動態(tài)UPS和柴油發(fā)電機組的靈活配置

1、動態(tài)UPS和柴油發(fā)電機組的靈活配置PillerPowerSystem摘要為了保護關鍵設施免受斷電的影響，標準方法是安裝不間斷電源系統(tǒng)(UPS)。通常不管是長時間還是短時間斷電都需要進行橋接，所以UPS系統(tǒng)會配合外部柴油發(fā)電機使用或直接與柴油發(fā)動機組合成柴油機動態(tài)UPS(DR-UPS)系統(tǒng)。目前業(yè)界已經(jīng)安裝運行了近3250MVA的“動態(tài)UPS(RUPS)+外部柴油發(fā)電機組”的不間斷供電系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的可靠運行證明了該系統(tǒng)配置是一種行之有效的解決方案。由干這個組合的獨特優(yōu)勢,一些主要的T3和T4級數(shù)據(jù)中心都采用了這項技術。動態(tài)UPS的最新機型在早期數(shù)據(jù)中心負載較低的情況下,也可以實現(xiàn)前所未有的多種

2、靈活配置與極高的效率。本文主要討論柴油發(fā)電機與動態(tài)UPS組合的總體要求，并展示了多種組合方式,以在低壓及中壓下實現(xiàn)更高的可維護性以及更多的發(fā)動機選擇的相關內(nèi)容。此外,還介紹了如何將柴油發(fā)電機集成到動態(tài)UPS的控制系統(tǒng)中，從而建立一個強大的多功能系統(tǒng)，被稱為DeRUPS(電耦合的柴油機動態(tài)UPS系統(tǒng))。這種集成允許以更復雜的設計形式使用外部柴油發(fā)電機，如IP系統(tǒng)，同時保持UPS和柴油機實體分離的優(yōu)勢?，F(xiàn)代動態(tài)UPS的特點現(xiàn)代動態(tài)UPS系統(tǒng)體現(xiàn)了最高的可靠性與極高的效率，系統(tǒng)中的能量儲存設備提供了必要的橋接時間。這一系統(tǒng)的日常維護機制非常簡單,與靜態(tài)UPS解決方案相比其對其他設備的影響更小。可靠性

3、動態(tài)UPS系統(tǒng)采用最簡單也最可靠的方法，就是使用同步電機發(fā)電。這一工作原理加上最先進的數(shù)字電子控制和用戶界面，使其比目前市場上任何單一的UPS系統(tǒng)都具有更高的可靠性。效率和成本現(xiàn)代動態(tài)UPS系統(tǒng)采用先進的材料和設計，以實現(xiàn)高達97%的運行效率,低負載時效率高達95%。由于低損耗以及堅固耐用的設計，動態(tài)UPS系統(tǒng)往往不需要任何主動冷卻式裝置,如空調(diào)等，從而使系統(tǒng)運行在其整個壽命期間更具濟性。雖然有時候在項目初期動態(tài)UPS系統(tǒng)的投入會超過靜態(tài)UPS系統(tǒng)。然而，動態(tài)系統(tǒng)更為簡單的日常維護、更長的使用壽命以及更高的運行效率,將明顯地減少總持有成本并可在短短幾年時間內(nèi)就達到收支平衡點。靈活性圖1所示拓撲

4、結構使得動態(tài)UPS系統(tǒng)可在低壓或中壓使用,系統(tǒng)可使用電池或飛輪作為儲能裝置。II咼血取辰化肌耳按1臥大“備迪時改計知期皆份飛輪高遲腳,圖1現(xiàn)代動態(tài)ups系統(tǒng)特征及靈活性動態(tài)UPS系統(tǒng)與飛輪等動能存儲設備結合使用，與基于電池的系統(tǒng)相比,將大大減少占地空間。空出的大量地面空間可以用于安裝其他設備或增加凈可用技術/生產(chǎn)車間空間。動態(tài)UPS系統(tǒng)很容易并聯(lián)起來從而增加總功率或實現(xiàn)冗余。由于同步發(fā)電機的并聯(lián)是基于強大的、自同步有效的電源，因此無需額外的快速復雜的調(diào)控結構。某些動態(tài)UPS系統(tǒng)通過利用同步發(fā)電機能夠提供足夠的有功功率,功率因數(shù)范圍包括滯后0.8至超前0.8,而無需降低超前功率因數(shù)。動態(tài)UPS系

