动态UPS和柴油发电机组的灵活配置

1、动态UPS和柴油发电机组的灵活配置PillerPowerSystem摘要为了保护关键设施免受断电的影响，标准方法是安装不间断电源系统(UPS)。通常不管是长时间还是短时间断电都需要进行桥接，所以UPS系统会配合外部柴油发电机使用或直接与柴油发动机组合成柴油机动态UPS(DR-UPS)系统。目前业界已经安装运行了近3250MVA的“动态UPS(RUPS)+外部柴油发电机组”的不间断供电系统，这些系统的可靠运行证明了该系统配置是一种行之有效的解决方案。由干这个组合的独特优势,一些主要的T3和T4级数据中心都采用了这项技术。动态UPS的最新机型在早期数据中心负载较低的情况下,也可以实现前所未有的多种

2、灵活配置与极高的效率。本文主要讨论柴油发电机与动态UPS组合的总体要求，并展示了多种组合方式,以在低压及中压下实现更高的可维护性以及更多的发动机选择的相关内容。此外,还介绍了如何将柴油发电机集成到动态UPS的控制系统中，从而建立一个强大的多功能系统，被称为DeRUPS(电耦合的柴油机动态UPS系统)。这种集成允许以更复杂的设计形式使用外部柴油发电机，如IP系统，同时保持UPS和柴油机实体分离的优势。现代动态UPS的特点现代动态UPS系统体现了最高的可靠性与极高的效率，系统中的能量储存设备提供了必要的桥接时间。这一系统的日常维护机制非常简单,与静态UPS解决方案相比其对其他设备的影响更小。可靠性

3、动态UPS系统采用最简单也最可靠的方法，就是使用同步电机发电。这一工作原理加上最先进的数字电子控制和用户界面，使其比目前市场上任何单一的UPS系统都具有更高的可靠性。效率和成本现代动态UPS系统采用先进的材料和设计，以实现高达97%的运行效率,低负载时效率高达95%。由于低损耗以及坚固耐用的设计，动态UPS系统往往不需要任何主动冷却式装置,如空调等，从而使系统运行在其整个寿命期间更具济性。虽然有时候在项目初期动态UPS系统的投入会超过静态UPS系统。然而，动态系统更为简单的日常维护、更长的使用寿命以及更高的运行效率,将明显地减少总持有成本并可在短短几年时间内就达到收支平衡点。灵活性图1所示拓扑

4、结构使得动态UPS系统可在低压或中压使用,系统可使用电池或飞轮作为储能装置。II咼血取辰化肌耳按1臥大“备迪时改计知期皆份飞轮高迟脚,图1现代动态ups系统特征及灵活性动态UPS系统与飞轮等动能存储设备结合使用，与基于电池的系统相比,将大大减少占地空间。空出的大量地面空间可以用于安装其他设备或增加净可用技术/生产车间空间。动态UPS系统很容易并联起来从而增加总功率或实现冗余。由于同步发电机的并联是基于强大的、自同步有效的电源，因此无需额外的快速复杂的调控结构。某些动态UPS系统通过利用同步发电机能够提供足够的有功功率,功率因数范围包括滞后0.8至超前0.8,而无需降低超前功率因数。动态UPS系

5、统短路容量为12-14倍的标称电流.从而易于下游配电系统的故障清除，并且无需通过转旁路即可清除下游的短路故障。所有这一切都表明高端应用的动态UPS系统具有高适用性和效益性，高可靠性与全面的持有成本优势。为此,许多大型国际数据中心、银行、工业制造和医院等行业在需要安装新系统时都会毫不犹豫地选择该项技术动态UPS系统。桥接时间据统计,96%以上的电源中断持续时间小于3s。储能装置的实际无间断桥接时间为飞轮:030s;电池:030s（由电池容量而定）；柴油发电机:10s到小时（级）。从图2的统计信息可以发现，纯飞轮储能的UPS系统能够处理96%以上停电故障。电池储能UPS系统根据电池规格大小，可以桥

6、接99%的停电。而单独的柴油发电机无法桥接停电后的前10s，因此，为确保所有停电都能够得到桥接，必须采用一个短期的储能装置并结合使用长期的桥接设备,如柴油发电机等。电瀰故障持陵时间图2中压电网的停电统计毎年出现电源故障的次数UPS和柴油机的各种组合图3显示了UPS系统和柴油发电机的典型组合，在该组合中柴油发电机在市电停电后起到代替市电电源的作用。这种布局通常用于静态UPS解决方案中。由于用于静态UPS系统中的逆变器通常并非为双向运行而设计的，这一设计是在柴油机运行中为储能装置充电的最简单的方式。如果静态UPS系统是在双变换模式下运转，柴油机的频率波动不会转移到UPS系统的负载侧，而且负载所产生

