淺論無功保護參數在通信用柴油機和UPS匹配中的重要性

王銘祥，楊育棟

（1.中國電信股份有限公司紹興分公司網絡操作維護中心，浙江 紹興312000；2.浙江郵電職業技術學院，浙江 紹興312016）

1 前 言

通信機房常用柴油發電機組作為市電的備用電源，以保障市電停電時電源設備的不間斷供電。在通信電源系統中采用柴油發電機組，可以避免通信電源系統通過使用龐大的電池組來獲得較長的后備時間。隨著IDC機房的快速發展，機房重要的交流負載逐步增多，UPS系統在通信電源中的比重也越來大，如何將柴油發電機組和UPS系統可靠的組合使用，提高交流供電系統的連續性和可靠性是一個很重要的課題。若兩者匹配不當常見的故障現象可能有：發電機輸出電壓振蕩、輸出電壓畸變嚴重、輸出頻率漂移嚴重（超過5%），進一步會導致UPS因輸入電壓過高損壞；旁路電壓畸變和頻率漂移在UPS故障時負載無法轉旁路，蓄電池頻繁放電等。本文將主要探討柴油發電機組和UPS系統的匹配問題。

2 UPS電源系統無功功率情況案例

首先來分析下面一個真實的案例：

某數據中心機房一臺2 550 kVA柴油發電機組，帶有兩套“2＋1”的500 kVA艾默生UPS系統。在某一次對UPS軟件升級過程中（升級時需要UPS工作在維修旁路），為了保證維修時外電的更安全可靠，決定采用油機供電模式。在發電機組啟動正常，帶載正常（負荷為1 488 kW）的情況下，對其中一套UPS系統進行主路轉維修旁路操作，該套UPS所帶服務器直接由油機電供電，不久出現了發電機組停機故障，當時1號UPS處于維修旁路供電狀態，出現負載掉電事故；2號UPS處在主回路供電狀態，進入電池放電狀態；發電機組故障停機，故障名為LOSS OF EXCITATION FAULT（勵磁丟失）。

根據柴油發電機的輸出阻抗特性分析，柴油發電機組是否能正常運行，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勵磁發電機，經整流器整流后給發電機轉子的磁場勵磁線圈。線圈電流上升或下降，控制發電機轉子線圈的磁場，從而控制轉子輸出電動勢（EMF）的大小。

圖1所示為發電機輸出等效電路。

圖1（a）為帶純感性負載的簡化示意圖。

圖1（b）為帶純容性負載的簡化示意圖。

圖1 發電機輸出等效電路

在圖1（a）中：E：電動勢EMF；Z：發電機內阻，包括感性和阻性成分；I：感性負載電流；U：發動機輸出電壓。

內阻Z包括感性和阻性兩部分。假設負載是純感性的，在相量圖中電流I滯后電壓U 正好90°相位角。如果負載是純阻性的，U和I的矢量圖曲線將重合（或同相）。實際使用中多數負載介于純阻性和純感性之間。

電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量IZ表示。它實際上是與I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E＞U，電壓調節器改變E，可以有效地控制輸出電壓U。

圖1（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I超前電壓U正好90°的相位角，內阻電壓降矢量IZ的方向也相反。則U和IZ的矢量和E＜U。

對于與感性負載時相同的電動勢E，在容性負載時就產生了較高的發電機輸出電壓U，所以電壓調節器必須明顯地減小定子線圈的磁場。

若容性負載過大，電壓調節器可能沒有足夠的調節范圍來調節輸出電壓。因為發電機的轉子含有一個永久性磁場，該永久性磁場將在一個方向連續勵磁，即使電壓調節器完全關閉，轉子永久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，柴油發電機的監控系統則認為是電壓調節器故障（勵磁丟失），這兩種情況都會引起發電機停機。

