廣電機房自備發(fā)電機的容量匹配探討

謝超 南京廣播電視臺

閆濤 奚曉軼 江蘇省廣播電視總臺

1.前言

供配電系統(tǒng)是廣播電視技術系統(tǒng)的重要組成部分?？偩謴V播電視安全播出管理規(guī)定的各專業(yè)實施細則對廣播電視中心、無線發(fā)射臺、衛(wèi)星地球站等技術系統(tǒng)提出了配置自備電源、關鍵設備采用 UPS供電等具體要求。自備電源一般采用柴油發(fā)電機，在外電長時間停電時，為UPS等設備提供交流輸入電源。在實際使用中，當采用柴油發(fā)電機為UPS供電時，雖然供電負載在發(fā)電機額定容量范圍內(nèi)，仍會出現(xiàn)輸出電壓和頻率不穩(wěn)定等問題。本文通過對柴油發(fā)電機與 UPS負載匹配問題的分析研究，提出如何合理選擇柴油發(fā)電機的功率容量，在確保供電安全可靠的前提下，達到最佳的配置經(jīng)濟性。

2. 機房供電系統(tǒng)

2.1 供電系統(tǒng)配置

圖1 某機房供電系統(tǒng)框圖

廣電技術機房一般采用市電+發(fā)電機作為電源輸入給UPS和其他負載供電。近年來，由于廣播電視節(jié)目播出要求的不斷提高，除去大部分的空調(diào)、照明等輔助設備，其他設備系統(tǒng)均采用了 UPS供電方式，因此，整個供電回路中的主要負載為 UPS設備。圖1為某廣電播出機房的供電系統(tǒng)框圖。

按照設計要求，兩路外電接入到不同路由的10KV市電路網(wǎng)，每臺變壓器容量為1250KVA。另配置一臺300KVA的可自動啟動的柴油發(fā)電機作為應急后備電源。正常情況下，供電方式為市電-UPS-負載。發(fā)生雙路市電中斷的時候，系統(tǒng)自動啟動柴油發(fā)電機，此時供電方式為柴油發(fā)電機-UPS-負載。在市電中斷至發(fā)電機開始供電的間隙，通過UPS自帶的蓄電池組實現(xiàn)對重要負載的不間斷供電。

2.2 實際使用情況

為減少單路市電停電對播出系統(tǒng)的影響，采用市電1和市電2分別為播出機房主用和備用系統(tǒng)供電的方式，在供電系統(tǒng)建設初期，每路市電需帶載的 UPS容量共100 KVA。由于雙路外電同時中斷情況較少，在配置自備發(fā)電機時，考慮到使用效率和經(jīng)濟性，容量指標設計參照變壓器容量的10%-20%估算，選擇使用300 KVA的柴油發(fā)電機作為后備電源。

當雙路外電同時中斷時，啟動柴油發(fā)電機后可以對市電1所帶負載進行正常供電，保證播出系統(tǒng)的正常運行。隨著播出設備的不斷增加，UPS也在擴容更新。主路UPS總的容量增加到近260KVA。由市電對UPS系統(tǒng)進行供電時，整個播出系統(tǒng)仍可穩(wěn)定運行。但是，當遭遇雙路外電停電時，雖然總的負荷未超出柴油發(fā)電機的功率容量范圍，此時自備柴油發(fā)電機卻出現(xiàn)輸出電壓、電流和頻率的不穩(wěn)定現(xiàn)象，無法對播出系統(tǒng)進行正常供電。

3. 問題分析

通過對上述供配電系統(tǒng)相關配置和運行數(shù)據(jù)的分析，可以確定的是，導致柴油發(fā)電機無法正常提供穩(wěn)定輸出的主要原因是柴油發(fā)電機的容量不足。

系統(tǒng)設計使用初期，柴油發(fā)電機和UPS容量比為3:1（300KVA發(fā)電機帶載100KVA UPS），柴油發(fā)電機的非線性負載占比較小，因此系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。而當UPS的容量增加后，柴油發(fā)電機和UPS容量比變成了1:0.87（300KVA發(fā)電機和260KVA UPS），雖然負載功率沒有超過柴油發(fā)電機的功率容限，但主要負載為UPS，負載呈現(xiàn)明顯的非線性特征。柴油發(fā)電機帶電阻型負載時，具有較好的穩(wěn)定性。但是，當負載是非線性時，則會引起柴油發(fā)電機輸出的不穩(wěn)定，導致勵磁丟失、過壓故障而保護停機。

工頻UPS普遍采用濾波器來改善輸入電流的波形和提高輸入側的功率因素，因此，對外均呈現(xiàn)出容性負載特性。在不同負載率下，容性負載特性有著明顯差別，負載越輕容性表現(xiàn)越強[1]。

高頻UPS的輸入整流器采用高頻全控器件IGBT整流，輸入畸變電流小，不需要額外的濾波器進行濾波。但是，由于高頻開關會帶來電磁兼容問題，所以需要在輸入端加入無極性的薄膜電容進行高頻濾波，這也會導致 UPS呈現(xiàn)一定的容性負載特性[2]。

廣播電視技術系統(tǒng)設計時，由于 UPS 1+1冗余備份的需求，單路故障時另一路需要有能力承擔所有負荷，因此 UPS負載率大多設計為30%左右，由于負載較輕，負載容性特征明顯，更易引起發(fā)電機輸出異常。

尤其是外電中斷后柴油發(fā)電機啟動的瞬間，開關電源類負載不再處于正常工作狀態(tài)，而是處于重新啟動過程，開關電源重啟過程中基本是電容充電的過程，而這個時候柴油發(fā)電機所帶的負載會呈現(xiàn)很強的容性負載特性[2]。