5、統(tǒng)短路容量為12-14倍的標稱電流.從而易于下游配電系統(tǒng)的故障清除，并且無需通過轉旁路即可清除下游的短路故障。所有這一切都表明高端應用的動態(tài)UPS系統(tǒng)具有高適用性和效益性，高可靠性與全面的持有成本優(yōu)勢。為此,許多大型國際數(shù)據(jù)中心、銀行、工業(yè)制造和醫(yī)院等行業(yè)在需要安裝新系統(tǒng)時都會毫不猶豫地選擇該項技術動態(tài)UPS系統(tǒng)。橋接時間據(jù)統(tǒng)計,96%以上的電源中斷持續(xù)時間小于3s。儲能裝置的實際無間斷橋接時間為飛輪:030s;電池:030s（由電池容量而定）；柴油發(fā)電機:10s到小時（級）。從圖2的統(tǒng)計信息可以發(fā)現(xiàn)，純飛輪儲能的UPS系統(tǒng)能夠處理96%以上停電故障。電池儲能UPS系統(tǒng)根據(jù)電池規(guī)格大小，可以橋

6、接99%的停電。而單獨的柴油發(fā)電機無法橋接停電后的前10s，因此，為確保所有停電都能夠得到橋接，必須采用一個短期的儲能裝置并結合使用長期的橋接設備,如柴油發(fā)電機等。電瀰故障持陵時間圖2中壓電網(wǎng)的停電統(tǒng)計毎年出現(xiàn)電源故障的次數(shù)UPS和柴油機的各種組合圖3顯示了UPS系統(tǒng)和柴油發(fā)電機的典型組合，在該組合中柴油發(fā)電機在市電停電后起到代替市電電源的作用。這種布局通常用于靜態(tài)UPS解決方案中。由于用于靜態(tài)UPS系統(tǒng)中的逆變器通常并非為雙向運行而設計的，這一設計是在柴油機運行中為儲能裝置充電的最簡單的方式。如果靜態(tài)UPS系統(tǒng)是在雙變換模式下運轉，柴油機的頻率波動不會轉移到UPS系統(tǒng)的負載側，而且負載所產(chǎn)生

7、的諧波不會傳輸?shù)桨l(fā)電機。雖然，靜態(tài)UPS系統(tǒng)在ECO模式下運轉將提高其效率,但給發(fā)電機增加了一些弊端，如未過濾的諧波、在UPS輸入中無功率因數(shù)校正，以及柴油機頻率變化等。市電7-7_JL圖3帶電池的靜態(tài)UPS系統(tǒng)與柴油發(fā)電機的典型組合這種工作模式是某些現(xiàn)代動態(tài)UPS系統(tǒng)不涉及的。先進的動態(tài)UPS電源以及柴油機在運行中，都以相同的高效率運行，同時能夠保證功率因數(shù)校正和諧波濾波。此外，對比傳統(tǒng)的靜態(tài)UPS系統(tǒng)，動態(tài)UPS系統(tǒng)與柴油機的組合形式更為廣泛。動態(tài)UPS系統(tǒng)與電耦合的柴油發(fā)電機的組合被稱為DeRUPS，是比單純使用發(fā)電機組作為替代電源的另外一種有趣的變體。使用動態(tài)UPS能夠將發(fā)電機組連接至

8、UPS系統(tǒng)的輸出總線，從而提供了功率分享、頻率穩(wěn)定以及可維護性等高級功能。每個外部發(fā)電機組基本上都能夠帶無間斷負載以及可短期間斷負載(見圖4)。如果發(fā)電機組連接到UPS系統(tǒng)的輸入端，在柴油機運轉時同樣可以保持無間斷負載和可短期間斷負載的供電，在數(shù)據(jù)中心行業(yè)是相當受歡迎的一個功能。I1市葩丄市皚盥期間斷煲栽J一短期屁斷負載市電圖4DeRUPS系統(tǒng)與發(fā)電機組的上游或下游結合由于幾乎所有的動態(tài)UPS系統(tǒng)可以在中壓狀態(tài)下使用，所有與外部發(fā)電機組的組合也可以在中壓狀態(tài)下使用。在這種情況下在電壓等級允許的前提下，發(fā)電機組可配備中壓發(fā)電機。動態(tài)UPS與發(fā)電機組組合的功能任何UPS系統(tǒng)與柴油發(fā)電機的組合中，通

