柴油發(fā)電機和UPS 是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中的兩大核心設(shè)備,當(dāng)市電停電時,柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)將為數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施供電,二者的兼容性直接影響著整個數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的可用性。然而,當(dāng)前國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中,UPS 和柴油發(fā)電機之間卻存在一些不兼容的問題。
UPS 容性特性是導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障的重要原因。本文通過研究 UPS 的容性特性和柴油發(fā)電機穩(wěn)態(tài)帶載能力,給出了 UPS容性特性導(dǎo)致柴油發(fā)電機帶載失敗的原因,并提出了考慮 UPS 容性特性時的柴油發(fā)電機-UPS 容量配比依據(jù)。
諧波畸變是影響數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)兼容性的重要因素。通過分析諧波畸變對整個柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)的影響機理,本文推導(dǎo)得出了計算柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)中總諧波電壓畸變的相關(guān)公式,以及考慮諧波畸變因素時,柴油發(fā)電機與 UPS 之間的容量配比關(guān)系。從而為解決由諧波畸變導(dǎo)致的系統(tǒng)不兼容問題提供了方法。
低頻振蕩也是影響柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)兼容性的關(guān)鍵因素。在某些情況下,當(dāng)柴油發(fā)電機給 UPS 供電時,在柴油發(fā)電機和 UPS 的系統(tǒng)接口處會出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象。
一、數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)及其可用性
數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中最重要的子系統(tǒng),所有的IT設(shè)備以及基礎(chǔ)設(shè)施中的制冷、管理、安全等子系統(tǒng)都在供電系統(tǒng)的支持下運行。保證連續(xù)不間斷的電力供應(yīng)已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)必不可少的功能,目前的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)如圖 1-1 所示,其主要構(gòu)成如下:
(1)備用電源為了保證數(shù)據(jù)中心供電可靠,在重要的數(shù)據(jù)中心都設(shè)置了雙電網(wǎng)供電系統(tǒng),其中一路市電正常時由其給負載供電,另一路市電作為交流備用電源。此外發(fā)電機組也作為交流備用電源。而當(dāng)兩路市電和發(fā)電機全部停止供電時,蓄電池也可作為直流電源給負載供電。
(2)電源轉(zhuǎn)換設(shè)備供電系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備包含自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、UPS不間斷電源以及靜態(tài)旁路開關(guān)。
(3)配電設(shè)備供電系統(tǒng)中的配電設(shè)備主要包括交流輸入配電、UPS輸入配電、負載機架排配電(列頭柜)以及機架配電等。無論是對政府部門、教育機構(gòu)、還是企業(yè),數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行都非常重要,數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)故障會造成數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器,交換機等設(shè)備斷電,進而引起企業(yè)數(shù)據(jù)中心信息資料的丟失和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的中斷并帶來重大的經(jīng)濟損失。
