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康明斯发电机组与UPS装置的兼容性

文章出处:深圳发电机出租    信息来源:https://www.szfdjcz.cn   人气:   发表时间:2022-02-18

  不间断电源系统的制造商和用户很早就已经注意到发电机组和备用电源之间的配合问题,特别是由整流器产生的电流谐波对供电装置如发电机组的电压调节器、备用电源的同步电路出现的不好影响非常明显。因此,备用电源系统工程师们设计了输入滤波器并把其应用到备用电源中,成功地在备用电源运用中控制了电流谐波。这些滤波器对备用电源与发电机组的兼容性起到了关键功能。

  事实上所有的输入滤波器都使用电容器和电感来吸收备用电源输入端最具破坏性的电流谐波。输入滤波器的设计考虑了备用电源电路固有的和在满载状况下的最大可能的全部谐波畸变的百分比。大多数滤波器的另一个益处是提升带载备用电源的输入功率因数。然而输入滤波器的运用带来的另一个后果是使备用电源整体效率减小。绝大多数滤波器消耗1%左右的备用电源容量。输入滤波器的设计一直在有利和不利因素之间寻求平衡。

  为了尽可能提升备用电源系统的效率,近期备用电源工程师在输入滤波器的功耗方面做了改善。滤波器效率的提高,从很大程度上取决于将IGBT(绝缘门级晶体管)技术运用到备用电源设计中。IGBT逆变器的有效率引起了对备用电源的重新设计。输入滤波器可以吸收某些电流谐波,同时吸收很小一部分有功容量。总之,滤波器中感性要素对容性因素的比率减小了,备用电源的体积变小了,效率提高了。在备用电源领域的事情好像得以解决了,然而新问题与发电机的兼容性又产生了,替代了老问题。

  一般,人们把注意力放在备用电源满载或接近满载情形下的作业状态。绝大多数工程师都能表述满载情况下的备用电源工作特性,特别是输入滤波器的特点,然而很少有人对滤波器在空载或接近空载时的现状感兴趣。毕竟备用电源及其电气系统在轻载状态下的电流谐波影响很小。然而,备用电源空载时的作业数据,特别是输入功率因数对于备用电源与发电机的兼容性相当重要。

  最新设计的输入滤波器,在减少电流谐波及提高满载情形下的容量因数方面有了较好的效果。但是在空载或很小负荷状况下却衍生出一个电容性超前的极低的容量因数,特别是那些为了满足5%最电网流失真度的滤波器。通常状况下,当负载低于25%时大多数备用电源机构的输入滤波器会致使明显的容量因数减小。尽管如此,输入容量因数却很少会低于30%,有些新的机构甚至已达到空载功率因数低于2%,接近于理想的容性负载。

  这种情形不影响备用电源输出和关键负荷,电网变压器和输配电装置也不受影响。但发电机就不同了,有经验的发电机工程师知道:发电机带大容性负荷时工作会异样,当接入较低功率因数负载,典型的低于15%~20%容性时,由于系统失调,可能致使发电机停机。在大电停电后产生这种停机应急发电机机构带动备用电源系统负荷将造成灾难性故障。由于下述两种缘由停机给关键负荷带来危险:第一,发电机需要手动重启,并且必须在备用电源电池放电结束前;第二,在停机前发电机可能致使系统的“过压”,它可能损坏电话设备、火警机构、监控网络甚至备用电源模块。更糟糕的是,在损坏发生后,很难分类责任,找出问题所在并予以纠正。备用电源厂商说备用电源装置测试完好,并指出其它地方相同的设备没有产生类似问题。发电机厂商说是负载的问题,无法调节发电机来解决问题。同时,用户工程师则说明他的规格要求,希望两个厂商相互兼容。要通晓为什么会产生事故及如何防止(或如何在关键应用中找出处置步骤),首先需要领悟发电机与负载的作业关系。

  发电机依靠电压调整器控制输出电压。电压调整器检查三相输出电压,以其平均值与要求的电压值相比较。调整器从发电机内部的辅助电源取得能量,一般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旋转磁场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。

