Влияние архитектуры мощного ИБП на выбор автономного генератора при построении системы гарантированного электроснабжения объекта

Широкое распространение систем гарантированного электроснабжения (СГЭ) вызвало закономерный рост интереса к вопросам согласования совместно работающих источника бесперебойного питания (ИБП) и автономного генератора (АГ). За последние несколько лет опубликовано довольно большое число статей, посвященных вопросам работы АГ и ИБП внутри одной СГЭ. Вместе с тем, наш опыт свидетельствует о сохраняющемся дефиците инженерных математических моделей, которые могли бы быть практически применены для выбора архитектуры крупных ИБП и мощности ДГУ на этапе проектирования СБЭ. Надеемся, что предлагаемая в статье методика поможет точному, технически обоснованному и  экономически эффективному выбору элементов СГЭ.

Одним из ключевых вопросов при построении системы гарантированного электроснабжения является вопрос выбора архитектуры мощного ИБП. Архитектура, а точнее, схемное решение и элементная база выпрямителя ИБП и наличие/отсутствие фильтров на входе ИБП определяют влияние источника на сеть или на автономный генератор.

Под влиянием ИБП на генератор подразумевается влияние резко нелинейной, импульсной нагрузки, которой является выпрямитель ИБП, на процессы преобразования энергии внутри электрической части АГ (чаще всего - синхронного генератора). Эти процессы оказываются отличными от тех, которые принимаются за основу при проектировании синхронных машин.

Проектируя синхронные генераторы, полагаются на важнейшее допущение о синусоидальности фазных токов и напряжений якоря. На базе этого допущения рассчитываются номинальная мощность машины, величина выходного напряжения генератора, его рабочие, нагрузочные и регулировочные характеристики, потери, нагревы, устанавливается продолжительность непрерывной работы агрегата и т.п. Синусоидальные фазные токи синхронному генератору обеспечивает подключение так называемой линейной нагрузки - например, двигателей без частотного регулирования, насосов, кондиционеров, освещения, сушильных печей и т.п.

Для синхронной машины, работающей на мощный ИБП, допущение о синусоидальности становится несправедливым. Импульсный выпрямитель на входе ИБП существенно искажает форму входных токов – коэффициент искажения синусоидальности тока может достигать 28-30%.  Токи, искажаемые выпрямительным блоком ИБП, замыкаются по обмоткам генератора и вызывают  дополнительные потери мощности в обмотках и сердечниках генератора; потенциально опасные перегревы обмоток и сердечников; недоотдачу мощности в нагрузку и другие негативные явления. Не менее важно, что несинусоидальные токи участвуют в создании магнитного поля машины и, следовательно, влияют на величину и форму выходного напряжения. Выходное напряжение генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, становится несинусоидальным. Такое напряжение может вызывать отказы или некорректную работу электрооборудования, подключенного к выходу ДГУ, обуславливать некорректную работу автоматического регулятора напряжения генератора и т.п.

При построении СГЭ добиваются того, чтобы  - коэффициент искажения выходного напряжения АГ,  работающего на нелинейную нагрузку, не превышал 8% (ГОСТ 13109-97), что в значительной мере ограничивает упомянутые нежелательные эффекты и обеспечивает устойчивую совместную работу генератора и ИБП.

В качестве примера рассмотрим влияние архитектуры тиристорного выпрямителя ИБП на резервную ДГУ GESANDPA 275E. В основу положена методика определения формы выходного напряжения генератора при известном спектре фазных токов, предложенная компанией NewageStamford, производителем синхронных генераторов для ДГУ GESAN.

A. Работа ДГУ DPA 275E на SitePro 150 с 6-пульсным выпрямителем

Сложная кривая тока на входе ИБП  может быть представлена гармоническим рядом

где  - номер гармоники тока, - амплитуда, - частота -той гармоники,   - число гармоник, удовлетворительно описывающих кривую.

Фирма-изготовитель ИБП, как правило, указывает гармонический состав токов на входе выпрямителя ИБП и приводит следующие данные относительно входных токов своего 6-пульсного :

Таблица 1. Гармонический состав входных токов 6-пульсного тиристорного выпрямителя ИБП

	5	7	11	13	17	19	23	25	29	31
,%	24,50	7,70	6,30	4,20	2,30	2,20	0,70	0,90	0,50	0,50

где - амплитуда -той гармоники в % от основной.

