上海伊藤發(fā)電機(jī)有限公司
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伊藤柴油發(fā)電機(jī)和UPS的協(xié)作、選型
隨著IT技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)的業(yè)務(wù)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(yùn)行時(shí)，往往要采用大功率UPS和柴油發(fā)電機(jī)組組成安全的供電系統(tǒng)。一般實(shí)現(xiàn)方法是發(fā)電機(jī)作為市電的備用電源，在斷電的情況下，由自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(ATS)將UPS、機(jī)房空調(diào)、應(yīng)急照明等設(shè)備的輸入由市電切換到發(fā)電機(jī)，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(jī)組自動(dòng)化程度高，更要求發(fā)電機(jī)必須適應(yīng)UPS這一非線性負(fù)載的特性，使其在無市電的情況下保證UPS對負(fù)載可靠供電。許多行業(yè)機(jī)房管理辦法中明確提出機(jī)房須配備備用發(fā)電機(jī)，要求其設(shè)計(jì)容量須能夠滿足機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行要求，并有適當(dāng)余量。但在實(shí)際選配和使用發(fā)電機(jī)過程中，由于發(fā)電機(jī)容量不足或維護(hù)不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)真正市電停電時(shí)，發(fā)電機(jī)卻不能正常工作的情況，本文就大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組選配、與UPS的匹配關(guān)系、發(fā)電機(jī)的使用維護(hù)要求做一簡要介紹，以期用戶在選購、配套柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)作為參考。
1、大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房對發(fā)電機(jī)組的要求
發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電能的轉(zhuǎn)換設(shè)備。當(dāng)前，性能優(yōu)良的柴油發(fā)電機(jī)是一個(gè)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(jī)組主體主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)三部分組成。其中與現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組配套的同步交流發(fā)電機(jī)由于性能及結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，普遍采用自勵(lì)恒壓型式，通常選用自激式同步交流發(fā)電機(jī)和PMG(永磁式)激勵(lì)式同步交流發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)組的主要性能參數(shù)應(yīng)滿足：
?、匐妷赫{(diào)整率：當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)(滯后)～1、負(fù)載空載至滿載變化、從冷機(jī)到滿機(jī)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);
?、陬l率調(diào)整率：負(fù)載從0～*范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定不變;
?、垭S機(jī)頻率波動(dòng)：負(fù)載從0～*功率任何值，隨機(jī)頻率波動(dòng)率zui大值為±5%;
?、茈妷翰ㄐ危弘娐烽_路(空載)，zui大總波形畸變%，三相平衡負(fù)載zui大總波形畸變?yōu)?%。
2、發(fā)電機(jī)組在使用中容易產(chǎn)生的問題
大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房一般采用“市電-發(fā)電機(jī)-UPS并機(jī)系統(tǒng)”組成的供電系統(tǒng)。通常前級供電系統(tǒng)的容量應(yīng)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(jī)組的容量，實(shí)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(jī)啟動(dòng)前UPS啟動(dòng)電池放電，需補(bǔ)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(jī)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(jī)組。但實(shí)際上，這并不能保證停電后柴油發(fā)電機(jī)組能夠順利啟動(dòng)并向UPS供電。同時(shí)由于大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)負(fù)載還包括機(jī)房空調(diào)、應(yīng)急照明、消防電梯等，這些負(fù)載啟動(dòng)或運(yùn)行時(shí)都會(huì)對發(fā)電機(jī)引起振蕩和干擾。當(dāng)組成“市電-發(fā)電機(jī)-UPS”供電系統(tǒng)時(shí)，盡管發(fā)電機(jī)的負(fù)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(jī)投入運(yùn)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(jī)-UPS系統(tǒng)不能正常工作的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：