  发电机定子线圈的内阻以Z表示,包括感性和阻性部分;由转子励磁线圈控制的发电机电动势用交流电压源以E表示。假设负荷是纯感性的,在向量图中电流I滞后电压U正好90°电相位角。如果负载是纯阻性的,U和I的矢量将重合或同相。实际上多数负载介于纯阻性和纯感性之间。电流通过定子线圈致使的电压降用电压矢量I×Z表示。它实际上是两个较小的电压矢量之和,与I同相的电阻压降和超前90°的电感压降。在本例中,它恰好与U同相。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,即矢量E=U和I×Z的矢量和。电压调节器改变E可以有效地控制电压U。

  现在考虑用纯容性负荷代替纯感性负荷时,发电机的内部情形会产生什么变化。这时的电流和感性负载时正好相反。电流I现在超前电压矢量U,内阻电压降矢量I×Z,也正好反相。则U和I×Z的矢量和小于U。

  因为和感性负载时相同的电动势E在容性负载时出现了较高的发电机输出电压U,故而电压调整器必须明显地减小旋转磁场。实际上,电压调节器可能没有足够的范围来完全调节输出电压。所有发电机的转子在一个方向持续励磁含有永久磁场,即使电压调节器全关,南湖发电机出租转子仍有足够的磁场对电容负荷充电并产生电压,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损坏(即“失励”)。这任一种状况都会致使发电机停机。

  发电机输出端所接的负载,可能是独立的,也可能是并网的,决定于自动切换柜作业的定时和设置。在某些运用中,停电时备用电源系统是发电机接入的第一个负载。在其它情况下,备用电源和机械负载同时接入。机械负荷一般有起动接触器,停电后重新闭合需要一定时间,补偿备用电源输入滤波电容器的感性发电机负荷要有延时。备用电源本身有一段时间称为“软启动”周期,将负荷从电池转向发电机,使其输入功率因数提高。然而,备用电源的输入滤波器并不参与软起动程序,他们连接在备用电源的输入端是备用电源的一部分,因此,在某些情况下,停电时首先接到发电机输出端的主要负载是备用电源的输入滤波器,它们是高容性的(有时是纯容性的)。 清除这一问题的方案很明显要用功率因数调校。这有多种方法可以实现,大致如下:

  装配自动切换柜,使发电机负载先于备用电源接入。某些转换柜可能不能实现这种方法。另外,在维护时,工厂工程师可能需要单独调试备用电源和发电机。

  增加一个永久性反应电抗来补偿容性负荷,通常使用并车缠绕电抗器,接在E-G或发电机输出并车板上。这是很容易实现的,而且成本过低。但是无论在高负荷还是在低负荷的状况下,电抗器总是在吸收电流并影响负载容量因数。而且不论备用电源的数量多少,电抗器的数量总是固定的。

  在每一台备用电源中加装感性电抗器,正好补偿备用电源的容抗。在低负荷情形下由接触器(选件)控制电抗器的投入。此方案电抗器较精确,但数量较大且装配和控制的成本高。

  在滤波电容前安装接触器,在低负荷时断开。因为接触器的时间必须精确,控制比较复杂,只能在工厂装配。

  以下是一个备用电源和发电机兼容性问题的实例,一个在线服务供应商的新建数据中心在调试运转时发生的。它表明厂商、工程师和用户如何发现并消除问题的。

  现场装有3套MGE 备用电源 3000kVA装置,每一套由4台75 kVA IGBT调宽调频模块组成,可扩展到6台。模块的设计负载率是65%,备用电源模块配有输入隔离变压器和最大5%输入电流谐波滤波器。所有的模块分别连到两组发电机并网总线 kW的发电机,可以扩展到6台。每台发电机都配有电子调压器。每条并车总线的电源转换计划是,在第一批负荷接入前,等待两台发电机并车。第一批负载包含每套系统中的一台备用电源和部分空调负荷。随着后续发电机的并入,与第一批相同的负载随后加入。在损坏模式测试中操作员发现,带第一批负荷的两台发电机中有一台故障时,另一台将产生过压报警并于2s后关机。但是第一批负荷远低于一台发电机的容量,由于此时备用电源的负载很轻。随即安排了进一步的测试,以确定备用电源对单台发电机的影响。因为首先怀疑的是备用电源的输入环节对调压器的干扰,因此测试的备用电源不带负荷,或备用电源的逆变器关闭。测试机构包括直流电压和电流表,直接监测场激励线圈,由于这些参数由调压器控制,可以立即反映出调压器的动作。同时用发电机本身的仪表监测负荷的容量(W)、电流电压(VA)、乏(var)。

