数据中心柴油发电机组带容性负载能力的案例探讨(下)
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数据中心柴油发电机组带容性负载能力的案例探讨(下)

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七、解决方案思路
从油机成功带载的测试看,只要错开每套高压直流的启动时间,同时优化高压直流的功率walk in缓启动特性,延长ATS1和ATS2投切开关之间的间隔时间,避免油机带载启动过程的所有高压直流系统同时大电流加载,即可解决该问题。因此可以根据该思路从以下几个方面进行改造优化:
一)高压直流系统方面
1)修改高压直流模块软件改变模块启动方式(增加功率walk in功能):让每个整流模块的输出电流逐步增加,经过几秒到几十秒的爬坡时间,最后增加到额定输出电流。通过这种模式设计,解决了模块通电启动瞬间直接满载输出的情况,使整个启动过程缓慢加载,避免了对后级电池过电流充电的风险,同时减少油机的直接冲击。该修改只要对模块出厂前设计好即可,现场无需再修改设置。
2)通过监控模块修改系统启动时间:目前整流模块的启动时间是固定的一个值写在整流模块里,可以修改监控软件增加监控模块对整流模块启动时间设置功能。即可以对每套高压直流系统设置不同的来电后启动时间,该启动时间值会写入所有整流模块,模块来电自启动后,待延时至预设置的时间后,才启动输出。根据现场情况,可以设置每套不同的启动时间,错开每套启动的时间。该修改需要在现场根据实际情况进行设置。
二)低压配电系统方面
1)通过错开ATS1和ATS2的自动切换时间,避免两个ATS在同一时刻切换,减少对柴油发电机的同时大电流冲击。同时适当延长ATS1和ATS2之间的时间间隔,适当减少两者负载增加过程的重叠部分,但间隔不宜过长导致电池过度放电。
2)在配电方面还可以考虑通过PLC硬件控制电操机构,逐个合闸高压直流系统输入开关,避免同时启动。以案例为例,可以对每套高压直流的整流屏的输入开关换成带延时功能的接触器,通过设置不同的来电合闸时间,也可以实现每套系统分别启动。
八、方案解决及重新带载测试验证
A、B高压直流厂家经了解情况后,对系统及模块的运行方式均进行了修改,主要修改了以下几个方面:
1)修改了每套系统启动时间,每套错开数秒,避免所有系统同时启动;
2)打开了模块walk-in功能,使系统内每个模块按每秒一个逐个启动,避免了同一套系统内所有模块同时启动;
3)调整了模块输出电压模式,采用跟踪直流母线电压方式,启动时输出直流电压比蓄电池低5V,后续输出电压按1V/秒进行调压,避免了系统启动输出瞬间产生大电流。修改后的启动波形如图15所示。在机房配电侧则延长ATS1和ATS2切换时间间隔至数十秒。
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图15 修改整流系统后的启动波形
根据前面的思路,通过优化后重新进行了油机带载切换测试,油机采用自动投入模式,油机加载过程如图16所示。从图中可以看出,油机输出功率不会瞬间突加,带载过程非常平滑稳定电压无振荡。和原来未改之前的图13相比较,没有了瞬间大电流冲击的情形,输出功率增加缓慢爬升,油机带载至约2MW都正常运行。这个启动过程也和图14的测试也类似,区别是当时采用的是手动控制每套系统间隔投入,此次是系统自动间隔投入。
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图16 从市电停电,机房负载从0逐步增加到100%时的功率曲线
我们还可以从图17的柴油发电机每相功率和PF值曲线可以看出,柴油发电机的启动过程中的确出现了前面分析的带容性负载的现象,PF值在-1到+1之间振荡着。随着更多高压直流的投入并带载(已投入运行的高压直流PF值达到1),柴油发电机所带负载的总PF值也逐步转为正值,最后全部高压直流负载带上后柴油发电机PF值达到1的优秀水平。随着总负载特性由容性转为感性再到阻性,柴油发电机带载能力逐步增强,更进一步解决了柴油发电机带容性负载问题。
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图17 修改后的柴油发电机启动波形及功率因数
九、总结
综合测试来看,经过前面几项方案调整优化实施后,油机可以在停市电后,自动带满载正常启动。从市电停电至切换到油机启动带上全部载,整个过程时间几分钟,而任何一套高压直流系统满载蓄电池后备时间按超过15分钟设计,总体备份时间风险可控。初步总结:
