某数据中心柴油发电机组并机异常的原因分析

2020-08-19尹国强

通信电源技术 2020年10期

尹国强

（中国民用航空华北地区空中交通管理局，北京 100000）

0 引言

柴油发电机组是数据中心必备的应急电源。当市电发生断电时，发电机组立即启动，通过ATS转换开关将发电机输出电源切换至供配电系统，以便继续为后端负载供电。作为应急电源，整个柴油发电机组系统一直设置在自动模式下。如果发电机组出现故障，将失去作为应急电源的意义。近期电力维护人员在试机时出现机组并机异常情况，因此将重点对此问题进行分析。

1 柴油发电机组系统

某数据中心的柴油发电机组系统由3台低压柴油发电机、3个MDEC控制器、1个并机控制柜、4个A600控制器和6个框架式断路器组成。柴油发动机型号为MTU 12 V 4000，发电机使用利莱森玛自励同步交流发电机。整套发电机系统是在2002年完成组装的，当时由于受到技术上的限制，控制系统无法进行软件编程与更新。现在控制器硬件明显老化，市场上已无备件。

2 柴油发电机组控制器

MDEC是一个用于柴油发动机控制、采用CAN总线通信的电子控制器，由1个电子控制模块、12个单体喷油器和各机械部分的传感器组成。MDEC具有共轨式电控燃油喷射控制功能，可以实现对发动机的恒定转速控制，即发电机的负载在瞬间增大或减小时，输出频率（转速）保持一定（稳态）。

A600控制器是一个具有调节转速与电压、同步与并机、功率分配、电气保护以及电气测量功能的完整系统。内部各模块间通过CAN bus总线系统连接。

MDEC与A600具体位置如图1所示。

图1 MDEC与A600的具体位置

3 发电机组并机原理

在设备出厂前，工程师已经对机组做好各项测试和参数设定，如转速额定值为1 500 r/s（50 Hz）、电压额定值为400 V。在自动模式下启动发电机组时，机组的频率、电压达到同步，由锁相环电路自动调整各机组的相位至同步后实现正常并机。

整套发电机组配置原理如图2所示。

将3台机组的A600控制器设置在自动模式。并机控制柜的A600内置市电检测模块，在接收到来自ATS的市电断电信号后，由RS-485总线互联到3台机组的A600内置处理器进行计算。各机组满足启动条件后分别启动，A600发出信号至MDEC电子控制模块和自动电压调节器（AVR），及时调节转速和电压。先到达额定输出标准的机组，并机断路器会自动合闸投入母排，此台机组便作为主机运行，后面两台机组通过母排采集器获得母排的频率信号和电压信号，以便机组及时跟踪主机输出。谁先与母排上的频率和电压同步，谁先并入母排。机组的并机执行器是框架式断路器，由A600控制它的合闸与分闸。3台机组都通过并机断路器与母排连接。整个测试时间10 min，正常情况下未并入母排的机组运行4 min后自动停机，即并机系统的运行方式为“两用一备”。

如图2所示，机组母排并没有直接与ATS连接，而是通过并机控制柜的A600控制MCB1、MCB2、MCB3的分合闸，最后输出到ATS端。也就是说，并机控制柜起到一个二次保护的作用，每个A600控制各自的断路器。

4 并机异常情况

在自动模式下启机时，异常情况分为两种。

（1）只有1#机投入母排，并机控制柜内只有MCB1闭合。ACB1闭合前，1#机频率为50 Hz；ACB1闭合后，频率下降至49 Hz。2#、3#机控制屏显示“No Sync Of Genset Departure Shutdown”（发电机不同步，离线），蜂鸣器响起。60 s后，2#、3#机自动停机，屏幕右侧报警指示灯“Genset Unavailable In Auto”（未在自动状态）常亮，电气锁死，无法再次启动。按下复位键后，2#、3#机恢复正常。

（2）2#、3#机投入母排。1#机的频率下降至49 Hz，控制屏显示“No Sync Of Genset Departure Shutdown”，蜂鸣器响起。60 s后，1#机自动停机，屏幕右侧报警指示灯“Genset Unavailable In Auto”常亮，电气锁死，无法再次启动。按下复位键后，1#机恢复正常。

图2 应急发电机组并机系统原理图

5 原因分析

每年春秋两次换季维护，电力维护人员会对MTU发动机进行检修。目前，MTU发动机的各机械组件完全正常。检查4台A600控制器的内部组件，包括24 V信号输入和输出模块指示灯状态、接线端子固定程度、输出继电器、热保险、控制器电源输入开关、外接信号线缆，结果显示均正常。

自动模式下，1#机率先投入母排，其频率下降至49 Hz，而频率的正常范围49.8～50.1 Hz。1#机除了频率以外，其他数据均正常。由于2#、3#机的频率始终在正常范围内，无法使频率与1#机同步，所以ACB2、ACB3作为保护隔离而未闭合，故无法并入母排。并机控制柜的A600通过RS-485总线收集各台机组的运行数据，由于只有一台机组投入母排，系统程序为防止机组过载运行，故只闭合MCB1。

2#、3#机其中的任一台先投入母排时，1#机频率将下降至49 Hz，无法自动调节频率至正常范围内，致使1#机出现不同步报警，说明1#机的并机调速功能出现问题，而另一台达到同步并入母排。2台机组投入运行正是系统程序的优先级，故并机控制柜内3个断路器全部闭合。这两种情况说明4个A600之间通信功能正常，所有框架式断路器机械功能正常。

将3台机组设置在手动模式，此模式下无法实现并机功能。分别手动启动各台发电机，控制屏显示各项数据都在正常范围内，说明3台发电机整体机械功能正常。

经过反复启机测试，最终得出结论：1#机A600的母排频率采集信号电路出现故障，即A/D转换器故障，50 Hz的电压信号转换成错误的49 Hz数字频率信号。

自动模式下，A600并机调速系统如图3所示。

1#机率先达到额定输出，ACB1闭合前，作为标准给定值的母排频率采集信号因为没有发送到锁相环电路，所以未产生差值信号至A600处理器，1#机的频率保持在正常范围内。ACB1闭合后，母排频率采集模块转换后的错误数字频率信号发送到锁相环电路，经过运算后发送错误的差值信号至A600处理器，A600处理器进行计算后便发送信号至MDEC，使得1#机的频率下降至49 Hz。在母排频率逐渐下降的过程中，2#、3#机的锁相环电路采集的母排频率信号已经超出发电机组设置的频率正常范围，故停止跟踪母排频率，不并机运行，最终只有1#机独自投入母排运行。

图3 自动模式下A600并机调速系统

2#、3#机投入母排时，1#机的锁相环电路经运算后发送错误的差值信号至A600处理器，使得1#机的频率下降至49 Hz。

6 解决方案

因为A600控制器早已经被淘汰，市场上没有相关的备件，所以现行的办法是将1#机手动退出并保护锁死，2#、3#机仍然处于自动模式，以保证发电机组的正常启动。

最好的解决办法是更换新的控制器。新一代的控制器已经完全具备编程功能，处理器内置PC端口，可以根据用户需要，随时修改与更新程序。一个控制器可以控制3台机组、6个断路器。这样既便于维护与管理，又节约了工程预算。如果条件允许，还可以配置另一个控制器，实现主备同时运行，当主用控制器故障时可以及时切换至备用控制器。