| 摘要：在当代数据中心供电系统中必须具备的备用能源有两种，一是备用柴油发电机（或完全独立的第二路市电），用于在主供电电网故障时继续维持数据中心正常运行；二是备用电池，用于在主供电电网故障后备用油机启动和切换时间内支持UPS继续向关键IT负载供电。 |
8.2 交流备用能源--柴油发电机
由于数据中心连续性运行的要求，柴油发电机已经成为数据中心必备的后备能源。但是用户和数据中心规划设计者对是否必须配置油机、油机是否能保证在设计指标规定时间内启动并投入运行、如何选择确定油机的容量等问题，尚有许多疑惑和不解之处。
8.2.1 现代数据中心必须配置备用柴油发电机
现代数据中心要求关键负载IT设备必须连续运行，而IT设备工作连续性同时对供电系统和空调制冷系统提出要求。特别是空调制冷系统，因主供电电网故障而使空调停运后，IT设备机架的进风温度会迅速上升。图8.3是一个高密度数据中心市电掉电后机架平均进风温度曲线。
图8.3制冷设备停止运行后机架进风温度变化曲线
该数据中心的功率密度情况是：
机房功率密度：160W/平方英尺=1.7KW/m2;
机柜平均功率密度：3.5KW/个。
设计参数是：
l 机房制冷正常温度：23.3℃;
l 机房超常温度≧25℃;
l IT设备允许最高进风温度32℃：
从图8.3可以看出，制冷设备停止运行后，经60S机房温度就上升到25℃，3.5分钟后就上升到IT设备允许最高进风温度32℃。也就是说因市电掉电或空调制冷系统故障而失去制冷功能后，IT系统只能继续运行3.5分钟。
另外两个功率密度更高的数据中心的测试结果是：
第一个：17个3KW机柜，51KW总发热量。3台40KW制冷量空调，空调停运后，大约35-40秒机柜进风口温度达到32度;
第二个：17个6KW机柜，102KW总发热量。3台40KW制冷量空调，空调停运后，大约15秒机柜进风口温度达到32度。
解决空调制冷系统连续运行的最根本的措施是在交流输入系统配置柴油发电机，一旦市电发生故障，柴油发电机可在短时间(典型时间是10-15s)启动，以便在机房温度上升到IT设备允许的进风温度之前恢复制冷功能。
8.2.2柴油发电机的输出阻抗特性
当前，性能优良的柴油发电机是一个功能完善、功率容量范围大、对环境和场地条件要求低、安装使用方便的小型发电设备，使用相当广泛，输出容量从几kVA到几兆VA。发电机组给出的电性能参数通常是可以满足一般性负载要求的。但是，在数据中心供电系统中，柴油发电机是否能正常运行，却主要取决于其输出阻抗是否与负载匹配。发电机依靠电压调节器控制输出电压。电压调节器检测三相输出电压，以其平均值与设定的电压值相比较。调节器从发电机内部的辅助电源取得能量，通常是与主发电机同轴的小发电机，传送DC电源给发电机转子的磁场激励线圈。线圈电流上升或下降，控制发电机定子线圈的磁场(或称为电动势EMF)的大小。定子线圈的磁通量决定发电机的输出电压。
图8.4所示为发电机输出等效电路，图8.4(a)为带纯感性负载的简化示意图。图8.4(b)为带纯容性负载的简化示意图。
图8.4发电机输出特性
在图8.4(a)中：
Ė：电动势EMF;
Z：发电机内阻，包括感性和阻性成分;
İ：感性负载电流;
ύ：发动机输出电压。
内阻Z包括感性和阻性部分。因为假设负载是纯感性的，在相量图中电流İ滞后电压ύ正好90º电相位角。如果负载是纯阻性的，ύ和İ的矢量图曲线将重合(或同相)。实际上多数负载介于纯阻性和纯感性之间。
电流通过定子线圈引起的电压降用电压矢量İ×Z表示。它实际上是与İ同相的电阻压降和超前90º的电感压降的矢量和，因为电动势必须等于发电机内阻的电压降和输出电压之和，则Ė>ύ，电压调节器改变Ė，可以有效地控制输出电压ύ。
图8.4(b)中，用纯容性负载代替纯感性负载，在这种情况下，输出电流方向正好和感性负载时的相反。电流İ超前电压ύ正好90º的相位角，内阻电压降矢量İ×Z的方向也相反。则ύ和İ×Z的矢量和Ė<ύ。