7、的谐波不会传输到发电机。虽然，静态UPS系统在ECO模式下运转将提高其效率,但给发电机增加了一些弊端，如未过滤的谐波、在UPS输入中无功率因数校正，以及柴油机频率变化等。市电7-7_JL图3带电池的静态UPS系统与柴油发电机的典型组合这种工作模式是某些现代动态UPS系统不涉及的。先进的动态UPS电源以及柴油机在运行中，都以相同的高效率运行，同时能够保证功率因数校正和谐波滤波。此外，对比传统的静态UPS系统，动态UPS系统与柴油机的组合形式更为广泛。动态UPS系统与电耦合的柴油发电机的组合被称为DeRUPS，是比单纯使用发电机组作为替代电源的另外一种有趣的变体。使用动态UPS能够将发电机组连接至

8、UPS系统的输出总线，从而提供了功率分享、频率稳定以及可维护性等高级功能。每个外部发电机组基本上都能够带无间断负载以及可短期间断负载(见图4)。如果发电机组连接到UPS系统的输入端，在柴油机运转时同样可以保持无间断负载和可短期间断负载的供电，在数据中心行业是相当受欢迎的一个功能。I1市葩丄市皑盥期间斷煲栽J一短期屁断负載市电图4DeRUPS系统与发电机组的上游或下游结合由于几乎所有的动态UPS系统可以在中压状态下使用，所有与外部发电机组的组合也可以在中压状态下使用。在这种情况下在电压等级允许的前提下，发电机组可配备中压发电机。动态UPS与发电机组组合的功能任何UPS系统与柴油发电机的组合中，通

9、常必须考虑的一个方面是两种电源之间的转换,即UPS系统的储能装置与柴油发动机之间的交互作用。这种交互作用最终构成了任何UPS系统与柴油发电机之间简单组合与电耦合的柴油机动态UPS系统(DeRUPS)之间的差异，在后一种系统中，柴油发电机组完全集成在UPS系统的功能行为中。理解这一相互作用有助于区分有功电源和无功电源，如图5所示。无功功率有功功率P&werbridge图5电源和功率类型之间的关系无论柴油发电机连接的是UPS系统的上游或下游，柴油发动机需要能够为负载提供有功功率、为储能装置充电并弥补UPS系统的损失。上游发电机组的发电机需要为UPS系统提供所需的电流，还需要能够为UPS系统提供无功

10、功率,并处理UPS系统输入处的潜在整流电路的谐波。由于发电机组会自然生成正弦波动态UPS系统不会产生任何谐波,其输入功率因数接近1。发电机组与UPS系统的下游连接可以稍微提高一点效率，因为这样避免了在柴油机运转时UPS系统产生正向损耗。通过利用无功电流控制装置可以避免UPS系统与发电机之间的无功功率的交换。最好的做法是UPS系统或者发电机组两者之一为负载提供无功功率，而另装置将其无功功率调节为零。与UPS系统上游连接的柴油发电机UPS系统的运行通常与在电源下运行的UPS系统类似,即使电源由柴油发电机供给。因此，UPS系统将任何负载变化传输到电源中，这样还不如过去稳定。当负载从80%上升到100

11、%时很容易会导致发动机崩溃，并且不论是处于负载情况下还是卸载情况下都自行关闭。某些带电耦合飞轮的动态UPS系统能够处理两个功率方向，因此可以稳定柴油发电机的频率。在这种情况下，发电机组与动态UPS系统的上游或下游连接不会产生任何影响。然而,由于频率调节被分配到柴油机动态UPS系统的负载侧，如果发电机组与UPS系统的下游连接,其性能会更好。对比图6和图7并举例说明了双向频率稳定对柴油发电机供电网络的影响。GfetmorUi-U2.Deft*Frequency(%)Mio:3,11%RefrarictMOOHi图6在50%负载断开和再连接下柴油发电机的频率响应，此处没有额外的频率稳定Gtntril