9、常必須考慮的一個方面是兩種電源之間的轉換,即UPS系統(tǒng)的儲能裝置與柴油發(fā)動機之間的交互作用。這種交互作用最終構成了任何UPS系統(tǒng)與柴油發(fā)電機之間簡單組合與電耦合的柴油機動態(tài)UPS系統(tǒng)(DeRUPS)之間的差異，在后一種系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機組完全集成在UPS系統(tǒng)的功能行為中。理解這一相互作用有助于區(qū)分有功電源和無功電源，如圖5所示。無功功率有功功率P&werbridge圖5電源和功率類型之間的關系無論柴油發(fā)電機連接的是UPS系統(tǒng)的上游或下游，柴油發(fā)動機需要能夠為負載提供有功功率、為儲能裝置充電并彌補UPS系統(tǒng)的損失。上游發(fā)電機組的發(fā)電機需要為UPS系統(tǒng)提供所需的電流，還需要能夠為UPS系統(tǒng)提供無功

10、功率,并處理UPS系統(tǒng)輸入處的潛在整流電路的諧波。由于發(fā)電機組會自然生成正弦波動態(tài)UPS系統(tǒng)不會產(chǎn)生任何諧波,其輸入功率因數(shù)接近1。發(fā)電機組與UPS系統(tǒng)的下游連接可以稍微提高一點效率，因為這樣避免了在柴油機運轉時UPS系統(tǒng)產(chǎn)生正向損耗。通過利用無功電流控制裝置可以避免UPS系統(tǒng)與發(fā)電機之間的無功功率的交換。最好的做法是UPS系統(tǒng)或者發(fā)電機組兩者之一為負載提供無功功率，而另裝置將其無功功率調(diào)節(jié)為零。與UPS系統(tǒng)上游連接的柴油發(fā)電機UPS系統(tǒng)的運行通常與在電源下運行的UPS系統(tǒng)類似,即使電源由柴油發(fā)電機供給。因此，UPS系統(tǒng)將任何負載變化傳輸?shù)诫娫粗?，這樣還不如過去穩(wěn)定。當負載從80%上升到100

11、%時很容易會導致發(fā)動機崩潰，并且不論是處于負載情況下還是卸載情況下都自行關閉。某些帶電耦合飛輪的動態(tài)UPS系統(tǒng)能夠處理兩個功率方向，因此可以穩(wěn)定柴油發(fā)電機的頻率。在這種情況下，發(fā)電機組與動態(tài)UPS系統(tǒng)的上游或下游連接不會產(chǎn)生任何影響。然而,由于頻率調(diào)節(jié)被分配到柴油機動態(tài)UPS系統(tǒng)的負載側，如果發(fā)電機組與UPS系統(tǒng)的下游連接,其性能會更好。對比圖6和圖7并舉例說明了雙向頻率穩(wěn)定對柴油發(fā)電機供電網(wǎng)絡的影響。GfetmorUi-U2.Deft*Frequency(%)Mio:3,11%RefrarictMOOHi圖6在50%負載斷開和再連接下柴油發(fā)電機的頻率響應，此處沒有額外的頻率穩(wěn)定Gtntril

12、orU1-U2.DtfltaFrequency(%)Mkn:-0.59%Max:0.94%Rrernc;49n99He圖7在50%負載斷開和再連接下柴油機動態(tài)UPS系統(tǒng)在柴油機運轉下的頻率響應，通過Piller公司的配備有POWERBRIDGE飛輪儲能裝置及外部柴油發(fā)電機的UNIBLOCKUBTD提供雙向頻率穩(wěn)定此外,電耦合飛輪允許能夠以與短期重新充電時相同的速度進行充電和放電，并能夠減少柴油機的運行時間，從而進一步節(jié)省運行成本。而這些特征是電池UPS系統(tǒng)所沒有的。因此,此類飛輪支持系統(tǒng)廣泛應用于解決市電干擾問題方面。5動態(tài)UPS與發(fā)電機組的幾種連接方式F面對比一下UPS系統(tǒng)和柴油發(fā)電機的幾種

13、連接方式。(1)柴油發(fā)電機位于UPS的上游上游的柴油發(fā)電機在電源中斷時用作電源的替代品。這些發(fā)電機可以以并聯(lián)的方式運行并向同一條總線輸送電源以便為多個UPS系統(tǒng)供電，或在大型UPS裝置中，每個UPS裝置分配一臺發(fā)電機。如果柴油發(fā)電機并聯(lián)連接最佳做法是分別向獨立的總線供電，并通過中央斷路器將這些總線連接至UPS系統(tǒng)的輸入端，如圖8所示。發(fā)電原市電斷路攜市電UPS圖8適合執(zhí)行起動同步的發(fā)電機組控制裝置的實例分開的發(fā)電機組總線還允許通過起動同步(也被稱為死總線同步)來起動發(fā)電機組。在這種情況下，所有的發(fā)電機組已被連接到總線并同時起動,沒有額外的同步時間用于考慮起動單個發(fā)電機組。結合含有此種特殊功能的