由于容性負載可能是導致柴油發電機組出現“勵磁丟失”故障的重要因素，讓我們來計算以上案例中的容性負載情況。故障時，油機所帶負載為1號和2號UPS，其中1號UPS切換至旁路／維修旁路供電，2號UPS主路供電。取1號UPS的輸出端（輸出屏）的無功功率、2號UPS輸入端（二次配電側）的無功功率、UPS空載產生的無功功率，三者無功功率皆為容性，求和得出發電機組當時所帶的容性無功功率。市電恢復后，從動環系統中導出1號UPS旁路無功數據如表1所示。

表1 1號UPS旁路無功功率（容性）

在二次配電側，取得2號UPS的無功數據如表2所示。

根據廠家提供該型號單臺UPS空載時無功功（容性）約為30 kvar。

3 解決無功保護問題的對策思路

為避免此類故障的產生，可采用的辦法通常有：（1）適當的提高柴油發電機組功率，提高柴油發電機組輸出無功功率的能力。

（2）在柴油發電機組輸出安全性允許的條件下，盡可能的調高柴油發電機的無功保護閥值。

針對第一點，需要注意的一個問題是，不能無限度的提高柴油發電機組的功率，一個是投資因素，還有如果柴油發電機機在小負荷下長期工作，氣缸內溫度較低，正常進入氣缸內的潤滑油不能完全燃燒，而燃油也不能充分燃燒，造成活塞環處、噴油嘴處積炭嚴重，氣缸磨損加劇，因而使柴油發電機組更容易發生故障，反而降低了柴油發電機組的工作可靠性。一般情況柴油發電機組要求負載最好在60%～70%額定負載的情況下工作。根據此數據，計算案例中兩套“2＋1”500 kVAUPS系統需要的柴油發電機組功率如下。

如果UPS的負荷率為80%，系統為兩套“2＋1”的500 kVA UPS，根據廠家系統參數，單臺UPS最多輸出450 kW的有功功率，那么系統滿載的情況下將會有2×2×450×80%＝1 440 kW，逆變器效率假設取95%，充電功率為UPS額定容量的15%～25%，輸入功率因數0.95，假設發電機組帶載率控制在70%，則柴油發電機組至少所需容量為：（1440／0.95＋1440／0.95×0.25）／0.95／0.7≈2 850 kVA。此案例中選用了功率為2 550 kVA的柴油發電機組，充電時油機帶載率達到了80%，所選油機容量明顯偏小。

同時為確認柴油發電機組的設備的輸出安全性，動力設備具備定期自動測試功能，測試故障發送情況，發送時長，立即通知區域人員處理，避免發生故障不能派單或延遲太久影響搶修。

結合圖2分析該款發電機在不同負荷類型下的承載能力曲線。

圖2 發電機不同負荷類型下的承載能力曲線

從粗黑曲線左側可以看出，容性負荷的最小承載能力略高于額定視在功率的30%，為S×30%＝2 550×30%＝765 kvar?？梢姶饲霸O定值沒有超過發電機的承載能力，發電機在運行中是受保護的，安全的。

4 結 論

綜上所述，為了保障柴油發電機組與UPS系統匹配，使交流供電系統連續可靠地向負載供電，除了常規的考慮抑制UPS的輸入諧波，考慮柴油發電機組的額定功率等主要因素之外，也需要關注一直來被我們所忽視的柴油發電機組中無功保護參數的設置值。在設置參數的過程中，須注意以下幾個問題：

（1）判斷UPS系統的多種工作模式中何時出現最大容性無功功率；

（2）估算此時UPS系統最大容性無功功率；

（3）設置無功功率告警閥值，同時需要考慮柴油發電機組的帶容性負載的承載能力，設置值不得超過柴油發電機組帶容性負載的最大值。

若該參數設置不當，即使柴油發電機組功率選擇合理，UPS抑制諧波效果良好，也可能導致故障的發生。

［1］帥永輝，UPS電源和柴油發電機組的匹配問題［J］機電工程技術，2003，（5）：31－33.

［2］賈繼偉.通信用柴油發電機組的功率，通信電源技術，2002，（6）：55－56.

［3］YD／T1095－2000.通信用不間斷電源—UPS，中華人民共和國通信行業標準，2000.