謝超 南京廣播電視臺

閆濤 奚曉軼 江蘇省廣播電視總臺

1.前言

供配電系統(tǒng)是廣播電視技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分。總局廣播電視安全播出管理規(guī)定的各專業(yè)實施細(xì)則對廣播電視中心、無線發(fā)射臺、衛(wèi)星地球站等技術(shù)系統(tǒng)提出了配置自備電源、關(guān)鍵設(shè)備采用 UPS供電等具體要求。自備電源一般采用柴油發(fā)電機(jī)，在外電長時間停電時，為UPS等設(shè)備提供交流輸入電源。在實際使用中，當(dāng)采用柴油發(fā)電機(jī)為UPS供電時，雖然供電負(fù)載在發(fā)電機(jī)額定容量范圍內(nèi)，仍會出現(xiàn)輸出電壓和頻率不穩(wěn)定等問題。本文通過對柴油發(fā)電機(jī)與 UPS負(fù)載匹配問題的分析研究，提出如何合理選擇柴油發(fā)電機(jī)的功率容量，在確保供電安全可靠的前提下，達(dá)到最佳的配置經(jīng)濟(jì)性。

2. 機(jī)房供電系統(tǒng)

2.1 供電系統(tǒng)配置

圖1 某機(jī)房供電系統(tǒng)框圖

廣電技術(shù)機(jī)房一般采用市電+發(fā)電機(jī)作為電源輸入給UPS和其他負(fù)載供電。近年來，由于廣播電視節(jié)目播出要求的不斷提高，除去大部分的空調(diào)、照明等輔助設(shè)備，其他設(shè)備系統(tǒng)均采用了 UPS供電方式，因此，整個供電回路中的主要負(fù)載為 UPS設(shè)備。圖1為某廣電播出機(jī)房的供電系統(tǒng)框圖。

按照設(shè)計要求，兩路外電接入到不同路由的10KV市電路網(wǎng)，每臺變壓器容量為1250KVA。另配置一臺300KVA的可自動啟動的柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急后備電源。正常情況下，供電方式為市電-UPS-負(fù)載。發(fā)生雙路市電中斷的時候，系統(tǒng)自動啟動柴油發(fā)電機(jī)，此時供電方式為柴油發(fā)電機(jī)-UPS-負(fù)載。在市電中斷至發(fā)電機(jī)開始供電的間隙，通過UPS自帶的蓄電池組實現(xiàn)對重要負(fù)載的不間斷供電。

2.2 實際使用情況

為減少單路市電停電對播出系統(tǒng)的影響，采用市電1和市電2分別為播出機(jī)房主用和備用系統(tǒng)供電的方式，在供電系統(tǒng)建設(shè)初期，每路市電需帶載的 UPS容量共100 KVA。由于雙路外電同時中斷情況較少，在配置自備發(fā)電機(jī)時，考慮到使用效率和經(jīng)濟(jì)性，容量指標(biāo)設(shè)計參照變壓器容量的10%-20%估算，選擇使用300 KVA的柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源。

當(dāng)雙路外電同時中斷時，啟動柴油發(fā)電機(jī)后可以對市電1所帶負(fù)載進(jìn)行正常供電，保證播出系統(tǒng)的正常運(yùn)行。隨著播出設(shè)備的不斷增加，UPS也在擴(kuò)容更新。主路UPS總的容量增加到近260KVA。由市電對UPS系統(tǒng)進(jìn)行供電時，整個播出系統(tǒng)仍可穩(wěn)定運(yùn)行。但是，當(dāng)遭遇雙路外電停電時，雖然總的負(fù)荷未超出柴油發(fā)電機(jī)的功率容量范圍，此時自備柴油發(fā)電機(jī)卻出現(xiàn)輸出電壓、電流和頻率的不穩(wěn)定現(xiàn)象，無法對播出系統(tǒng)進(jìn)行正常供電。

3. 問題分析

通過對上述供配電系統(tǒng)相關(guān)配置和運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，可以確定的是，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)無法正常提供穩(wěn)定輸出的主要原因是柴油發(fā)電機(jī)的容量不足。