14、高品質發(fā)電機組控制裝置，這種起動方法的起動時間最短，并保證即使采用帶飛輪儲能裝置的UPS系統(tǒng)，負載也能夠可靠地由發(fā)電機組提供。旦所有的發(fā)電機組起動并為其總線供電，發(fā)電機斷路器將閉合以接通UPS系統(tǒng)的輸入總線。這樣避免了在所有發(fā)電機組準備好為總線供電時，UPS系統(tǒng)返回市電。市電斷路器與發(fā)電機斷路器是電氣聯(lián)鎖關系，一旦市電再次可用，斷路器很容易轉換至市電，如圖9所示。市電III圖9柴油發(fā)電機向一組動態(tài)UPS系統(tǒng)的輸入總線供電，并可在單機環(huán)境下或并聯(lián)配置中運行這種布置的一個優(yōu)點是,柴油發(fā)動機的數(shù)量與UPS系統(tǒng)的數(shù)量可以不相同，即使還需要考慮柴油發(fā)電機的冗余。發(fā)電機組的維護與UPS系統(tǒng)的維護相互獨立、

15、互不影響，包括從冗余配置中單獨取出一個裝置。作為備用的柴油發(fā)電機可通過UPS系統(tǒng)的維護旁路永久供給負載，這在電源質量非常糟糕的國家中是一個令人關注的功能。(2)動態(tài)UPS的下游與柴油發(fā)電機連接將發(fā)電機組連接到UPS系統(tǒng)的負載側是一種不太常見的方法，因為大多數(shù)靜態(tài)UPS系統(tǒng)無法處理這種情況。圖10顯示了一個可能的配置，這種配置中有些優(yōu)勢是值得考慮的。市電r亠jIIIIIIIII圖10動態(tài)UPS系統(tǒng)在負載側與發(fā)電機組連接在此配置中，必須控制UPS系統(tǒng)儲能裝置與柴油發(fā)電機之間的功率共享。這一功率共享能力用于電源故障情況下,在柴油機起動并連接至負載總線后立即將UPS供電電源供給至柴油機。這一功能結合了

16、動態(tài)UPS系統(tǒng)與發(fā)電機組成為一個真正的電耦合的柴油機動態(tài)UPS系統(tǒng)，并已用于某些現(xiàn)代動態(tài)UPS系統(tǒng)并允許在柴油機運行時對儲能裝置進行充電。如果雙向操作儲能裝置，如電氣連接的飛輪儲能裝置，其能量存儲可被用來保持一個穩(wěn)定的輸出頻率。這種情況常見于在加載操作中通過飛輪供應電源直至柴油機起動接管負載，以及在卸載操作中，通過飛輪吸收柴油機多余的電源直至閥門關閉。由于這種交互作用，電耦合的柴油機動態(tài)UPS系統(tǒng)還能夠控制所有類似的同步過程，例如，在市電恢復后將電耦合的柴油機動態(tài)UPS系統(tǒng)返回至電源操作。對于上游連接的發(fā)電機組，沒有嚴格要求一臺發(fā)電機組必須分配給一個動態(tài)UPS系統(tǒng),因為即使動態(tài)UPS系統(tǒng)的數(shù)量與發(fā)電機組的數(shù)量不相同，也不會影響其功能。電耦合的柴油機動態(tài)UPS系統(tǒng)也非常適合用于IP系統(tǒng)中，圖11顯示了這樣的一種組合。此處發(fā)電機組的額外功率也可用來提供給可短期間斷負載。無間斷血我短期間斷負収圖11電耦合的柴油發(fā)電機動態(tài)PS系統(tǒng)集成至P系統(tǒng)柴油發(fā)電機與動態(tài)UPS系統(tǒng)下游連接的另一個優(yōu)點是，如果需要，發(fā)電機可以獨立于UPS系統(tǒng)進行工作。因此，根據(jù)每個發(fā)電機組自身攜帶的控制系統(tǒng)，發(fā)電機組的維護可以與UPS系統(tǒng)的維護分開單獨進行，如圖12所示。在發(fā)電機組的維修過程中,負載仍然可以得到動態(tài)UPS系統(tǒng)的短期保護,該系統(tǒng)通常可以橋接幾乎所有的電