  首先用纯阻性负载进行测试以建立基准。它表明随着负载增加励磁电流和电压上升,如康明斯所预期。较大的负载电流在发电机内阻Z上发生较大的压降I×Z,必须克服它以保持输出电压U稳定。接着测试备用电源对发电机的影响,每次增加一台。备用电源不带负荷,观察备用电源整流器软起动步骤。测试结果很明显调压器的动作和纯阻性负荷时相反。接入两台备用电源后,调压器已接近允许范围的边缘,再加一台使得发电机2s后进入过载状态。

  请注意单台750kVA 备用电源对应的负荷值。它造成发电机关机实质上却没有真实负荷,每台备用电源接近230kvar的容抗使得容量因数为0。

  由工程师、业主、承包商、供货商和厂商结构的项目小组,在考虑了所有的可能性后,选用了在每个容性负载上安装反应电抗器的方法。根据前面测试的参数,厂商为每台备用电源设计了200kvar并联电抗器,并由接触器控制,承包商在现场将其与备用电源的输入滤波器并联安装,工程师设计了外部控制电路,它测发电机的负荷,仅当备用电源由发电机供电且发电机的总kW负载低于一个(可调)设定值时,才允许电抗器接入。项目小组用修改后的备用电源接入一台发电机重新测试。

  这时电容的影响依然存在,电抗器只能平衡部分而不是全部电容。因此,随着备用电源的增加,励磁电流慢慢减少,然而这并不会造成问题。因为6台备用电源已超出一台发电机的容量,而调压器依然正常并控制着输出电压。

  电容自激问题可能被其他电气状态所加重或掩盖,如串联共振。当发电机的感抗的欧姆值和输入滤波器容抗的欧姆值相互拉近,并且机构的电阻值较小时将出现振荡,电压可能超出电力系统的额定值。新近设计的备用电源机构实质上为100%的电容性输入阻抗。一台500kVA的备用电源可能有150kvar的电容和接近于0的容量因数。并网电感、西丽发电机出租串联扼流圈和输入隔离变压器是备用电源的常规部件,这些部件都是感性的。事实上他们和滤波器的电容一起使备用电源总体表现为容性,可能在备用电源内部已经存在一些振荡。加上连到备用电源的输电线的电容特点,整个装置的复杂性大为提升,超出了一般工程师所能分析的范围。

  近来在关键运用中两个附加条件使得这些问题更普遍。首先,根据用户高可靠参数处置的要求,计算机设备厂商在其装置中更多地供应冗余电源输入。现在典型的计算机柜都带有两个或更多电源线。其次,装备经理要求装置支持在线保养,他们希望在备用电源关机保养时关键负荷也有保护。这两个要素使得典型参数中心备用电源的安装数量增加,每台备用电源的负载容量减小。但是发电机的增加没有与备用电源保持一致。在装置经理的眼中发电机通常是备载的,容易安排维保。另外在一些大的项目中资金压力限制昂贵的大容量发电机组的数量。结果是每台发电机带更多的备用电源,这是一个令备用电源厂商高兴发电机厂商烦恼的趋势。

  对自激和振荡的最佳防卫是物理学的基本知识。工程师应仔细地确定备用电源机构在所有负荷条件下的容量因数特点。备用电源设备装配后,业主应坚持全面的测试,在调试验收时仔细测量整个机构的作业参数。当发现问题时,最佳的方案是成立由厂商、工程师、承包商和业主组成的项目小组,对装置进行完全测试并找出处置措施。


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