二、當(dāng)前柴油發(fā)電機和UPS 配合運行時存在的問題
當(dāng)市電因意外情況中斷供電時,UPS 會自動切換到電池模式即UPS整流器停止工作,UPS 逆變器把蓄電池儲存的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電源輸出給 IT 負載。與此同時,柴油發(fā)電機開始啟動,在柴油發(fā)電機順利啟動之后,即可將 UPS 接入到發(fā)電機輸出回路,由柴油發(fā)電機給 UPS 供電,如圖 2-1所示為柴油發(fā)電機給UPS 供電的結(jié)構(gòu)圖。
圖2-1柴油發(fā)電機給UPS供電結(jié)構(gòu)圖
然而,在將UPS 接入時,柴油發(fā)電機和 UPS 之間卻存在如下問題:
(1)柴油發(fā)電機的輸出電壓波形也即 UPS 的輸入電壓波形畸變嚴(yán)重,UPS 整流器無法正常工作,發(fā)電機繞組出現(xiàn)劇烈發(fā)熱現(xiàn)象。
(2)當(dāng) UPS 以輕載狀態(tài)接入發(fā)電機時,柴油發(fā)電機電壓突然升高,并最終導(dǎo)致系統(tǒng)因過壓保護和欠勵磁保護而停機。
(3)在 UPS 輸出側(cè)所接負載不變的情況下,UPS 的輸入電壓、輸入電流及母線電壓均出現(xiàn)振蕩。(本次不做介紹)
三、UPS 容性特性對兼容性的影響及解決方法
在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中,經(jīng)常會出現(xiàn)市電給UPS 供電時,UPS 能夠正常工作,而當(dāng)市電斷開并由柴油發(fā)電機給 UPS 供電時,柴油發(fā)電機和 UPS 均出現(xiàn)工作異常的情況。如柴油發(fā)電機輸出電壓突然升高,勵磁丟失,進而引起系統(tǒng)因過壓保護和欠勵磁保護而停機;并最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心停電宕機事故。
必須采取有效的措施,避免柴油發(fā)電機出現(xiàn)容性功率過載現(xiàn)象。為此,在數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機UPS 容量配比設(shè)計時必須考慮 UPS 的容性特性。為避免柴油發(fā)電機帶容性負載時出現(xiàn)過載,本文提出 2 種方法:
(1)合理設(shè)計柴油發(fā)電機與UPS 之間的容量配比關(guān)系
帶濾波器的工頻UPS 在空載時容性無功最大,隨著負載率的上升,輸入容性無功逐漸減小。高頻 UPS 隨著帶載率的上升,輸入容性無功功率變化不大。在有功功率為零時,柴油發(fā)電機能夠輸出的容性無功功率的最大值為S 。設(shè)工頻 UPS的在空載時的容性無功功率為 Q 1 ,高頻 UPS 最大的容性無功功率為 Q 2 ,則在設(shè)計柴油發(fā)電機和 UPS 容量配比時,必須分別滿足條件:
Q1<S Q2<S
(2)改變供電系統(tǒng)架構(gòu)
柴油發(fā)電機帶感性負載的能力要明顯強于帶容性負載的能力。有鑒于此,在進行數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)該創(chuàng)造必要的應(yīng)用條件,讓柴油發(fā)電機后端所接負載的總輸入功率因數(shù)值處于柴油發(fā)電機的感性工作區(qū)內(nèi),盡可能地避免或者減少使得它的后端所接負載的總輸入功率因數(shù)處于容性工作區(qū)的幾率,這樣的設(shè)計策略也可以解決由UPS 容性而導(dǎo)致的系統(tǒng)不兼容問題。
在各方面條件允許的情況下,應(yīng)該改變柴油發(fā)電機只給UPS供電的供電系統(tǒng)架構(gòu),而應(yīng)該采用讓柴油發(fā)電機給數(shù)據(jù)中心的一些感性負載如空調(diào)、風(fēng)機等一起供電的方式。從而使得柴油發(fā)電機后端所接負載的總輸入功率特性曲線進入柴油發(fā)電機的感性工作區(qū),其原理如圖3-1所示。
3-1供電系統(tǒng)架構(gòu)改變負載輸入功率特性原理圖
四、諧波畸變對兼容性的影響及解決方法
