数据中心柴油发电机组和UPS的选择关系

柴油发电机组与UPS的匹配

介绍

版本编号：VO.08010-10概述1、网络数据中心、数据交换中心、金融结算中心、重要系统调度中心等关键部门的设备都需要不间断的电源供电，都需要配套UPS。2、通常供电模式采用：一路市电供电+柴油发电机组备用+UPS。3、重要供电模式采用：两路市电供电+柴油发电机组备用+UPS。上海科泰电源股份中国移动通信发电机组和UPS之间的配合问题主要是由于整流器产生的电流谐波对供电系统产生的不良影响：1、对发电机组的电压调节器的影响2、对UPS的同步电路的影响上海科泰电源股份中国移动通信发电机组和UPS不匹配易出现的现象1.发电机组的输出电压突然增高到440V以上，造成UPS损坏。2.发电机组输出频率到50～60Hz，致使UPS保护动作。3.发电机组出现严重的机械共振现象，柴油机出现有节奏的摇摆和声音起伏，严重会损坏发电机的励磁回路和AVR4.UPS检测到过电压或过频率而自动关断整流器，由后备电池组逆变向负载供电，反复出现油机+蓄电池逆变切换供电。上述现象的原因都有哪些呢？下面介绍一下负载性质！上海科泰电源股份中国移动通信负载的特性1、负载的分类〔根据负载的特性〕：1〕线性负载

2〕非线性负载。上海科泰电源股份中国移动通信1、线性负载：1〕电压和电流之间是线性关系的负载，如果发电机的电压是正弦波，通过负载的电流也是正弦波，如下图。2〕常见的线性负载有加热器、白炽照明灯、变压器、直接启动或传统降压启动方式的电动机等。3〕线性负载根据电压和电流的相位关系又分为电阻性〔如电阻、电炉、白帜灯等〕、电感性〔如感应电动机、变压器等〕、电容性〔如电容器等〕负载。线性负载的特性电流Current电压Voltage上海科泰电源股份中国移动通信1、非线性负载：1〕电压和电流之间是非线性关系的负载，存在基波〔50或60Hz〕和谐波(3次、5次,、7次、11次等奇次谐波)存在不同的幅值和相位畸变波形。如后附图。2〕在负载投入、运行过程中，电压、电流的关系是经常变化的，其波形也不是我们常说的正弦交流波，而是含有不光滑的畸变成分，根据数学的方法可分解为基波和一系列的高次谐波，主要是3次、5次、7次、11次等奇次谐波线性负载的特性上海科泰电源股份中国移动通信图一线性负载的特性三次谐波3rdharmonic电压正常电压电流电压波形畸变发电机采取相应措施后的上海科泰电源股份中国移动通信线性负载的特性电流电压正常的电压5和7次谐波变速器、变频器、不间断电源图二畸变的电压波形会对其它负载产生干扰，并使发电机温升升高发电机采取相应措施后的接近于正常波形上海科泰电源股份中国移动通信电流谐波的构成4、6、12脉冲非线性负载产生的谐波类型及电流谐波图表中可以看到：1、四脉冲系统产生谐波有：3、5、7、9、11、13、15、17、19次2、六脉冲系统产生谐波有：5、7、11、13、17、19次。3、十二脉冲系统产生谐波有：11、13次**谐波电流比例%(p.u)：1/3rd,1/5th,1/7th,1/9th**总谐波畸变=谐波电流方根总数**对应的总的畸变谐波THD分别为：

45%---30%---14%**十二脉冲的UPS谐波危害最小上海科泰电源股份中国移动通信电流谐波的构成4、6、12脉冲非线性负载产生的谐波类型及电流谐波N=kp±1

n=谐波秩序。

k=整数1、2、3、等等。

p=脉冲数。上海科泰电源股份中国移动通信6脉冲UPS电流谐波的构成6脉冲非线性负载单个的电流谐波构成谐波(第n个)频率In%5^250207^3501411^550913^650817^850619^950523^1150425^12504上海科泰电源股份中国移动通信谐波的类型及分析谐波与电压畸变是关联，下面了解一下电流谐波振幅的个体值1、总谐波畸变：THD%=100•SQRT(ΣUn²/U²)---Un指第n个电压谐波的均方根振幅；---U指第一个电压谐波的均方根振幅。2、对于3相发电机，如果没有分配零线，需要考虑3次谐波的倍数〔多重3次谐波〕。于是，前面的公式变为：

