裝和控制的成本高。

  在濾波電容前安裝接觸器,在低負載時斷開。由于接觸器的時間必須精确,控制比較複雜,隻能在工廠安裝。

  哪一種方法是最佳的,要根據現場的情況和設備的性能來确定。

2共振問題

  電容自激問題可能被其他電氣狀态所加重或掩蓋,如串聯共振。當發電機的感抗的歐姆值和輸入濾波器容抗的歐姆值相互拉近,并且系統的電阻值較小時将産生振蕩,電壓可能超出電力系統的額定值。新近設計的UPS系統實質上為100%的電容性輸入阻抗。一台500kVA的UPS可能有150kvar的電容和接近于0的功率因數。并聯電感、串聯扼流圈和輸入隔離變壓器是UPS的常規部件,這些部件都是感性的。事實上他們和濾波器的電容一起使UPS總體表現為容性,可能在UPS内部已經存在一些振蕩。加上連到UPS的輸電線的電容特性,整個系統的複雜性大為提高,超出了一般工程師所能分析的範圍。

  近來在關鍵應用中兩個附加因素使得這些問題更普遍。首先,根據用戶高可靠數據處理的要求,計算機設備廠商在其設備中更多地提供冗餘電源輸入。現在典型的計算機櫃都帶有兩個或更多電源線。其次,設備經理要求系統支持在線維護,他們希望在UPS關機維護時關鍵負載也有保護。這兩個因素使得典型數據中心UPS的安裝數量增加,每台UPS的負載容量減少。但是發電機的增加沒有與UPS保持一緻。在設備經理的眼中發電機通常是備用的,容易安排維護。另外在一些大的項目中資金壓力限制昂貴的大功率發電機組的數量。結果是每台發電機帶更多的UPS,這是一個令UPS廠商高興發電機廠商煩惱的趨勢。

  對自激和振蕩的最佳防衛是物理學的基本知識。工程師應仔細地确定UPS系統在所有負載條件下的功率因數特性。UPS設備安裝後,業主應堅持全面的測試,在調試驗收時仔細測量整個系統的工作參數。當發現問題時,最佳的方案是成立由廠商、工程師、承包商和業主組成的項目小組,對系統進行完全測試并找出解決辦法。

3典型案例

  以下是一個UPS和發電機兼容性問題的案例,一個在線服務供應商的新建數據中心在調試運行時發生的。它表明廠商、工程師和用戶如何發現并解決問題的。

  現場裝有3套MGEUPS3000kVA系統,每一套由4台75kVAIGBT調寬調頻模塊組成,可擴展到6台。模塊的設計負載率是65%,UPS模塊配有輸入隔離變壓器和最大5%輸入電流諧波濾波器。所有的模塊分别連到兩組發電機并聯總線,每組總線有3台1600kW的發電機,可以擴展到6台。每台發電機都配有電子調壓器。每條并聯總線的電源轉換計劃是,在第一批負載接入前,等待兩台發電機并聯。第一批負載包含每套系統中的一台UPS和部分空調負載。随着後續發電機的并入,與第一批相同的負載随後加入。在故障模式測試中操作員發現,帶第一批負載的兩台發電機中有一台故障時,另一台将出現過壓報警并于2s後關機。但是第一批負載遠低于一台發電機的容量,因為此時UPS的負載很輕。随即安排了進一步的測試,以确定UPS對單台發電機的影響。因為首先懷疑的是UPS的輸入環節對調壓器的幹擾,因此測試的UPS不帶負載,或UPS的逆變器關閉。測試裝置包括直流電壓和電流表,直接監測場激勵線圈,因為這些參數由調壓器控制,可以立即反映出調壓器的動作。同時用發電機本身的儀表監測負載的功率(W)、電流電壓(VA)、乏(var)。

  首先用純阻性負載進行測試以建立基準。它表明随着負載增加勵磁電流和電壓上升,如我們所預期。較大的負載電流在發電機内阻Z上産生較大的壓降I×Z,必須克服它以保持輸出電壓U穩定。接着測試UPS對發電機的影響,每次增加一台。UPS不帶負載,觀察UPS整流器軟啟動過程。測試結果很明顯調壓器的動作和純阻性負載時相反。接入兩台UPS後,調壓器已接近允許範圍的邊緣,再加一台使得發電機2s後進入過載狀态。