系統(tǒng)設(shè)計使用初期，柴油發(fā)電機(jī)和UPS容量比為3:1（300KVA發(fā)電機(jī)帶載100KVA UPS），柴油發(fā)電機(jī)的非線性負(fù)載占比較小，因此系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。而當(dāng)UPS的容量增加后，柴油發(fā)電機(jī)和UPS容量比變成了1:0.87（300KVA發(fā)電機(jī)和260KVA UPS），雖然負(fù)載功率沒有超過柴油發(fā)電機(jī)的功率容限，但主要負(fù)載為UPS，負(fù)載呈現(xiàn)明顯的非線性特征。柴油發(fā)電機(jī)帶電阻型負(fù)載時，具有較好的穩(wěn)定性。但是，當(dāng)負(fù)載是非線性時，則會引起柴油發(fā)電機(jī)輸出的不穩(wěn)定，導(dǎo)致勵磁丟失、過壓故障而保護(hù)停機(jī)。

工頻UPS普遍采用濾波器來改善輸入電流的波形和提高輸入側(cè)的功率因素，因此，對外均呈現(xiàn)出容性負(fù)載特性。在不同負(fù)載率下，容性負(fù)載特性有著明顯差別，負(fù)載越輕容性表現(xiàn)越強(qiáng)[1]。

高頻UPS的輸入整流器采用高頻全控器件IGBT整流，輸入畸變電流小，不需要額外的濾波器進(jìn)行濾波。但是，由于高頻開關(guān)會帶來電磁兼容問題，所以需要在輸入端加入無極性的薄膜電容進(jìn)行高頻濾波，這也會導(dǎo)致 UPS呈現(xiàn)一定的容性負(fù)載特性[2]。

廣播電視技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計時，由于 UPS 1+1冗余備份的需求，單路故障時另一路需要有能力承擔(dān)所有負(fù)荷，因此 UPS負(fù)載率大多設(shè)計為30%左右，由于負(fù)載較輕，負(fù)載容性特征明顯，更易引起發(fā)電機(jī)輸出異常。

尤其是外電中斷后柴油發(fā)電機(jī)啟動的瞬間，開關(guān)電源類負(fù)載不再處于正常工作狀態(tài)，而是處于重新啟動過程，開關(guān)電源重啟過程中基本是電容充電的過程，而這個時候柴油發(fā)電機(jī)所帶的負(fù)載會呈現(xiàn)很強(qiáng)的容性負(fù)載特性[2]。

如果UPS等非線性負(fù)載較大而發(fā)電機(jī)組容量又較小時,這種危害就更明顯，發(fā)電機(jī)組在出現(xiàn)頻率或電壓異常的同時還會出現(xiàn)嚴(yán)重的機(jī)械共振現(xiàn)象，造成發(fā)電機(jī)機(jī)械部分的老化磨損，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)生故障。

同樣，UPS因檢測到電壓或頻率超出范圍而會自動關(guān)斷整流器，靜態(tài)旁路開關(guān)也因無法同步不會切換，此時由UPS的電池組給負(fù)載供電，直至整流器恢復(fù)正常運(yùn)行。重復(fù)多次的循環(huán)放電將會大大縮短電池的使用壽命。極端情況下，可能導(dǎo)致蓄電池組的電量放光，UPS輸出全部中斷。

4. 解決方法

解決柴油發(fā)電機(jī)與UPS組合匹配問題，是確保后備電源系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)上面的問題分析，要使柴油發(fā)電機(jī)為 UPS提供穩(wěn)定可靠的供電，需要通過提高柴油發(fā)電機(jī)帶載能力，增加感性負(fù)載，調(diào)整開關(guān)電源啟動順序等方法，達(dá)到柴油發(fā)電機(jī)與UPS的良好匹配，確保自備電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4.1 選擇合適的發(fā)電機(jī)勵磁方式

發(fā)電機(jī)的勵磁工作方式主要分為自激式同步交流發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)（PMG）。 前者AVR（自動電壓調(diào)節(jié)器）的勵磁能量和檢測信號均來自發(fā)電機(jī)的電樞繞組；后者只有AVR的檢測信號來自發(fā)電機(jī)的電樞繞組，勵磁能量與發(fā)電機(jī)電樞繞組的電勢波波形畸變無關(guān)。所以，自激式同步交流發(fā)電機(jī)更易受到負(fù)載特性特別是非線性負(fù)載的影響， 因此選用PMG（永磁）發(fā)電機(jī)能更好適應(yīng) UPS的可靠運(yùn)行。目前，采用自激式勵磁方式大多是100KVA以下的柴油發(fā)電機(jī)，而100KVA以上的柴油發(fā)電機(jī)多采用PMG（永磁）發(fā)電機(jī)。

