广电机房自备发电机的容量匹配探讨

谢超 南京广播电视台

闫涛 奚晓轶 江苏省广播电视总台

1.前言

供配电系统是广播电视技术系统的重要组成部分。总局广播电视安全播出管理规定的各专业实施细则对广播电视中心、无线发射台、卫星地球站等技术系统提出了配置自备电源、关键设备采用 UPS供电等具体要求。自备电源一般采用柴油发电机，在外电长时间停电时，为UPS等设备提供交流输入电源。在实际使用中，当采用柴油发电机为UPS供电时，虽然供电负载在发电机额定容量范围内，仍会出现输出电压和频率不稳定等问题。本文通过对柴油发电机与 UPS负载匹配问题的分析研究，提出如何合理选择柴油发电机的功率容量，在确保供电安全可靠的前提下，达到最佳的配置经济性。

2. 机房供电系统

2.1 供电系统配置

图1 某机房供电系统框图

广电技术机房一般采用市电+发电机作为电源输入给UPS和其他负载供电。近年来，由于广播电视节目播出要求的不断提高，除去大部分的空调、照明等辅助设备，其他设备系统均采用了 UPS供电方式，因此，整个供电回路中的主要负载为 UPS设备。图1为某广电播出机房的供电系统框图。

按照设计要求，两路外电接入到不同路由的10KV市电路网，每台变压器容量为1250KVA。另配置一台300KVA的可自动启动的柴油发电机作为应急后备电源。正常情况下，供电方式为市电-UPS-负载。发生双路市电中断的时候，系统自动启动柴油发电机，此时供电方式为柴油发电机-UPS-负载。在市电中断至发电机开始供电的间隙，通过UPS自带的蓄电池组实现对重要负载的不间断供电。

2.2 实际使用情况

为减少单路市电停电对播出系统的影响，采用市电1和市电2分别为播出机房主用和备用系统供电的方式，在供电系统建设初期，每路市电需带载的 UPS容量共100 KVA。由于双路外电同时中断情况较少，在配置自备发电机时，考虑到使用效率和经济性，容量指标设计参照变压器容量的10%-20%估算，选择使用300 KVA的柴油发电机作为后备电源。

当双路外电同时中断时，启动柴油发电机后可以对市电1所带负载进行正常供电，保证播出系统的正常运行。随着播出设备的不断增加，UPS也在扩容更新。主路UPS总的容量增加到近260KVA。由市电对UPS系统进行供电时，整个播出系统仍可稳定运行。但是，当遭遇双路外电停电时，虽然总的负荷未超出柴油发电机的功率容量范围，此时自备柴油发电机却出现输出电压、电流和频率的不稳定现象，无法对播出系统进行正常供电。

3. 问题分析

通过对上述供配电系统相关配置和运行数据的分析，可以确定的是，导致柴油发电机无法正常提供稳定输出的主要原因是柴油发电机的容量不足。

系统设计使用初期，柴油发电机和UPS容量比为3:1（300KVA发电机带载100KVA UPS），柴油发电机的非线性负载占比较小，因此系统可以稳定运行。而当UPS的容量增加后，柴油发电机和UPS容量比变成了1:0.87（300KVA发电机和260KVA UPS），虽然负载功率没有超过柴油发电机的功率容限，但主要负载为UPS，负载呈现明显的非线性特征。柴油发电机带电阻型负载时，具有较好的稳定性。但是，当负载是非线性时，则会引起柴油发电机输出的不稳定，导致励磁丢失、过压故障而保护停机。

工频UPS普遍采用滤波器来改善输入电流的波形和提高输入侧的功率因素，因此，对外均呈现出容性负载特性。在不同负载率下，容性负载特性有着明显差别，负载越轻容性表现越强[1]。

高频UPS的输入整流器采用高频全控器件IGBT整流，输入畸变电流小，不需要额外的滤波器进行滤波。但是，由于高频开关会带来电磁兼容问题，所以需要在输入端加入无极性的薄膜电容进行高频滤波，这也会导致 UPS呈现一定的容性负载特性[2]。

广播电视技术系统设计时，由于 UPS 1+1冗余备份的需求，单路故障时另一路需要有能力承担所有负荷，因此 UPS负载率大多设计为30%左右，由于负载较轻，负载容性特征明显，更易引起发电机输出异常。

尤其是外电中断后柴油发电机启动的瞬间，开关电源类负载不再处于正常工作状态，而是处于重新启动过程，开关电源重启过程中基本是电容充电的过程，而这个时候柴油发电机所带的负载会呈现很强的容性负载特性[2]。