  請注意單台750kVAUPS對應的負載值。它造成發電機關機實質上卻沒有真實負載,每台UPS接近230kvar的容抗使得功率因數為0。

  由工程師、業主、承包商、供貨商和廠商組成的項目小組,在考慮了所有的可能性後,選擇了在每個容性負載上安裝反應電抗器的方案。根據前面測試的數據,廠商為每台UPS設計了200kvar并聯電抗器,并由接觸器控制,承包商在現場将其與UPS的輸入濾波器并聯安裝,工程師設計了外部控制電路,它測發電機的負載,僅當UPS由發電機供電且發電機的總kW負載低于一個(可調)設定值時,才允許電抗器接入。項目小組用修改後的UPS接入一台發電機重新測試。

  這時電容的影響依然存在,電抗器隻能平衡部分而不是全部電容。因此,随着UPS的增加,勵磁電流慢慢減少,然而這并不會造成問題。因為6台UPS已超出一台發電機的容量,而調壓器依然正常并控制着輸出電壓。


金沙發電機維修組與UPS配套使用時存在的問題


  有研究表明,UPS系統通過整流器/充電器從交流配電系統獲得電力,對于前端的配電系統而言,UPS系統是一個會引起正弦波波失真的非線性負載。發電機較高的内阻(比變壓器高2~3倍)增加了諧波的副作用。當金沙發電機維修與UPS配合使用時,對金沙發電機維修而言容易出現産生以下異常現象或者故障:

1

電壓振蕩

  反饋的波動電壓會造成發電機輸出電壓振蕩範圍達±10%~±20%。當調整AVR達到最佳時,振蕩仍>2%。

2

電流振蕩

  在UPS負載穩定的情況下,發電機輸出電流擺動範圍仍達±20%~±50%,并且這種擺動無法調整。

3

頻率漂移

  頻率振蕩範圍在±5%以内,會導緻UPS頻繁切換,造成金沙發電機維修負載有規律的忽大忽小,從而使發電機的電壓、工作噪聲也有規律地忽大忽小,加大輸出電壓的不穩定。同時發電機組的震動加劇,加速了機械磨損,甚至機件損壞。

4

UPS引起的諧波的治理方法

  所有造成正弦波波形失真的負載,稱之為非線性負載并且都會引起諧波。UPS系統作為非線性負載産生的諧波對金沙發電機維修的運行會産生很大的危害。

5

消除諧波

  使用濾波器或有源諧波調節器來部分或全部地消除諧波。

6

接受并允許諧波的存在

  在實際應用中,若UPS負載相對金沙發電機維修組的其他負載來說相對小很多,也就是說UPS功率比發電機組的功率小很多,在功率比為1:(2~5)時,UPS系統産生的諧波可不采用濾波措施。

7

額定功率比情況

  某雷達站所配備的UPS電源和金沙發電機維修組兩者的額定功率比為1:2.5,UPS系統産生的諧波應該在金沙發電機維修組的承受範圍之内。同時考慮到該型号的UPS電源和金沙發電機維修組之前在我省其他雷達站已多次配套使用,沒有出現UPS的諧波副作用影響到金沙發電機維修組穩定工作的現象,因此我們判斷某雷達站金沙發電機維修組遊車現象應該不是主要由UPS諧波的副作用引起的。

8

初步判斷

  從前面檢查的情況看,金沙發電機維修組不論是在空載或者是負載的情況下,其轉速和頻率都偏高。當雷達在做立體掃描觀測時,每完成一個仰角的掃描會關掉高壓,等天線到達下一個指定方位、仰角時,又重新加上高壓(時間間隔不到1秒),從配電櫃上可以明顯看出,這時電流有15A左右的起落。由于金沙發電機維修組的轉速和頻率都偏高,當其負載突然起落時,其輸出的交流電電壓、頻率振蕩有可能超出UPS的适應範圍。當UPS設備檢測到發電機輸出電壓瞬間在控制範圍内外漂移,瞬間給出分合信号,反映到發電機的CB闆(核心控制電路闆),核心控制命令發動機的噴射泵增減油量,以保證工作的穩定。但是,由于是瞬間的分合、反饋,當這種切換頻繁出現,會導緻UPS頻繁切換,反過來造成金沙發電機維修負載有規律的忽大忽小,從而使發電機的電壓、工作噪聲也有規律地忽大忽小,發電機組的震動加劇,造成整個控制過程的惡性循環,最終導緻遊車現象發生。



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