对于与感性负载时相同的电动势Ė，在容性负载时就产生了较高的发电机输出电压ύ，所以电压调节器必须明显地减小定子线圈的磁场。实际上，电压调节器可能没有足够的调节范围来调节输出电压。因为发电机的转子含有一个永久性磁场，该永久性磁场将在一个方向连续励磁，即使电压调节器完全关闭，转子永久性磁场连续励磁产生的电动势仍足以对电容负载充电并产生电压，这种现象称为“自激”。自激的结果是过压或者是电压调节器关机，发电机的监控系统则认为是电压调节器故障(即“失励”)。这两种情况都会引起发电机停机。
8.2.3 柴油发电机在数据中心供电系统中存在的问题
从图8.4等效电路可以看出，柴油发电机是不适合带有超前或滞后功率因数的负载以及非线性(特别是带有高次输入谐波电流)负载的。当油机输出存在这些性质的负载时，会对柴油发电机的工作稳定性造成危害。特别是图8.4(b)所示情况，这是一个典型的R、L、C串联电路，在负载性质和负载量变化过程中，很可能出现串联共振，造成油机输出电压和频率大幅度周期性变化。
当组成市电—发电机—UPS供电系统时，尽管发电机的负载量在它的额定输出容量范围
内，市电掉电后，在发电机投入运行过程中却经常发生工作不稳定，使发电机—UPS系统不能正常工作的现象。主要表现为发电机组输出电压低频振荡;发电机频率(转速)低频振荡; UPS工作不正常，当油机频率、电压振荡变化超出UPS输入工作范围时，UPS会在正常运行和电池逆变两种状态下交错运行。
以上现象突出的反映了数据中心负载的特殊性和油机的适应性：
(1)油机启动过程的负载阶跃变化
因市电故障需要将数据中心供电系统转移到发电机组时，从市电掉电到油机启动并完成市电到油机的成功转换大约需要15秒左右的时间，在这段时间内，交流供电系统输入完全停电，数据中心关键负载由备用电池经UPS的DC/AC逆变器维持供电。油机启动并完成转换后，相当于对数据中心整个供电系统的负载设备开机上电。很多负载同时起动会引起巨大的起动电流(开关浪涌、起动峰值)，并且持续一定的时间。可能存在的设备启动电流情况包括：
l 电动机类(例如空调系统)，启动电流最大值Imax=8~12In(In：额定有效值),持续20到30毫秒。启动电流为5~8倍的In，持续时间1到10秒;
l 变频调速器类，起动电流为3~4In，并持续100毫秒;
l 计算机类，每台计算机的起动电流为5~8In，并持续80毫秒;
l 隔离变压器(包括隔离变压器、UPS输入12脉冲整流用变压器和以补偿变压器为主体的交流稳压器)，起动电流为10~15In，并持续120-150毫秒;
l UPS设备将全部IT负载从电池逆变供电转换到油机供电。
(2)容性电流
发电机组只能提供相当小的容性电流(额定电流的10~30%)。如果UPS输入端配置了LC无源滤波器，则在两种情况下都会对发电机的运行产生不利的影响：
一是在启动期间。在UPS设置了延时起动的情况下，在油机启动期间，输出有功功率等于零，发电机组只为UPS前端的滤波器提供容性电流。油机实际上是对纯容性负载启动供电。
二是在稳定运行期间。通常，人们在设计和考察无源滤波器时，大多把注意力放在UPS满载或接近满载情况下的工作状态。却很少有人对滤波器在空载或接近空载时的状况感兴趣，实际上无源滤波器的滤波效果是随流过的电流的不同而而变化的，使UPS的输入功率因数成为一个变数。在空载或很小负载的情况下，无源滤波器会衍生出一个电容性超前的极低的功率因数。特别是使用那些为了满足5%最大电流失真度要求设计的无源滤波的UPS，这种情况更甚。一般情况下，当负载低于25%时，这种UPS系统的输入滤波器会导致明显的功率因数的降低，有些系统已达到空载功率因数，接近于理想的容性负载。
(3)谐波对发电机运行的影响
在传统的使用6脉冲或12脉冲整流的UPS供电系统中，系统谐波含量大输入功率因数低是个普遍的想象，特别是在UPS容量利用率低的场合更为严重。与变压器相似，磁滞现象和涡流现象也会由于谐波的作用造成发电机的损耗增大。发电机输出阻抗是频率的函数，随着频率的升高而增大。“谐波”旋转磁场是以kf的频率与转子相切割，而不是以同步频率(50或60Hz)相切割。其后果是产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率;在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗;产生振动和发出异常的噪音;加大异步电动机损耗。
8.2.4改善发电机与UPS供电系统的配置