如果UPS等非线性负载较大而发电机组容量又较小时,这种危害就更明显，发电机组在出现频率或电压异常的同时还会出现严重的机械共振现象，造成发电机机械部分的老化磨损，导致发电机发生故障。

同样，UPS因检测到电压或频率超出范围而会自动关断整流器，静态旁路开关也因无法同步不会切换，此时由UPS的电池组给负载供电，直至整流器恢复正常运行。重复多次的循环放电将会大大缩短电池的使用寿命。极端情况下，可能导致蓄电池组的电量放光，UPS输出全部中断。

4. 解决方法

解决柴油发电机与UPS组合匹配问题，是确保后备电源系统安全运行的关键。根据上面的问题分析，要使柴油发电机为 UPS提供稳定可靠的供电，需要通过提高柴油发电机带载能力，增加感性负载，调整开关电源启动顺序等方法，达到柴油发电机与UPS的良好匹配，确保自备电源系统的安全运行。

4.1 选择合适的发电机励磁方式

发电机的励磁工作方式主要分为自激式同步交流发电机和永磁发电机（PMG）。 前者AVR（自动电压调节器）的励磁能量和检测信号均来自发电机的电枢绕组；后者只有AVR的检测信号来自发电机的电枢绕组，励磁能量与发电机电枢绕组的电势波波形畸变无关。所以，自激式同步交流发电机更易受到负载特性特别是非线性负载的影响， 因此选用PMG（永磁）发电机能更好适应 UPS的可靠运行。目前，采用自激式励磁方式大多是100KVA以下的柴油发电机，而100KVA以上的柴油发电机多采用PMG（永磁）发电机。

4.2 合理配置发电机的容量

研究表明，自激式发电机与UPS的容量比一般选择（2～2.5）：1；而采用PMG（永磁）的发电机，柴油发电机与UPS容量比选择（1.3～1.35）：1就可保证供电系统的可靠运行[3]。

UPS在正常的运行中，不仅需要承担负载所需的供电，而且还需要对自身的蓄电池组进行充电。充电功率大约为UPS最大输出功率的10%-15%，再加上UPS自身的功率损耗，整机效率一般约为90%左右。因此，在计算柴油发电机的UPS负载时，还需要考虑UPS的充电功率和整机效率等因素。

举例来说，柴油发电机需要带载的UPS额定容量共260KVA，满载输出功率约208KW。假设UPS效率为90%，充电功率为UPS额定容量的15%左右，输入功率因数为0.9，容量比选择2:1，则所需柴油发电机容量为：

由于发电机系统设施的建设较为复杂，且发电机的使用寿命较长，考虑到今后新增的供电需求，可选择功率容量为800KVA以上的柴油发电机。

4.3 优化供电系统架构

柴油发电机的特性决定于其带纯阻性负载的能力要强于带容性负载，因此可以在 UPS供电的同时，适当增加空调、风机等感性负载，使容性和感性负载的特性进行互补，从而功率因数得到优化。

柴油发电机启动时，分时控制变压器、开关电源、UPS等各类负载的加载顺序，降低对发电机的负荷冲击，使柴油发电机电压电流可尽快稳定输出。

4.4 选用适配性好的UPS

在UPS选型时，根据发电机的带载特性，有针对性地选择具备旁路锁相频率范围和逆变器同步速率可调等功能的UPS，可以减少发电机频率漂移对UPS正常工作的影响。由于采用12脉冲整流器的UPS相比于6脉冲整流器的UPS，使用的滤波电容较少，因此选择前者，UPS呈现的容性负载较小，可以更好地适配发电机的供电方式，从而提高整个供电系统的运行可靠性。

5. 结语

随着广播电视机房中系统设备的不断增加，原有的柴油发电机可能和UPS无法良好匹配，需要更换的情况会越来越多。但是，一味地更换大功率柴油发电机来提高UPS等非线性负荷的带载能力，并不是最佳的选择，导致柴油发电机组的容量不能充分利用，造成设备投资的浪费。尤其是实际负载在发电机容量30%以下时，柴油发电机组容易产生管路积碳等故障，增加了维护量，降低了发电机组的工作可靠性。 需要综合考虑负载特性，选择合适的发电机类型，并通过有效的运维管理手段提高发电机的带载能力。

[1] 唐璐、李欣，柴油发电机组和UPS系统的匹配问题，不间断电源，2008.2

[2] 张泽龙，数据中心供电系统中柴油发电机与UPS兼容性研究，哈尔滨工业大学硕士学位论文，2015年6月

[3] 侯建军，大功率UPS与柴油发电机配套使用带来的问题及解决办法，UPS应用，2012年1月（总第127期）