THD%=100•SQRT((U5²+U7²+U11²+…Un²)/U²)上海科泰电源股份中国移动通信6脉冲UPS电流谐波含量1、通过方程式X〞d%=(100•THD%)/SQRT((5•I5%)²+(7•I7%)²+……+(n•In%)²)可以计算出的X“d(直轴次瞬变电抗)值。2、X“d值用来适应THD电压畸变要求(数据可在发电机数据表中查到〕。3、当直轴次瞬变电抗值计算出来后，可知道负载的电流谐波含量。上海科泰电源股份中国移动通信谐波与发电机参数的关系谐波产生的压降取决于“直轴次瞬变电抗(X"d)1、直轴次瞬变电抗(X“d)是发电机的一个重要参数2、Un=X〞d•n•InUn%=(X〞d%/100)•n•In%3、如果知道电流谐波的相对振幅，那么可很容易计算电压谐波的组分/组件。这些变流器中的振幅是变换结构/组合的一种功能。4、如果THD是规定好的，可以从给出的电流谐波的内容/含量计算出需要的X“d。****典型设备的可接受的水平电压畸变数据：UPSSystems10%InverterDrives15%Softstarters20%Rectifiers20%上海科泰电源股份中国移动通信谐波与发电机参数的关系直轴次瞬变电抗(X“d)是发电机的一个重要参数，不同的电压等级其值是不同的。下表为斯坦福UCI274F发电机的数据:上海科泰电源股份中国移动通信发电机组与UPS的匹配选择由于发电机组和UPS两者间的配合存在上述问题，解决上述问题的需要从两个方面进行：1、正确选择发电机的机组功率和励磁工作方式，不同的励磁方式和适当匹配功率等有助于问题的最小化；2、选择更能适合发电机组特性的UPS。上海科泰电源股份中国移动通信UPS非线性负载的特性1、UPS的主要部件之一是整流滤波器件，属于非线性负载。2、UPS作为机组的负载，即要为终端设备供电，也要为电池进行充电。3、非线性负载会对柴油发电机组反射大量的高次谐波，其中以5次和7次谐波危害最严重，**非线性负载较大而发电机组容量又较小时这种危害更明显上海科泰电源股份中国移动通信移动通讯机房负载的特点移动局房的负荷中常见非线性负载的类型：〔1〕软起动器〔可控硅电动机启动器〕；〔2〕高频开关电源、交流不间断电源〔UPS〕；〔3〕变频控制的电动机、电梯、泵等制造过程控制〔4〕电子数据图象设备、无线电发射设备，可控灯光设备；〔5〕电信通信设备；〔6〕荧光灯等上海科泰电源股份中国移动通信UPS采用的整流技术说明UPS采用过的整流技术有：⑴采用6脉冲整流技术的UPS