(1)負(fù)載反饋的波動(dòng)電壓，造成發(fā)電機(jī)的輸出電壓穩(wěn)定度很差，常出現(xiàn)發(fā)電機(jī)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(jī)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(gè)過零點(diǎn);
(3)發(fā)電機(jī)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(dǎo)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(jī)組由于負(fù)載有規(guī)律的忽大忽小，造成其工作也忽強(qiáng)忽弱，機(jī)組振動(dòng)加劇，加速機(jī)械磨損，甚至機(jī)件嚴(yán)重?fù)p壞。頻率振蕩*特征之一，即柴油機(jī)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(jī)啟動(dòng)和電梯升降的瞬間會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)生±5HZ頻率漂移，造成UPS頻繁切換，當(dāng)頻率、電壓振蕩變化超出UPS輸入工作范圍時(shí)，UPS由蓄電池供電，而發(fā)電機(jī)在無UPS負(fù)載時(shí)恢復(fù)正常，隨即UPS又自動(dòng)投入以至交錯(cuò)進(jìn)行。頻率漂移會(huì)對UPS正常運(yùn)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(dāng)旁路電源由發(fā)電機(jī)提供時(shí)，頻率會(huì)發(fā)生快速的變化，當(dāng)頻率變化超出預(yù)先設(shè)定的極限值時(shí)，逆變器頻率變化就跟不上旁路電源的頻率變化。這時(shí)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(huì)發(fā)出警示性告警，逆變器仍繼續(xù)提供電源給負(fù)載。
②電池壽命縮短。前面提到瞬間的大負(fù)載波動(dòng)可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)頻率產(chǎn)生±5Hz的漂移，這將導(dǎo)致SCR(可控硅)整流器的驅(qū)動(dòng)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(dòng)進(jìn)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(yán)重的情形會(huì)將電池能量全部放光，中斷電源輸出。
3、發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定原因分析
在“市電-發(fā)電機(jī)-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，zui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(dòng)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(huì)通過發(fā)電機(jī)定子線圈的感性內(nèi)阻，由于發(fā)電機(jī)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(jī)更易受到非線性負(fù)載的影響，即在同樣的負(fù)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(shí)UPS的諧波電流使發(fā)電機(jī)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(dǎo)線的電流趨膚效應(yīng)),并使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形失真度明顯增大，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的正常工作。
另外，負(fù)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(jī)組不能正常工作的主要原因。
例如某機(jī)房配置的發(fā)電機(jī)與雙變換在線式UPS并機(jī)系統(tǒng)，測量發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)帶載時(shí)負(fù)荷率達(dá)到70%、UPS輸入端電流波形失真度%、發(fā)電機(jī)負(fù)載功率因數(shù)為容性超前3時(shí)，發(fā)電機(jī)帶載時(shí)UPS會(huì)有“旁路電源相位超限,系統(tǒng)降級運(yùn)行,旁路不可用”等警示性報(bào)警信息,同時(shí)發(fā)電機(jī)無功功率顯示數(shù)據(jù)變化較大。
4、發(fā)電機(jī)組與UPS的配置
要改善備用發(fā)電機(jī)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(jī)的同時(shí)，應(yīng)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(jī)組的影響
根據(jù)UPS容量，一般配套發(fā)電機(jī)組的容量為UPS容量的2～倍。而事實(shí)上，UPS一般工作在50%～80%額定容量，而對發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)組更容易產(chǎn)生故障，增加了維護(hù)量，降低了發(fā)電機(jī)組的工作可靠性，其原因是:
?、俑鶕?jù)柴油機(jī)的特性，如果在小負(fù)荷下*工作，氣缸內(nèi)溫度較低，正常進(jìn)入氣缸內(nèi)的潤滑油不能*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(yán)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(jī)工作性能下降，排氣冒黑煙。
?、诓裼蜋C(jī)處于30%額定負(fù)載以下，經(jīng)濟(jì)性變差。
綜合各種因素，發(fā)電機(jī)組要求負(fù)載必須在60%以上額定負(fù)載的情況下工作，對柴油機(jī)較為有利。
(2)現(xiàn)代同步交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式的不同對負(fù)載的影響也不同