4.2 合理配置發(fā)電機(jī)的容量

研究表明，自激式發(fā)電機(jī)與UPS的容量比一般選擇（2～2.5）：1；而采用PMG（永磁）的發(fā)電機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)與UPS容量比選擇（1.3～1.35）：1就可保證供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[3]。

UPS在正常的運(yùn)行中，不僅需要承擔(dān)負(fù)載所需的供電，而且還需要對自身的蓄電池組進(jìn)行充電。充電功率大約為UPS最大輸出功率的10%-15%，再加上UPS自身的功率損耗，整機(jī)效率一般約為90%左右。因此，在計算柴油發(fā)電機(jī)的UPS負(fù)載時，還需要考慮UPS的充電功率和整機(jī)效率等因素。

舉例來說，柴油發(fā)電機(jī)需要帶載的UPS額定容量共260KVA，滿載輸出功率約208KW。假設(shè)UPS效率為90%，充電功率為UPS額定容量的15%左右，輸入功率因數(shù)為0.9，容量比選擇2:1，則所需柴油發(fā)電機(jī)容量為：

由于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)施的建設(shè)較為復(fù)雜，且發(fā)電機(jī)的使用壽命較長，考慮到今后新增的供電需求，可選擇功率容量為800KVA以上的柴油發(fā)電機(jī)。

4.3 優(yōu)化供電系統(tǒng)架構(gòu)

柴油發(fā)電機(jī)的特性決定于其帶純阻性負(fù)載的能力要強(qiáng)于帶容性負(fù)載，因此可以在 UPS供電的同時，適當(dāng)增加空調(diào)、風(fēng)機(jī)等感性負(fù)載，使容性和感性負(fù)載的特性進(jìn)行互補(bǔ)，從而功率因數(shù)得到優(yōu)化。

柴油發(fā)電機(jī)啟動時，分時控制變壓器、開關(guān)電源、UPS等各類負(fù)載的加載順序，降低對發(fā)電機(jī)的負(fù)荷沖擊，使柴油發(fā)電機(jī)電壓電流可盡快穩(wěn)定輸出。

4.4 選用適配性好的UPS

在UPS選型時，根據(jù)發(fā)電機(jī)的帶載特性，有針對性地選擇具備旁路鎖相頻率范圍和逆變器同步速率可調(diào)等功能的UPS，可以減少發(fā)電機(jī)頻率漂移對UPS正常工作的影響。由于采用12脈沖整流器的UPS相比于6脈沖整流器的UPS，使用的濾波電容較少，因此選擇前者，UPS呈現(xiàn)的容性負(fù)載較小，可以更好地適配發(fā)電機(jī)的供電方式，從而提高整個供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

5. 結(jié)語

隨著廣播電視機(jī)房中系統(tǒng)設(shè)備的不斷增加，原有的柴油發(fā)電機(jī)可能和UPS無法良好匹配，需要更換的情況會越來越多。但是，一味地更換大功率柴油發(fā)電機(jī)來提高UPS等非線性負(fù)荷的帶載能力，并不是最佳的選擇，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組的容量不能充分利用，造成設(shè)備投資的浪費(fèi)。尤其是實際負(fù)載在發(fā)電機(jī)容量30%以下時，柴油發(fā)電機(jī)組容易產(chǎn)生管路積碳等故障，增加了維護(hù)量，降低了發(fā)電機(jī)組的工作可靠性。 需要綜合考慮負(fù)載特性，選擇合適的發(fā)電機(jī)類型，并通過有效的運(yùn)維管理手段提高發(fā)電機(jī)的帶載能力。

[1] 唐璐、李欣，柴油發(fā)電機(jī)組和UPS系統(tǒng)的匹配問題，不間斷電源，2008.2

[2] 張澤龍，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)與UPS兼容性研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015年6月

[3] 侯建軍，大功率UPS與柴油發(fā)電機(jī)配套使用帶來的問題及解決辦法，UPS應(yīng)用，2012年1月（總第127期）