⑵采用12脉冲整流技术的UPS

⑶采用单相整流技术的UPS

⑷采用高频脉宽调制技术的UPS上海科泰电源股份中国移动通信非线性-谐波对发电机的危害1、非线性负载产生的谐波电流会导致的发电机绕组温升。2、对发电机组的电压调节器的影响。上海科泰电源股份中国移动通信非线性-谐波对ups的危害1、UPS不能旁路。UPS〔在线式、后备式〕在旁路电源频率、电压正常时，UPS的逆变电源与旁路电源锁相、同步。当旁路电源频率变化超出设定极限时，静态旁路开关将禁止切换到旁路〔此时切换可能造成逆变器过流、短路〕。在这种旁路电源频率无法跟踪的情况下，UPS只会发出“旁路不可用〞告警，提醒用户防止超载造成断电，逆变器仍继续提供电源给负载。2、电池寿命缩短。频率漂移会导致SCR〔可控硅〕整流器的驱动信号与输入交流电不同步，造成整流器关闭，此间UPS转为电池供电。如此反复会造成电池过分放电循环，大大缩短电池寿命，严重者会将电池电量全部放光，输出中断。上海科泰电源股份中国移动通信发电机组的选择-11、机组的输出功率选择。柴油发电机组在60％以上额定负载的情况下工作对柴油发电机较为有利。2、在考虑发电机总负荷中的UPS负载局部，需考虑的主要因素有：UPS功率，电池充电功率，UPS整机效率，UPS的输入整流方式，UPS整流器引起的输入电流失真等，都需适当增加发电机的功率；3、UPS的整流器对于频率漂移更为敏感，这也需增大发电机功率。一般选择发电机功率和UPS功率都有一定的系数上海科泰电源股份中国移动通信发电机组的选择-21、柴油发电机组工作方式的选择。对于非线性负载，两冲程柴油发电机组带载能力优于四冲程柴油发电机组。上海科泰电源股份中国移动通信发电机组的选择-41、同步发电机永磁励磁结构的说明上海科泰电源股份中国移动通信UPS的选择-11、UPS输入整流方式的选择。非线性负载会向发电机组反射大量的高次谐波，尤以5次、7次、11次谐波对发电机的危害性严重。2、不同非线性负载对柴油发电机组输出电压失真度〔THD〕都有不同的影响程度。3、以200kVA机组为例上海科泰电源股份中国移动通信UPS的选择-11、不同整流器对发电机的影响〔以200kVA机组为例〕发电机组允许的电压畸变度柴油发电机组允许带负荷的百分比（允许+N%）12脉冲整流UPS6脉冲整流UPS单相整流UPS5%78%42%22%10%100%69%36%15%100%96%52%上海科泰电源股份中国移动通信UPS的选择-21、UPS具有以下两方面的功能可更好地适应与发电机组的匹配：1)旁路锁相频率范围和逆变器同步速率现场可调功能；有此功能的UPS系统可以根据用电设备类型进行相应调整，提高系统运行可靠性。2)高速宽频的整流器控制电路。UPS的整流器有一个高速宽频的控制电路，以调整整流器的工作状态以适应输入电源的频率漂移。上海科泰电源股份中国移动通信UPS的选择1、UPS输入谐波的治理1〕接受并允许谐波的存在。通过对柴油发电机增容来减小谐波的影响。实际应用中，假设UPS负载对柴油发电机组的其他负载来说相对小很多，也就是说UPS功率比发电机组的功率小很多，在功率比为1:〔1.2～5〕时，UPS系统产生的谐波可不采用滤波措施。2〕消除谐波。使用滤波器或有源谐波调节器来局部或全部地消除谐波。

***需要考虑的问题***

上海科泰电源股份中国移动通信消除谐波需要考虑的问题2、消除谐波需要考虑的问题1〕设计用输入滤波器，在减少电流谐涉及提高满载情况下的功率因数方面有了较好的效果。2〕但是在空载或很小负载情况下却衍生出一个电容性超前的极低的功率因数，特别是那些为了满足5％最大电流失真度的滤波器。3〕一般情况下，当负载低于25％时大多数UPS系统的输入滤波器会导致明显的功率因数降低。尽管如此，输入功率因数却很少会低于30％，有些新的系统甚至已到达空载功率因数低于2％，接近于理想的容性负载。4〕上述情况不影响UPS输出和关键负载，市电变压器和输配电系统也不受影响。但发电机就不同了，发电机带大容性负载时工作会不正常，当接入较低功率因数负载，典型的低于15％～20％容性时，由于系统失调，可能导致发电机停机。上海科泰电源股份中国移动通信选择滤波器时需要考虑的参数

