淺論無功保護參數(shù)在通信用柴油機和UPS匹配中的重要性

王銘祥，楊育棟

（1.中國電信股份有限公司紹興分公司網(wǎng)絡(luò)操作維護中心，浙江 紹興312000；2.浙江郵電職業(yè)技術(shù)學院，浙江 紹興312016）

1 前 言

通信機房常用柴油發(fā)電機組作為市電的備用電源，以保障市電停電時電源設(shè)備的不間斷供電。在通信電源系統(tǒng)中采用柴油發(fā)電機組，可以避免通信電源系統(tǒng)通過使用龐大的電池組來獲得較長的后備時間。隨著IDC機房的快速發(fā)展，機房重要的交流負載逐步增多，UPS系統(tǒng)在通信電源中的比重也越來大，如何將柴油發(fā)電機組和UPS系統(tǒng)可靠的組合使用，提高交流供電系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性是一個很重要的課題。若兩者匹配不當常見的故障現(xiàn)象可能有：發(fā)電機輸出電壓振蕩、輸出電壓畸變嚴重、輸出頻率漂移嚴重（超過5%），進一步會導(dǎo)致UPS因輸入電壓過高損壞；旁路電壓畸變和頻率漂移在UPS故障時負載無法轉(zhuǎn)旁路，蓄電池頻繁放電等。本文將主要探討柴油發(fā)電機組和UPS系統(tǒng)的匹配問題。

2 UPS電源系統(tǒng)無功功率情況案例

首先來分析下面一個真實的案例：

某數(shù)據(jù)中心機房一臺2 550 kVA柴油發(fā)電機組，帶有兩套“2＋1”的500 kVA艾默生UPS系統(tǒng)。在某一次對UPS軟件升級過程中（升級時需要UPS工作在維修旁路），為了保證維修時外電的更安全可靠，決定采用油機供電模式。在發(fā)電機組啟動正常，帶載正常（負荷為1 488 kW）的情況下，對其中一套UPS系統(tǒng)進行主路轉(zhuǎn)維修旁路操作，該套UPS所帶服務(wù)器直接由油機電供電，不久出現(xiàn)了發(fā)電機組停機故障，當時1號UPS處于維修旁路供電狀態(tài)，出現(xiàn)負載掉電事故；2號UPS處在主回路供電狀態(tài)，進入電池放電狀態(tài)；發(fā)電機組故障停機，故障名為LOSS OF EXCITATION FAULT（勵磁丟失）。

根據(jù)柴油發(fā)電機的輸出阻抗特性分析，柴油發(fā)電機組是否能正常運行，主要取決于其輸出阻抗是否與負載匹配。發(fā)電機依靠電壓調(diào)節(jié)器控制輸出電壓，電壓調(diào)節(jié)器檢測三相輸出電壓，以其平均值與設(shè)定的電壓值相比較。調(diào)節(jié)器從發(fā)電機內(nèi)部的輔助電源取得能量，通常是與主發(fā)電機同軸的勵磁發(fā)電機，經(jīng)整流器整流后給發(fā)電機轉(zhuǎn)子的磁場勵磁線圈。線圈電流上升或下降，控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的磁場，從而控制轉(zhuǎn)子輸出電動勢（EMF）的大小。

圖1所示為發(fā)電機輸出等效電路。

圖1（a）為帶純感性負載的簡化示意圖。

圖1（b）為帶純?nèi)菪载撦d的簡化示意圖。

圖1 發(fā)電機輸出等效電路

在圖1（a）中：E：電動勢EMF；Z：發(fā)電機內(nèi)阻，包括感性和阻性成分；I：感性負載電流；U：發(fā)動機輸出電壓。

內(nèi)阻Z包括感性和阻性兩部分。假設(shè)負載是純感性的，在相量圖中電流I滯后電壓U 正好90°相位角。如果負載是純阻性的，U和I的矢量圖曲線將重合（或同相）。實際使用中多數(shù)負載介于純阻性和純感性之間。

電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量IZ表示。它實際上是與I同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降的矢量和，因為電動勢必須等于發(fā)電機內(nèi)阻的電壓降和輸出電壓之和，則E＞U，電壓調(diào)節(jié)器改變E，可以有效地控制輸出電壓U。

圖1（b）中，用純?nèi)菪载撦d代替純感性負載，在這種情況下，輸出電流方向正好和感性負載時的相反。電流I超前電壓U正好90°的相位角，內(nèi)阻電壓降矢量IZ的方向也相反。則U和IZ的矢量和E＜U。

對于與感性負載時相同的電動勢E，在容性負載時就產(chǎn)生了較高的發(fā)電機輸出電壓U，所以電壓調(diào)節(jié)器必須明顯地減小定子線圈的磁場。

若容性負載過大，電壓調(diào)節(jié)器可能沒有足夠的調(diào)節(jié)范圍來調(diào)節(jié)輸出電壓。因為發(fā)電機的轉(zhuǎn)子含有一個永久性磁場，該永久性磁場將在一個方向連續(xù)勵磁，即使電壓調(diào)節(jié)器完全關(guān)閉，轉(zhuǎn)子永久性磁場連續(xù)勵磁產(chǎn)生的電動勢仍足以對電容負載充電并產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象稱為“自激”。自激的結(jié)果是過壓或者是電壓調(diào)節(jié)器關(guān)機，柴油發(fā)電機的監(jiān)控系統(tǒng)則認為是電壓調(diào)節(jié)器故障（勵磁丟失），這兩種情況都會引起發(fā)電機停機。

