浅论无功保护参数在通信用柴油机和UPS匹配中的重要性

2014-05-10王铭祥杨育栋

通信电源技术 2014年1期

王铭祥，杨育栋

（1.中国电信股份有限公司绍兴分公司网络操作维护中心，浙江绍兴312000；2.浙江邮电职业技术学院，浙江绍兴312016）

1 前言

通信机房常用柴油发电机组作为市电的备用电源，以保障市电停电时电源设备的不间断供电。在通信电源系统中采用柴油发电机组，可以避免通信电源系统通过使用庞大的电池组来获得较长的后备时间。随着IDC机房的快速发展，机房重要的交流负载逐步增多，UPS系统在通信电源中的比重也越来大，如何将柴油发电机组和UPS系统可靠的组合使用，提高交流供电系统的连续性和可靠性是一个很重要的课题。若两者匹配不当常见的故障现象可能有：发电机输出电压振荡、输出电压畸变严重、输出频率漂移严重（超过5%），进一步会导致UPS因输入电压过高损坏；旁路电压畸变和频率漂移在UPS故障时负载无法转旁路，蓄电池频繁放电等。本文将主要探讨柴油发电机组和UPS系统的匹配问题。

2 UPS电源系统无功功率情况案例

首先来分析下面一个真实的案例：

某数据中心机房一台2 550 kVA柴油发电机组，带有两套“2＋1”的500 kVA艾默生UPS系统。在某一次对UPS软件升级过程中（升级时需要UPS工作在维修旁路），为了保证维修时外电的更安全可靠，决定采用油机供电模式。在发电机组启动正常，带载正常（负荷为1 488 kW）的情况下，对其中一套UPS系统进行主路转维修旁路操作，该套UPS所带服务器直接由油机电供电，不久出现了发电机组停机故障，当时1号UPS处于维修旁路供电状态，出现负载掉电事故；2号UPS处在主回路供电状态，进入电池放电状态；发电机组故障停机，故障名为LOSS OF EXCITATION FAULT（励磁丢失）。

根据柴油发电机的输出阻抗特性分析，柴油发电机组是否能正常运行，主要取决于其输出阻抗是否与负载匹配。发电机依靠电压调节器控制输出电压，电压调节器检测三相输出电压，以其平均值与设定的电压值相比较。调节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励磁发电机，经整流器整流后给发电机转子的磁场励磁线圈。线圈电流上升或下降，控制发电机转子线圈的磁场，从而控制转子输出电动势（EMF）的大小。

图1所示为发电机输出等效电路。

图1（a）为带纯感性负载的简化示意图。

图1（b）为带纯容性负载的简化示意图。

图1 发电机输出等效电路

在图1（a）中：E：电动势EMF；Z：发电机内阻，包括感性和阻性成分；I：感性负载电流；U：发动机输出电压。

内阻Z包括感性和阻性两部分。假设负载是纯感性的，在相量图中电流I滞后电压U 正好90°相位角。如果负载是纯阻性的，U和I的矢量图曲线将重合（或同相）。实际使用中多数负载介于纯阻性和纯感性之间。

电流通过定子线圈引起的电压降用电压矢量IZ表示。它实际上是与I同相的电阻压降和超前90°的电感压降的矢量和，因为电动势必须等于发电机内阻的电压降和输出电压之和，则E＞U，电压调节器改变E，可以有效地控制输出电压U。

图1（b）中，用纯容性负载代替纯感性负载，在这种情况下，输出电流方向正好和感性负载时的相反。电流I超前电压U正好90°的相位角，内阻电压降矢量IZ的方向也相反。则U和IZ的矢量和E＜U。

对于与感性负载时相同的电动势E，在容性负载时就产生了较高的发电机输出电压U，所以电压调节器必须明显地减小定子线圈的磁场。

若容性负载过大，电压调节器可能没有足够的调节范围来调节输出电压。因为发电机的转子含有一个永久性磁场，该永久性磁场将在一个方向连续励磁，即使电压调节器完全关闭，转子永久性磁场连续励磁产生的电动势仍足以对电容负载充电并产生电压，这种现象称为“自激”。自激的结果是过压或者是电压调节器关机，柴油发电机的监控系统则认为是电压调节器故障（励磁丢失），这两种情况都会引起发电机停机。

由于容性负载可能是导致柴油发电机组出现“励磁丢失”故障的重要因素，让我们来计算以上案例中的容性负载情况。故障时，油机所带负载为1号和2号UPS，其中1号UPS切换至旁路／维修旁路供电，2号UPS主路供电。取1号UPS的输出端（输出屏）的无功功率、2号UPS输入端（二次配电侧）的无功功率、UPS空载产生的无功功率，三者无功功率皆为容性，求和得出发电机组当时所带的容性无功功率。市电恢复后，从动环系统中导出1号UPS旁路无功数据如表1所示。

表1 1号UPS旁路无功功率（容性）

在二次配电侧，取得2号UPS的无功数据如表2所示。

根据厂家提供该型号单台UPS空载时无功功（容性）约为30 kvar。

3 解决无功保护问题的对策思路

为避免此类故障的产生，可采用的办法通常有：（1）适当的提高柴油发电机组功率，提高柴油发电机组输出无功功率的能力。

（2）在柴油发电机组输出安全性允许的条件下，尽可能的调高柴油发电机的无功保护阀值。

针对第一点，需要注意的一个问题是，不能无限度的提高柴油发电机组的功率，一个是投资因素，还有如果柴油发电机机在小负荷下长期工作，气缸内温度较低，正常进入气缸内的润滑油不能完全燃烧，而燃油也不能充分燃烧，造成活塞环处、喷油嘴处积炭严重，气缸磨损加剧，因而使柴油发电机组更容易发生故障，反而降低了柴油发电机组的工作可靠性。一般情况柴油发电机组要求负载最好在60%～70%额定负载的情况下工作。根据此数据，计算案例中两套“2＋1”500 kVAUPS系统需要的柴油发电机组功率如下。

如果UPS的负荷率为80%，系统为两套“2＋1”的500 kVA UPS，根据厂家系统参数，单台UPS最多输出450 kW的有功功率，那么系统满载的情况下将会有2×2×450×80%＝1 440 kW，逆变器效率假设取95%，充电功率为UPS额定容量的15%～25%，输入功率因数0.95，假设发电机组带载率控制在70%，则柴油发电机组至少所需容量为：（1440／0.95＋1440／0.95×0.25）／0.95／0.7≈2 850 kVA。此案例中选用了功率为2 550 kVA的柴油发电机组，充电时油机带载率达到了80%，所选油机容量明显偏小。