1、失真度〔THDI和THDU〕的减小，2、提高输入功率因素，3、与发电机的兼容，4、适合于并联UPS配置，上海科泰电源股份中国移动通信功率因素问题要素0.70.60.50.40.30.20.100.70.60.50.40.30.20.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0标么值

kW0.951.000.950.90.90.80.8功率因素0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0输出(滞后-感性)输入(超前-容性)标么值kVAR0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0标么值

kW定子损害转子损害极距滑动不稳定平安运行区域发动机过载同步电抗Xd=3.0,(300%)上海科泰电源股份中国移动通信功率因素问题要素1、发动机功率线2、发电机功率线3、功率因素曲线4、运行标定曲线上海科泰电源股份中国移动通信各种滤波方案的比较上海科泰电源股份中国移动通信12脉冲采用有源滤波器的特点

1、采用有源12脉冲技术的有源滤波器采用复合的、有源双桥组合而成，由6只可控硅组成的整流桥用来给逆变器供电，由6只IGBT组成的桥路来实现电流正弦波并减少谐波。2、其优点是能大幅度减小谐波〔可完全消除25次以下的谐波〕、性能稳定，可靠性高，提高了UPS的输入功率因素〔大于0.9〕，能最有效地使用发电机组，与发电机组完全兼容。但缺乏之处是本钱较高。上海科泰电源股份中国移动通信发电机和非线性负载功率匹配关系-1

整流技术功率匹配关系早期技术K值采用6脉冲整流技术Sg=k1*Su3-3.5采用12脉冲整流技术Sg=K2*Su2.5-3采用单相整流技术Sg=K3*Su4-5采用高频脉宽调制技术Sg=K4*Su2-32、注：Sg表示发电机的标称功率〔kVA〕；Su表示负载的标称功率〔kVA〕；K值随着技术提高已经大大缩小；

1、供参考的一个功率匹配关系上海科泰电源股份中国移动通信选型前需了解的设备参数1、由于非线性负载选型是一个比较复杂的过程，只应用前述的方法很难准确进行选用，有时甚至无从识别负载的类型。2、所以选择非线性负载时尽可能提供以下资料：1〕根本负载的容量2)负载投入的顺序3)非线性负载采用何种脉冲整流技术4)UPS的后备电池充电电流为多大，用于计算充电容量5)设备所允许的电压畸变量是多少上海科泰电源股份中国移动通信发电机和非线性负载匹配经济性

1、从前面介绍的匹配数值来看，柴油发电机组的容量会比UPS大许多〔最多2倍以上〕，如按此选型，会造成用户投资浪费，且发电机组长期在轻载条件下工作还会对柴油发动机带来不利。2、实践证明可以采用“小马拉大车〞的方式来替用户节省投资，从前面的参考选择容量上可以看出“发电机容量〞并非整台发电机组的容量。3、发电机组的输出有功功率大小取决于柴油发动机的出力，而视在功率那么主要取决于发电机的容量，发电机组在带UPS负载时，只要加大发电机的容量，其瞬态特性就会大大的增强，而整台机组的输出有功功率其实并未增加，4、因而可采用这种所谓“小马拉大车〞的方式来解决，即柴油机的功率按照所有负载有功功率之和略大来选择，发电机功率那么按照上面所说的方法来配置。上海科泰电源股份中国移动通信发电机和ups匹配经济案例

1、曾用一台32kW的柴油机配一台60kVA的发电机来带动一台6脉冲整流技术的15kVAUPS，2、其测试的各项参数均满足技术条件要求。上海科泰电源股份中国移动通信发电机和ups匹配案例

1、一台175KVAUPS由一台电压415V,3P,50Hz的发电机供电，UPS采用6脉冲，30%电流畸变，计算一下由下述发电机带载时电压畸变率。2、850KVA发电机次级瞬态电抗0.10pu在根本功率800kva400V。***计算如下：UPS运行效率按95%计算，考虑充电因素，匹配系数按1.25考虑.输入功率kVA=(175kVA/0.95)x1.25=230kVA.X〞d〔800kVA〕=0.10p.u.(10