1)开关电源类负载,比如高频模块化UPS、高压直流、服务器PSU等在正常工作时由于有PFC电路,基本呈现阻性负载特性,PF值接近1。但是在市电转柴油发电机供电的启动瞬间则呈现很强的容性负载特性,柴油发电机需要对这些开关电源内部的电容进行充电,易导致柴油发电机受容性大电流冲击而被拉跨。
2)典型柴油发电机带载特性曲线上看,在容性负载下带载能力快速回缩,如果直接一步带容性负载到重载很容易被拉跨,但在低压柴发配电架构下可采用单电源系统级分时逐个投入,则柴油发电机启动成功的概率大大增加。
3)此外,电源系统内每个整流模块输出功率walk-in功能对电池电流过充,以及柴油发电机启动冲击都有好处,推荐此功能可以作为高压直流系统的基本配置要求,写入高压直流相关标准中,用户可以根据实际需要决定是否启用。
4)如果高压直流系统级监控无法实现每套电源逐个开机功能,则可以在设计阶段考虑采用在每套系统的输入端配电开关增加分时接触器来进行延时控制。
5)如果在业务的重要性等方面有先后,可以采用负载优先排列模式,将重要负载优先投入,再投入次级优先性负载,直到所有负载都全部实现投入。同时建议先加最大的负载(尽量不要超过20%到30%的油机容量),这样大负载的影响在系统加至重载前,减少对于系统其他负载的影响。卸载过程刚好相反处理。
6)高压直流系统启动模式修改后,整体的带载时间加长,对于延后启动时间长的系统,对蓄电池的容量性能要求较高,建议做好相关的精确化维护工作,制定相应的应急预案。
7)发电机带容性负载的能力,特别是启动突加容性负载的能力,是标准忽视的。通常发电机是按0.8感性负载设计,但实际很可能带的是容性负载,因此招标或选型时的相关参数往往容易被忽视,推荐厂验和测试验证阶段重点关注。
十、其他解决柴油发电机带容性负载的办法
前面简要介绍了柴油发电机阻抗特性,集中式中压柴油发电机特点和分布式低压柴油发电机的差异,结合某案例对低压柴油发电机带容性负载问题解决过程做了详细分析。目前国内在这方面的研究成果不多,经验也不足,如果能在设计阶段就将这个问题考虑进去,就不会被动陷入后期整改麻烦,这里在最后补充一些提前设计的可能办法。
1、可采用串联电抗器(reactor)或者调相机(synchronous condenser)。
下图是facebook数据中心的应用案例,在列头柜内下部安装有感性电抗器,用于抵消其市电直供服务器PSU电源的容性启动冲击,对PF和THDi都有一定提升,但带来了360W的功耗。对于普通用户,因对负载不清,不太容易设计实施。
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图18 Facebook数据中心应用案例,在列头柜内增加电抗抵消开关电源启动容性负载
2、或者采用SVG(Static Var Generator)静止型无功发生器,或者静止同步补偿器 STATCOM (Static Synchronous Compensator)。
传统的电容补偿柜方式不适合于容性负载场合,采用有源滤波器(APFC)和静止同步补偿器(STATCOM)也有成本太高,易故障等不足,目前其他行业在用的SVG产品在成本和性能方面较为折衷,值得研究跟进。
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图19 采用新型的SVG或者STACOM无功补偿装置,但成本很高
3、采用定制walk in功能服务器电源方案
如果市电直供的完全分布式供电架构,则可以在服务器电源内部设置10到15秒功率逐步放开的功率walk in功能,如图20所示的微软LES定制PSU电源。减少了ATS切换瞬间对柴油发电机的满功率瞬态冲击(此过程的IT负载部分由PSU内置的电池来承担),而且这个功率walk in的电流是靠LES分布式电源可控的逐步放开增加。因此柴油发电机不会受到满载瞬态冲击带来的失压振荡,同样在10到15秒内逐步带起全部的负载,保证了ATS切换的可靠性,减少了对柴油发电机的冲击振荡伤害,提高了总系统可靠性。
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图20 微软采用服务器电源PSU的功率软启动,减少对柴油发电机的负载冲击
柴油发电机组在数据中心行业的特性应用场景下,容性带载能力及突加重载能力一直是行业研究和攻克的应用难题,腾讯IDC技术专家将从测试和技术研究的角度来剖析其中的奥妙,抛砖引玉。也特别感谢电信侯福平、赖世能、孙文波等专家的技术指导。


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