如果UPS等非線性負載較大而發(fā)電機組容量又較小時,這種危害就更明顯，發(fā)電機組在出現(xiàn)頻率或電壓異常的同時還會出現(xiàn)嚴重的機械共振現(xiàn)象，造成發(fā)電機機械部分的老化磨損，導致發(fā)電機發(fā)生故障。

同樣，UPS因檢測到電壓或頻率超出范圍而會自動關斷整流器，靜態(tài)旁路開關也因無法同步不會切換，此時由UPS的電池組給負載供電，直至整流器恢復正常運行。重復多次的循環(huán)放電將會大大縮短電池的使用壽命。極端情況下，可能導致蓄電池組的電量放光，UPS輸出全部中斷。

4. 解決方法

解決柴油發(fā)電機與UPS組合匹配問題，是確保后備電源系統(tǒng)安全運行的關鍵。根據(jù)上面的問題分析，要使柴油發(fā)電機為 UPS提供穩(wěn)定可靠的供電，需要通過提高柴油發(fā)電機帶載能力，增加感性負載，調(diào)整開關電源啟動順序等方法，達到柴油發(fā)電機與UPS的良好匹配，確保自備電源系統(tǒng)的安全運行。

4.1 選擇合適的發(fā)電機勵磁方式

發(fā)電機的勵磁工作方式主要分為自激式同步交流發(fā)電機和永磁發(fā)電機（PMG）。 前者AVR（自動電壓調(diào)節(jié)器）的勵磁能量和檢測信號均來自發(fā)電機的電樞繞組；后者只有AVR的檢測信號來自發(fā)電機的電樞繞組，勵磁能量與發(fā)電機電樞繞組的電勢波波形畸變無關。所以，自激式同步交流發(fā)電機更易受到負載特性特別是非線性負載的影響， 因此選用PMG（永磁）發(fā)電機能更好適應 UPS的可靠運行。目前，采用自激式勵磁方式大多是100KVA以下的柴油發(fā)電機，而100KVA以上的柴油發(fā)電機多采用PMG（永磁）發(fā)電機。

4.2 合理配置發(fā)電機的容量

研究表明，自激式發(fā)電機與UPS的容量比一般選擇（2～2.5）：1；而采用PMG（永磁）的發(fā)電機，柴油發(fā)電機與UPS容量比選擇（1.3～1.35）：1就可保證供電系統(tǒng)的可靠運行[3]。

UPS在正常的運行中，不僅需要承擔負載所需的供電，而且還需要對自身的蓄電池組進行充電。充電功率大約為UPS最大輸出功率的10%-15%，再加上UPS自身的功率損耗，整機效率一般約為90%左右。因此，在計算柴油發(fā)電機的UPS負載時，還需要考慮UPS的充電功率和整機效率等因素。

舉例來說，柴油發(fā)電機需要帶載的UPS額定容量共260KVA，滿載輸出功率約208KW。假設UPS效率為90%，充電功率為UPS額定容量的15%左右，輸入功率因數(shù)為0.9，容量比選擇2:1，則所需柴油發(fā)電機容量為：

由于發(fā)電機系統(tǒng)設施的建設較為復雜，且發(fā)電機的使用壽命較長，考慮到今后新增的供電需求，可選擇功率容量為800KVA以上的柴油發(fā)電機。

4.3 優(yōu)化供電系統(tǒng)架構

柴油發(fā)電機的特性決定于其帶純阻性負載的能力要強于帶容性負載，因此可以在 UPS供電的同時，適當增加空調(diào)、風機等感性負載，使容性和感性負載的特性進行互補，從而功率因數(shù)得到優(yōu)化。

柴油發(fā)電機啟動時，分時控制變壓器、開關電源、UPS等各類負載的加載順序，降低對發(fā)電機的負荷沖擊，使柴油發(fā)電機電壓電流可盡快穩(wěn)定輸出。

4.4 選用適配性好的UPS

在UPS選型時，根據(jù)發(fā)電機的帶載特性，有針對性地選擇具備旁路鎖相頻率范圍和逆變器同步速率可調(diào)等功能的UPS，可以減少發(fā)電機頻率漂移對UPS正常工作的影響。由于采用12脈沖整流器的UPS相比于6脈沖整流器的UPS，使用的濾波電容較少，因此選擇前者，UPS呈現(xiàn)的容性負載較小，可以更好地適配發(fā)電機的供電方式，從而提高整個供電系統(tǒng)的運行可靠性。

5. 結語

隨著廣播電視機房中系統(tǒng)設備的不斷增加，原有的柴油發(fā)電機可能和UPS無法良好匹配，需要更換的情況會越來越多。但是，一味地更換大功率柴油發(fā)電機來提高UPS等非線性負荷的帶載能力，并不是最佳的選擇，導致柴油發(fā)電機組的容量不能充分利用，造成設備投資的浪費。尤其是實際負載在發(fā)電機容量30%以下時，柴油發(fā)電機組容易產(chǎn)生管路積碳等故障，增加了維護量，降低了發(fā)電機組的工作可靠性。 需要綜合考慮負載特性，選擇合適的發(fā)電機類型，并通過有效的運維管理手段提高發(fā)電機的帶載能力。

[1] 唐璐、李欣，柴油發(fā)電機組和UPS系統(tǒng)的匹配問題，不間斷電源，2008.2

[2] 張澤龍，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中柴油發(fā)電機與UPS兼容性研究，哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文，2015年6月

[3] 侯建軍，大功率UPS與柴油發(fā)電機配套使用帶來的問題及解決辦法，UPS應用，2012年1月（總第127期）