要改善备用发电机与UPS设备之间匹配的问题，在尽量选用性能优良发电机的同时，应把注意力主要放在改善UPS的输入特性和系统的输入功率因数上。
(1)改善系统输入功率因数
改善系统输入功率因数的方法很多，下面主要介绍以下几点：
第一种方法是设置自动切换柜，使发电机的其他负载先于UPS接入。此方法只适用于大功率发电机—UPS供电系统。这样的系统中，除UPS外还有其他性质的负载。但是这种方法实现起来有一定的因难，而且在维护时工程师需要单独对UPS和发电机进行调试;
第二种方法是增加一个感应电抗来补偿容性负载，通常使用并联线绕电抗器接在发电机输出并连板上，这很容易实现而且成本较低。但是电抗器总是在消耗电流并影响负载功率因数。而且，不论UPS的数量多少，电抗器的数量总是固定的;
第三种方法是在每一台UPS中加装正好能补偿UPS的容抗的感性电抗器，在低负载情况下由接触器(选件)控制电抗器接入。此方法安装和控制的成本高;
第四种方法是在无源滤波器电容前安装接触器，在低负载时断开。由于接触器接入的时间必须精确，控制比较复杂，只能在工厂安装;
第五种方法是在UPS供电系统前面配置混合型有源滤波器DHM，使整个供电系统的输入功率因数保持在0.95以上，输入电流谐波控制在10%以下。
(2)改善UPS设备的输入功率因数
这里讲的不是用增加UPS输入端无源滤波器方法。对于传统双变换在线式UPS，可改6脉冲整流+5次无源滤波器为12脉冲整流+11次无源滤波器，这种方法对提高UPS在额定负载情况下输入功率因数是有效的，但是它的输入端同样要设置滤波器，所以不能从根本上解决与发电机的匹配问题。最有效的办法是把UPS输入端AC/DC整流电路改为高频整流(PFC)电路，这种办法可以在UPS负载0~100%范围内都把输入功率因数提高到0.95以上，当UPS负载超过50%时，可提高到0.98以上，而且输入端无需再加无源L-C滤波器，在这样的系统中，可使发电机与UPS的容量配置关系可做到1：1.3。
(3)消除系统中设备启动电流冲击
为了降低在发电机启动过程中突变负载的影响，通常对UPS设置延时启动和缓启动功能。图8.5是某UPS供电系统发电机启动时的冲击电流实测波形。该系统由1台100kVA的电力稳压器+1台80kVA的UPS组成。电网掉电后，UPS转电池逆变向负载供电，而电力稳压器则进入不工作停机状态。油机启动时面临电力稳压器(含由它供电的变压器、空调、空载运行UPS以及其它用电设备)启动和UPS由电池逆变转发电机供电的负载电流转移过程，电力稳压器输入端所产生的第1级的开机启动浪涌电流幅值包络线的变化特性为:最大峰值电流是135A,持续期为0.2s左右单极性的瞬态浪涌电流。由UPS所产生的第2级的开机启动浪涌电流,它出现在第1级的开机启动浪涌电流消失后的3~4s之后，输入电流呈“缓启动爬升”特性，输入电流的稳态值是50A。
图8.5 油机启动时的冲击电流
(4)发电机组容量的选择
数据中心供电系统设计者在考虑备用柴油发电机容量时，往往是根据系统配置的UPS 额定容量来确定发电机容量，因为UPS设备阻抗性质和工作状态的特殊性，使其成为影响发电机正常运行的主要因素，所以以UPS容量确定发电机容量的做法是有一定道理和实践根据的。实际上，在现代数据中心中，柴油发电机就是第二路电网能源，市电故障掉电后，发电机要承担全部的数据中心的用电。所以在规划时，首先应该根据总用电量来确定发电机容量。然后视系统配置的UPS类型，对选择结果进行修正。如果供电系统配置了IGBT高频整流输入的UPS，在IT设备总用电量基本确定的情况下，可用据中心的能效指标PUE来确定柴油发电机的容量。当代数据中心的能耗指标PUE在2.5左右，那么对于一个IT设备用电量为100KW的数据中心，发电机的最小容量应该是250KW。再考虑一定的裕量，应选用300 KW的油机。也就是说，用发电机容量与IT设备容量的比值表达发电机的容量，在配置了了IGBT高频整流输入的UPS的情况下，这个比值就是3：1。
但是，如果供电系统配置的是传统的6脉冲或12脉冲+无源滤波UPS时，考虑到UPS输入谐波、无源滤波容性负载的影响，就应该适当增大油机的容量。
责任编辑:GOCN
评论表单加载中...
