現代數據中心對供電系統的基本要求是供電的連續性,而要保證連續供電,就必須配備可連續運行的備用柴油發電機。如果數據中心配置了工頻機UPS,市電掉電后,會經常發生柴油發電機啟動后投入運行失敗的問題。根本原因在于,柴油發電機帶容性負載的能力很差,而工頻機UPS輸入無源濾波器在市電掉電后表現出極強的容性特性。
要強調的概念(五)容性負載對發電機運行的不利影響
在數據中心供電系統中,柴油發電機是否能正常運行,主要取決于其輸出阻抗是否與負載匹配。
發電機依靠電壓調節器控制輸出電壓。電壓調節器檢測三相輸出電壓,以其平均值與設定的電壓值相比較。調節器從發電機內部的輔助電源取得能量,通常是與主發電機同軸的小發電機,傳送DC電源給發電機轉子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降,控制發電機定子線圈的磁場(或稱為電動勢EMF)的大小。
圖8所示為發電機輸出等效電路,圖8(a)為帶純感性負載的簡化示意圖。圖8(b)為帶純容性負載的簡化示意圖。
在圖8(a)中:
-電動勢;
-發電機內阻,包括感性和阻性成分;
感性負載電流;
-發動機輸出電壓。
內阻包括感性和阻性部分。因為假設負載是純感性的,在相量圖中電流
滯后電壓
正好90°電相位角。如果負載是純阻性的,和的矢量圖曲線將重合(或同相)。實際上多數負載介于阻性和感性之間。
電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量×表示。它實際上是與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電機內阻的電壓降和輸出電壓之和,則
電壓調節器改變,可以有效地控制輸出電壓。
圖8(b)中,用純容性負載代替純感性負載,在這種情況下,輸出電流方向正好和感性負載時的相反。電流超前電壓正好90°的相位角,內阻電壓降矢量×的方向也相反。則和×的矢量和
。
對于與感性負載時相同的電動勢,在容性負載時就產生了較高的發電機輸出電壓,所以電壓調節器必須明顯地減小定子線圈的磁場。因為發電機的轉子含有一個性磁場,該性磁場將在一個方向連續勵磁,即使電壓調節器完全關閉,轉子性磁場連續勵磁產生的電動勢仍足以對電容負載充電并產生電壓,這種現象稱為“自激”。自激的結果是過壓或者是電壓調節器關機,發電機的監控系統則認為是電壓調節器故障(即“失勵”)。
討論了油機的輸出特性后,再看看UPS在市電掉電后的工作狀態,如圖9所示。
此時UPS的工作狀態是:市電掉電后,電池通過DC/AC逆變向負載供電,輸入端AC/DC控制關斷,UPS輸入斷路器并未關斷,此時油機啟動正常后經ATS轉換面對的負載是UPS無源濾波器。待油機啟動切換成功后,UPS檢測到輸入電壓正常后才轉到市電供電狀態。
要提示的概念(六)油機啟動后切換時面臨的是空載UPS
要糾正的概念(七)油機啟動切換后的負載與UPS是否緩啟動無關
一種說法是,UPS輸入可以緩啟動,這樣可減輕對油機啟動加載的壓力,顯然這種情況是不存在的。
要糾正的概念(八)科華UPS啟動切換是否成功與UPS的輸入功率因數和諧波含量無關
一種說法是,工頻機輸入功率因數完全符合標準要求,輸入功率因數可達0.95,諧波小于10%,不會對油機啟動和切換產生影響。這種說法是沒有意義的,實際情況是,此時UPS主機輸入不產生任何諧波,油機啟動和切換與UPS輸入功率因數和諧波沒有任何關系。
要明確的概念(九)在科華UPS輸入空載情況下,無源濾波器呈現純容性阻抗
眾所周知,工頻機UPS輸入無源濾波器的濾波效果隨著輸出負載的減小而變差,當負載為零時,無源濾波器會呈現由電容量決定的純容性特性,所以,市電掉電油機啟動后,將面臨純容性負載切換。
要明確的概念(十)
在UPS1+1冗余系統中,負載的容量是一臺UPS額定容量,而無源濾波器相對發電機確(卻)是兩臺相加的
在1+1冗余系統中,或2N供電系統中,負載的容量是一臺UPS額定容量的容量,而油機啟動切換時的負載卻是兩臺額定容量UPS的容性無源濾波器,而且UPS冗余度越高,例如2(N+)系統,對油機啟動切換的壓力越大。
需要提示的概念(十一)
為了保證數據中心備用柴油發電機能夠正常啟動切換,當配置工頻機UPS時,就需要大幅度增大油機容量。這里涉及到高頻機與工頻機對油機容量配置的影響。
表1和表2分別列出的是油機只帶UPS系統和油機為整個數據中心供電時,針對工頻機和高頻機兩種情況的油機容量與負載容量配置的比較。
從表中數據可以看出,由于高頻機輸入功率因數高,不需要配置無源濾波器,當系統需要配置柴油發電機時,發電機容量與負載的容量比,只為UPS供電為1.3倍,為整個數據中心供電為大于或等于系統總用電量,特別是,這個配比與UPS是否冗余無關。
當配置工頻機UPS時,需要的油機容量顯然大很多,只為UPS供電為2～4倍,為整個數據中心供電為大于或等于1.5～2倍系統總用電量,特別需要強調的是,油機容量與UPS是否冗余有直接關系,在UPS冗余配置時,只為UPS供電為3～5倍,為整個數據中心供電為大于或等于2倍系統總用電量。
當柴油發電機為由工頻機UPS供電的數據中心供電時,油機容量要大幅增加,即便如此,市電掉電時油機是否能正常啟動,仍是一個不確定的因素。