数据中心供电系统中柴油发电机组与UPS兼容性研究

数据中心供电系统中柴油发电机组与UPS兼容性研究

廖燕梅

广州保和电力技术服务有限公司510000

摘要：本文以数据中心供电系统为研究背景，对柴油发电机组与UPS结合问题进行了简单的分析。并论述了数据中心供电系统中柴油发电机组与UPS兼容性提升方案，以期为柴油发电机组良好适应于UPS非线性负载特性提供参考，保障数据中心供电系统对负载可靠供电。

关键词：数据中心；供电系统；柴油发电机组；UPS；兼容性

前言：数据中心是数据信息集中管控的物理空间，数据中心供电系统包括数据处理用计算机设备及配套设备、供电系统两个模块。在近几年互联网领域不断拓展的背景下，网络游戏、云计算等新兴网络业务量不断增长，促使数据中心供电系统承载数据量激增，数据中心供电系统规模也不断扩大，供电系统中柴油发电机组与UPS兼容性问题频出，严重影响了数据业务顺利进行。基于此，对两者兼容性进行适当分析非常必要。

一、数据中心供电系统中柴油发电机组与UPS结合问题

1、UPS容性特性问题

在数据中心供电系统柴油发电机组负载与感性复杂一致时，UPS（不间断电源）在进入容性负载阶段之后，输出电压会突增。此时，电压调节器周边旋转磁场也会逐步下降。而由于电压调节器内部缺乏充足空间调节输出电压，导致转子会持续对电容负载充电，进而产生电压，即“自激”。“自激”现象的出现，极易导致电压调节器出现“失励”故障。

2、谐波畸变问题

谐波畸变主要是在数据中心供电系统UPS谐波电流增加时，会导致柴油发电机与不间断电源关联系统异常，进而出现柴油发电机输出电压畸变。甚至出现电枢绕组热量异常、不间断电源整流器异常关机情况[1]。

3、电压、电流频率过分振荡

电压过分振荡主要针对反馈波动电压，在其超出额定电压的±15.0%左右后，就会致使柴油发电机组输出的电压数值缺乏稳定性；电流振荡主要是在不间断电源稳定的基础上，柴油发电机组输出电流在±30.0%范围变化，且无法调整；频率振荡主要是由于电流变化范围在±5.0%范围内，促使不间断电源处于频繁切换模式，进而出现负载规律性变化，增加机件磨损程度。

二、数据中心供电系统中柴油发电机组与UPS兼容性提升方案

1、UPS容性特性处理

针对UPS（不间断电源）容性特性导致的电压调节器故障问题，可采用功率因素校正的方式，即进行自动切换柜安装，促使电动机负载快于不间断电源接入。随后利用电抗器并联缠绕的方式，选择柴油发电机组上方适当位置，增设永久性反应电抗，以补偿容性负载缺口。并将其连接在柴油发电机输出并联板上。同时考虑到高低负载变化并不会对电抗器吸收电流能力造成影响，负载功率因素始终存在。因此，在每一台不间断电源中可以增设感性电抗器，以便在低负载情况下通过接触器精确调节电抗器投入。结合接触器的合理安装，在电抗器低负载运行过程中，可以保证时间控制精确度，提高数据中心供电系统中柴油发电机组与UPS兼容性。

2、谐波畸变处理

针对谐波畸变问题，在设计数据中心供电系统柴油发电机与不间断电源容量配比关系时，可以考虑不间断电源谐波电流畸变因素，如在典型输入谐波电流畸变率为7.5%时，可选择六脉冲不间断电源带五次滤波器。

以某数据中心供电系统为例，其现场装有2套MGEUPS3000kVA系统，每一套均为六脉冲整流UPS（不间断电源）。该中心负载接入方式为两台柴油发电机并联后进行首批负载接入，随后逐步并入其他发电机的并入。但是在首批负载测试时，发现其远低于一台柴油发电机容量，为确定UPS对单台发电机的影响，相关技术人员首先通过直流电压表、电流变，探究了UPS的输入环节对调压器的干扰，明确了调压器的动作规律。随后用纯阻性负载进行测试，并在确定负载与励磁电流、电压正向关系之后，为克服较大的负载电流在发电机内阻上产生较大的压降，相关技术人员依据单台750kVAUPS对应的负载值，逐步增加了发电机台数。并在UPS零负载的情况下，针对UPS整流器软启动过程，进行了严密观察。根据最终观察结果，得出该系统调压器动作方向、纯阻性负载方向处于背离状态。且在接入两台不间断电源之后会促使调压器进入允许范围内。若持续增加会导致发电机组进入过载状态。基于此，通过以不间断电源与柴油发电机组输出容量配比小于35.0%为标准，选择在每个容性负载上安装200kvar并联电抗器的方案。通过上述处理，随着UPS的增加，谐波畸变慢慢减少，调压器维持正常并可以控制输出电压。

3、振荡问题处理

数据中心供电系统中，柴油发电机组、不间断电源组合所导致的振荡问题是客观存在的，为解决上述问题，除选择正确的柴油发电机励磁工作模式以外，可以选择恰当的柴油发电机机组功率及更加适用于柴油发电机组特性的不间断电源[2]。如具有旁路锁相频率范围，且与逆变器同步速率的不间断电源，其具有现场可调功能，对柴油发电机组频率漂移适应性良好。基于此，在柴油发电机组选择时，根据不间断电源容量，设计安装时应避免配置容量为不间断电源容量的2.0倍的发电机组，而是选择容量为不间断电源容量1.0~1.2倍的发电机组，避免“大马拉小车”导致的发电机组频率振荡情况。

在柴油发电机组容量确定之后，柴油发电机组工作方式也影响了其与不间断电源兼容性。因此，基于现代同步发电机励磁工作方式差异，可在两条柴油发电机额定输出功率一致时，将后接负载调整为非线性负载。并利用两冲程柴油发电机组代替四冲程柴油发电机组，以提高系统负载能力。同时为保证柴油发电机输出电压稳定，可选择永磁发电机励磁方式的同步交流发电机，以全方位控制电枢绕组、磁场绕组及励磁电流。

总结

综上所述，数据中心供电系统中，柴油发电机组与不间断电源组成交流供电系统具有较为突出的安全性、稳定性问题，其对柴油发电机组自动化程度及UPS非线性负载适应能力具有较高的要求。因此，针对现阶段两者在兼容性方面出现的问题，数据中心运维管理人员可以根据数据中心供电系统特性，从电压电流振荡、不间断电源容性特性、谐波畸变等模块入手，进行逐一处理，保证数据中心供电系统平稳运行。

参考文献：

[1]雷菊勇.数据中心柴油发电机系统的有效设计[J].南方农机，2018，v.49；No.302（10）：80-80.

[2]张明智.集装箱式数据中心柴油发电机组的选择[J].电子技术与软件工程，2016（4）：224-224.