諧波畸變是影響數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中柴油發(fā)電機和UPS 兼容性的重要原因,當(dāng)供電系統(tǒng)中的 UPS 諧波電流過大時,經(jīng)常會引起柴油發(fā)電機-UPS系統(tǒng)工作異常,導(dǎo)致柴油發(fā)電機輸出電壓發(fā)生畸變,電樞繞組發(fā)熱嚴(yán)重,以及 UPS 整流器異常關(guān)機等故障。
(一)工頻UPS 輸入電流諧波特性分析
如圖4-1 所示為典型的工頻 6 脈沖 UPS 的主電路拓撲圖,其主要由輸入整流電路、輸出逆變電路、輸出濾波電路所組成。在整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,前端的三相全橋晶閘管整流裝置,中間的高頻逆變裝置,以及后端的輸出變壓器均可以引起系統(tǒng)中諧波電流畸變。但在整個系統(tǒng)中,由前端晶閘管整流器所引起的諧波畸變遠高于后者,所以通常認(rèn)為,由前者產(chǎn)生諧波電流是引起工頻 UPS 輸入電流諧波畸變的最主要的原因。
圖4-1工頻六脈沖UPS主電路拓撲圖
由于晶閘管屬于半控器件,即只能控制其開通,不能控制其關(guān)斷,故采用晶閘管整流器的工頻UPS 只能對母線電壓進行控制,而不能對輸入電流進行調(diào)節(jié),因此導(dǎo)致了工頻晶閘管整流電路輸入電流存在較高的諧波電流成分。
工頻十二脈沖UPS 原理與工頻六脈沖 UPS 相同,只不過其整流器由兩個六脈沖工頻晶閘管整流器并聯(lián)工作,構(gòu)成了十二脈沖整流器,且在整流器前端增加了三相三繞組變壓器。
(二)高頻UPS 輸入電流諧波特性分析
對于高頻UPS 而言,其輸入整流器通常為三相 Boost 型 PWM 整流器。如圖 4-2 所示為高頻 UPS 主電路結(jié)構(gòu),由于三相 PWM 整流器采用基于 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的矢量控策略,即把三相 PWM 整流器的交流輸入電流分解為直軸電流 i d 和交軸電流 i q 分別進行控制,并且通??刂平惠S電流 i q 為 0,以實現(xiàn)輸入電流能夠完全跟蹤輸入電壓,并獲得較高的功率因數(shù)。從而使得三相PWM 整流器輸入電流通常比較平滑,輸入電流波形接近正弦波,輸入電流諧波含量較低 。因此,采用三相 PWM 整流器的高頻 UPS 輸入電流波形質(zhì)量通常較好,當(dāng)其接入柴油發(fā)電機輸出回路,由柴油發(fā)電機供電時,其輸入電流諧波畸變對柴油發(fā)電機輸出電壓波形畸變的影響較小。
圖4-2高頻UPS主電路拓撲圖
為避免因UPS 諧波電流畸變而導(dǎo)致的柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)不能正常工作,在設(shè)計柴油發(fā)電機機和 UPS 的容量配比關(guān)系時必須考慮 UPS 的諧波電流畸變因素,才能保證柴油發(fā)電機 UPS 系統(tǒng)之間的兼容性。對于 UPS 來說,采用不同拓撲結(jié)構(gòu),其輸入諧波電流含量各不相同,如表 4-3 所示,且通常存在如下關(guān)系:6 脈沖整流(不帶濾波器)>12 脈沖整流(不帶濾波器)>6 脈沖整流(帶濾波器)>12 脈沖整流(帶濾波器)≈高頻整流。
表4-3 不同拓撲結(jié)構(gòu) UPS 滿載時輸入諧波電流畸變率典型值
(3)UPS與發(fā)電機的容量搭配(經(jīng)驗表)
因為柴油發(fā)電機的內(nèi)阻抗要比電網(wǎng)的阻抗大很多,因此當(dāng)柴油發(fā)電機給UPS 供電時,系統(tǒng)中的諧波電流畸變疊加在發(fā)電機輸出阻抗上而引起柴油發(fā)電機輸出電壓產(chǎn)生較大的諧波畸變,從而影響 UPS 整流器和發(fā)電機 AVR 的正常工作。所以,諧波電流畸變也應(yīng)該是設(shè)計容量配比時需要考慮到因素,必須保證在此容量配比下柴油發(fā)電機輸出電壓畸變不超過柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)正常工作允許的最大 THDU 值,柴油發(fā)電機容量才能滿足要求。
綜上所述,通過對數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中柴油發(fā)電機與UPS 兼容性問題的討論,本文得出了數(shù)據(jù)中心油機-UPS 容量配比選型的依據(jù)。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中柴油發(fā)電機與UPS搭配兼容問題及解決方案
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