實(shí)際上UPS與發(fā)電機(jī)的功率比可在1:(1～)之間配套，其關(guān)鍵是要考慮發(fā)電機(jī)組中現(xiàn)代同步交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式。當(dāng)采用自激式同步交流發(fā)電機(jī)，其UPS功率與發(fā)電機(jī)組功率之比至少應(yīng)為1:(2～)，但仍不能排除發(fā)電機(jī)組不受UPS的影響，當(dāng)采用永磁式發(fā)電機(jī)時(shí)，功率比可取1:(～5)，即可保證發(fā)電機(jī)組正常工作。
(3)發(fā)電機(jī)組與UPS的選型問題
?、俦M可能選擇內(nèi)阻小的發(fā)電機(jī)組。
?、诎l(fā)電機(jī)組的穩(wěn)壓勵(lì)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(jī))激勵(lì)式。
?、蹜?yīng)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(fèi)效比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于增加油機(jī)的容量。和油機(jī)匹配，按照業(yè)界通用的UPS整流技術(shù)，運(yùn)行zui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(yīng)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(yīng)具有斜坡啟動(dòng)功能，保證整流器在發(fā)電機(jī)上逐漸啟動(dòng)，啟動(dòng)過程應(yīng)持續(xù)大約10秒鐘;當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)，整流器應(yīng)可以通過一個(gè)輔助開關(guān)逐漸斜坡停止，從而避免干擾其它負(fù)載，防止發(fā)電機(jī)飛車。
⑥ UPS還應(yīng)具有延時(shí)啟動(dòng)的功能，防止所有負(fù)載在發(fā)電機(jī)上同時(shí)啟動(dòng)，造成發(fā)電機(jī)過載，延遲時(shí)間為0～255秒。
?、?UPS應(yīng)具有發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的第二級充電限流，防止由于發(fā)電機(jī)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(yīng)為0～C10可調(diào)。
由上可見，發(fā)電機(jī)與UPS配合的好壞或兼容性，主要取決于發(fā)電機(jī)輸出阻抗和UPS的輸入電流失真度。在發(fā)電機(jī)組與UPS的配套中，其功率比*可以做到1:1，而在發(fā)電機(jī)組的選型上，不但要考慮到功率配套適宜，更應(yīng)了解發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁型式，以便能適應(yīng)UPS(非線性負(fù)載)而正常工作。
大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房考慮到市電中斷時(shí)，發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載包括UPS(計(jì)算機(jī)類設(shè)備)、空調(diào)、應(yīng)急電源、消防電梯等設(shè)備，對發(fā)電機(jī)啟動(dòng)干擾較大，一般建議發(fā)電機(jī)配備容量至少應(yīng)滿足所有負(fù)載總功率要求，并留有30%～40%的余量。
5、發(fā)電機(jī)組的使用與維護(hù)
為確保發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，日常運(yùn)行維護(hù)和快速的故障排除至關(guān)重要。發(fā)電機(jī)組的不同，維護(hù)、檢修內(nèi)容、步驟、方法有所區(qū)別，一般應(yīng)按照發(fā)電機(jī)組保養(yǎng)要求和本單位制定的維護(hù)計(jì)劃進(jìn)行。主要包括：
(1)定期檢查項(xiàng)目：定期測量發(fā)電機(jī)電池組的電壓及內(nèi)阻情況，并進(jìn)行記錄;定期檢查空氣過濾器、冷卻液液位、驅(qū)動(dòng)皮帶、排煙系統(tǒng)、燃油液位、機(jī)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(jī)組保養(yǎng)要求及時(shí)更換機(jī)油、三濾、啟動(dòng)電池及冷卻液。
(3)定期由供應(yīng)商對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行檢測并出具報(bào)告
(4)定期(至少一個(gè)季度)進(jìn)行發(fā)電機(jī)組空載、帶載測試
柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)的故障,應(yīng)該保持頭腦冷靜,有步驟有目的地進(jìn)行檢查與分析,切不可手忙腳亂盲目檢查,胡亂拆卸,應(yīng)根據(jù)故障的異常征兆、跡象、響聲、出現(xiàn)時(shí)機(jī)、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(jìn)行細(xì)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(yīng)從簡到繁,由表及里,按系統(tǒng)部位分段進(jìn)行。
對于由“市電-發(fā)電機(jī)-UPS”組成的供電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組本身的故障一般都由廠家、供應(yīng)商專業(yè)技術(shù)人員完成，對于實(shí)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(jī)器本身故障外，還應(yīng)考慮其他原因，例如發(fā)電機(jī)輸出電壓過高或過低時(shí)應(yīng)檢查負(fù)載狀況，是否由負(fù)載不平衡引起;發(fā)電機(jī)工作頻率不穩(wěn)定時(shí)應(yīng)檢查是否負(fù)載太大