12、orU1-U2.DtfltaFrequency(%)Mkn:-0.59%Max:0.94%Rrernc;49n99He图7在50%负载断开和再连接下柴油机动态UPS系统在柴油机运转下的频率响应，通过Piller公司的配备有POWERBRIDGE飞轮储能装置及外部柴油发电机的UNIBLOCKUBTD提供双向频率稳定此外,电耦合飞轮允许能够以与短期重新充电时相同的速度进行充电和放电，并能够减少柴油机的运行时间，从而进一步节省运行成本。而这些特征是电池UPS系统所没有的。因此,此类飞轮支持系统广泛应用于解决市电干扰问题方面。5动态UPS与发电机组的几种连接方式F面对比一下UPS系统和柴油发电机的几种

13、连接方式。(1)柴油发电机位于UPS的上游上游的柴油发电机在电源中断时用作电源的替代品。这些发电机可以以并联的方式运行并向同一条总线输送电源以便为多个UPS系统供电，或在大型UPS装置中，每个UPS装置分配一台发电机。如果柴油发电机并联连接最佳做法是分别向独立的总线供电，并通过中央断路器将这些总线连接至UPS系统的输入端，如图8所示。发电原市电断路攜市电UPS图8适合执行起动同步的发电机组控制装置的实例分开的发电机组总线还允许通过起动同步(也被称为死总线同步)来起动发电机组。在这种情况下，所有的发电机组已被连接到总线并同时起动,没有额外的同步时间用于考虑起动单个发电机组。结合含有此种特殊功能的

14、高品质发电机组控制装置，这种起动方法的起动时间最短，并保证即使采用带飞轮储能装置的UPS系统，负载也能够可靠地由发电机组提供。旦所有的发电机组起动并为其总线供电，发电机断路器将闭合以接通UPS系统的输入总线。这样避免了在所有发电机组准备好为总线供电时，UPS系统返回市电。市电断路器与发电机断路器是电气联锁关系，一旦市电再次可用，断路器很容易转换至市电，如图9所示。市电III图9柴油发电机向一组动态UPS系统的输入总线供电，并可在单机环境下或并联配置中运行这种布置的一个优点是,柴油发动机的数量与UPS系统的数量可以不相同，即使还需要考虑柴油发电机的冗余。发电机组的维护与UPS系统的维护相互独立、

15、互不影响，包括从冗余配置中单独取出一个装置。作为备用的柴油发电机可通过UPS系统的维护旁路永久供给负载，这在电源质量非常糟糕的国家中是一个令人关注的功能。(2)动态UPS的下游与柴油发电机连接将发电机组连接到UPS系统的负载侧是一种不太常见的方法，因为大多数静态UPS系统无法处理这种情况。图10显示了一个可能的配置，这种配置中有些优势是值得考虑的。市电r亠jIIIIIIIII图10动态UPS系统在负载侧与发电机组连接在此配置中，必须控制UPS系统储能装置与柴油发电机之间的功率共享。这一功率共享能力用于电源故障情况下,在柴油机起动并连接至负载总线后立即将UPS供电电源供给至柴油机。这一功能结合了

16、动态UPS系统与发电机组成为一个真正的电耦合的柴油机动态UPS系统，并已用于某些现代动态UPS系统并允许在柴油机运行时对储能装置进行充电。如果双向操作储能装置，如电气连接的飞轮储能装置，其能量存储可被用来保持一个稳定的输出频率。这种情况常见于在加载操作中通过飞轮供应电源直至柴油机起动接管负载，以及在卸载操作中，通过飞轮吸收柴油机多余的电源直至阀门关闭。由于这种交互作用，电耦合的柴油机动态UPS系统还能够控制所有类似的同步过程，例如，在市电恢复后将电耦合的柴油机动态UPS系统返回至电源操作。对于上游连接的发电机组，没有严格要求一台发电机组必须分配给一个动态UPS系统,因为即使动态UPS系统的数量与发电机组的数量不相同，也不会影响其功能。电耦合的柴油机动态UPS系统也非常适合用于IP系统中，图11显示了这样的一种组合。此处发电机组的额外功率也可用来提供给可短期间断负载。无间断血我短期间断负収图11电耦合的柴油发电机动态PS系统集成至P系统柴油发电机与动态UPS系统下游连接的另一个优点是，如果需要，发电机可以独立于UPS系统进行工作。因此，根据每个发电机组自身携带的控制系统，发电机组的维护可以与UPS系统的维护分开单独进行，如图12所示。在发电机组的维修过程中,负载仍然可以得到动态UPS系统的短期保护,该系统通常可以桥接几乎所有的电