由于容性負載可能是導(dǎo)致柴油發(fā)電機組出現(xiàn)“勵磁丟失”故障的重要因素，讓我們來計算以上案例中的容性負載情況。故障時，油機所帶負載為1號和2號UPS，其中1號UPS切換至旁路／維修旁路供電，2號UPS主路供電。取1號UPS的輸出端（輸出屏）的無功功率、2號UPS輸入端（二次配電側(cè)）的無功功率、UPS空載產(chǎn)生的無功功率，三者無功功率皆為容性，求和得出發(fā)電機組當時所帶的容性無功功率。市電恢復(fù)后，從動環(huán)系統(tǒng)中導(dǎo)出1號UPS旁路無功數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 1號UPS旁路無功功率（容性）

在二次配電側(cè)，取得2號UPS的無功數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)廠家提供該型號單臺UPS空載時無功功（容性）約為30 kvar。

3 解決無功保護問題的對策思路

為避免此類故障的產(chǎn)生，可采用的辦法通常有：（1）適當?shù)奶岣卟裼桶l(fā)電機組功率，提高柴油發(fā)電機組輸出無功功率的能力。

（2）在柴油發(fā)電機組輸出安全性允許的條件下，盡可能的調(diào)高柴油發(fā)電機的無功保護閥值。

針對第一點，需要注意的一個問題是，不能無限度的提高柴油發(fā)電機組的功率，一個是投資因素，還有如果柴油發(fā)電機機在小負荷下長期工作，氣缸內(nèi)溫度較低，正常進入氣缸內(nèi)的潤滑油不能完全燃燒，而燃油也不能充分燃燒，造成活塞環(huán)處、噴油嘴處積炭嚴重，氣缸磨損加劇，因而使柴油發(fā)電機組更容易發(fā)生故障，反而降低了柴油發(fā)電機組的工作可靠性。一般情況柴油發(fā)電機組要求負載最好在60%～70%額定負載的情況下工作。根據(jù)此數(shù)據(jù)，計算案例中兩套“2＋1”500 kVAUPS系統(tǒng)需要的柴油發(fā)電機組功率如下。

如果UPS的負荷率為80%，系統(tǒng)為兩套“2＋1”的500 kVA UPS，根據(jù)廠家系統(tǒng)參數(shù)，單臺UPS最多輸出450 kW的有功功率，那么系統(tǒng)滿載的情況下將會有2×2×450×80%＝1 440 kW，逆變器效率假設(shè)取95%，充電功率為UPS額定容量的15%～25%，輸入功率因數(shù)0.95，假設(shè)發(fā)電機組帶載率控制在70%，則柴油發(fā)電機組至少所需容量為：（1440／0.95＋1440／0.95×0.25）／0.95／0.7≈2 850 kVA。此案例中選用了功率為2 550 kVA的柴油發(fā)電機組，充電時油機帶載率達到了80%，所選油機容量明顯偏小。

同時為確認柴油發(fā)電機組的設(shè)備的輸出安全性，動力設(shè)備具備定期自動測試功能，測試故障發(fā)送情況，發(fā)送時長，立即通知區(qū)域人員處理，避免發(fā)生故障不能派單或延遲太久影響搶修。

結(jié)合圖2分析該款發(fā)電機在不同負荷類型下的承載能力曲線。

圖2 發(fā)電機不同負荷類型下的承載能力曲線

從粗黑曲線左側(cè)可以看出，容性負荷的最小承載能力略高于額定視在功率的30%，為S×30%＝2 550×30%＝765 kvar?？梢姶饲霸O(shè)定值沒有超過發(fā)電機的承載能力，發(fā)電機在運行中是受保護的，安全的。

4 結(jié) 論

綜上所述，為了保障柴油發(fā)電機組與UPS系統(tǒng)匹配，使交流供電系統(tǒng)連續(xù)可靠地向負載供電，除了常規(guī)的考慮抑制UPS的輸入諧波，考慮柴油發(fā)電機組的額定功率等主要因素之外，也需要關(guān)注一直來被我們所忽視的柴油發(fā)電機組中無功保護參數(shù)的設(shè)置值。在設(shè)置參數(shù)的過程中，須注意以下幾個問題：

（1）判斷UPS系統(tǒng)的多種工作模式中何時出現(xiàn)最大容性無功功率；

（2）估算此時UPS系統(tǒng)最大容性無功功率；

（3）設(shè)置無功功率告警閥值，同時需要考慮柴油發(fā)電機組的帶容性負載的承載能力，設(shè)置值不得超過柴油發(fā)電機組帶容性負載的最大值。

若該參數(shù)設(shè)置不當，即使柴油發(fā)電機組功率選擇合理，UPS抑制諧波效果良好，也可能導(dǎo)致故障的發(fā)生。

［1］帥永輝，UPS電源和柴油發(fā)電機組的匹配問題［J］機電工程技術(shù)，2003，（5）：31－33.

［2］賈繼偉.通信用柴油發(fā)電機組的功率，通信電源技術(shù)，2002，（6）：55－56.

［3］YD／T1095－2000.通信用不間斷電源—UPS，中華人民共和國通信行業(yè)標準，2000.