Коэффициент искажения синусоидальности входного тока  определяется как

Применительно к 6-пульсному ИБП SitePro150, с учетом данных из Таблицы 1 и (2) имеем 

Входные токи выпрямителя ИБП одновременно являются фазными токами генератора. Несинусоидальное выходное напряжение генератора, порождаемое этими токами,  также может быть представлено гармоническим рядом:

где  - амплитуда -той гармоники напряжения.

Величина амплитуды каждой -той гармоники напряжения  вычисляется как

где - расчетное сверхиндуктивное сопротивление по продольной оси ротора.

В свою очередь  определяется как

где - входная мощность ИБП, определённая с учетом заряда аккумуляторных батарей ИБП, в нашем случае  = 162,5 кВА;

- номинальная мощность синхронного генератора, установленного в ДГУ,  

- сверхпереходное индуктивное сопротивление выбранного генератора по продольной оси ротора.

Значения  и  указываются заводом-изготовителем в паспортных данных синхронной машины. В генераторе DPA 275E установлен генератора переменного тока UCDI 274K1, тогда указанные величины примут следующие числовые значения: = 250 кВА,  = 0,086 о.е.

Тогда по (5)

С учетом вычисленного  рассчитываем по (4) значения амплитуд гармоник выходного напряжения  ДГУ DPA275Е. Результаты вычислений сведены в Таблицу 2.

Таблица 2. Гармонический состав выходного напряжения ДГУ DРA275E при работе на 6-пульсный тиристорный выпрямитель ИБП 

	5	7	11	13	17	19	23	25	29	31
,%	6,83	3,00	3,86	3,04	2,18	2,33	0,90	1,25	0,81	0,86

Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения генератора определяется как

Применительно к рассматриваемому ДГУ,  с учётом Таблицы 2 

Видно, что при подключении 6-пульсного ИБП SitePro150 к ДГУ DPA275E коэффициент искажения выходного напряжения генератора превышает допустимый по ГОСТу 13109-97.

Улучшить качество выходного напряжения ДГУ можно двумя путями – завысить мощность генератора (см. п.D) или выбрать другую архитектуру входа.

Выясним, как изменится картина выходного напряжения этого же генератора при работе на  с другой архитектурой входа – 6-пульсным выпрямителем, снабженным фильтром пятой гармоники и 12-пульсным выпрямителем.

В. Работа ДГУ DPA 275E на SitePro 150 с 6-пульсным выпрямителем и фильтром пятой гармоники

Гармонический состав входных токов SitePro 150 с 6-пульсным выпрямителем и фильтром пятой гармоники приведен в Таблице 3.

Таблица 3. Гармонический состав входных токов 6-пульсного тиристорного выпрямителя ИБП с входным фильтром пятой гармоники

	5	7	11	13	17	19	23	25	29	31
,%	6,20	3,00	4,80	2,60	2,60	2,00	0,60	0,80	0,50	0,50

По формуле (4) рассчитываются значения амплитуд высших гармоник выходного напряжения  ДГУ DPA275Е. Результаты вычислений сведены в Таблицу 4.

Таблица 4. Гармонический состав выходного напряжения ДГУ DРA 275E при работе на 6-пульсный тиристорный выпрямитель ИБП с входным фильтром пятой гармоники

	5	7	11	13	17	19	23	25	29	31
,%	1,73	1,17	2,94	1,88	2,46	2,12	0,77	1,11	0,81	0,86

Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения ДГУ при работе генератора на ИБП такой конфигурации определяется по (7) и составляет . Величина  не превышает значения, указанного ГОСТом, что подразумевает согласованную устойчивую работу электрооборудования, входящего в состав СГЭ.

С. Работа ДГУ на SitePro 150 с 12-пульсным выпрямителем

В Таблицах 5-6 указаны спектры и величины амплитуд высших гармоник входного тока 12-пульсного выпрямителя SitePro 150 и выходного напряжения ДГУ DPA 275Е. Значения в Таблице 5 предоставлены производителем ИБП, данные в Таблице 6 – рассчитаны по формуле (4).

Таблица 5. Гармонический состав входных токов 12-пульсного тиристорного выпрямителя ИБП

	5	7	11	13	17	19	23	25	29	31
,%	0,00	0,00	7,20	5,70	0,00	0,00	1,40	1,00	0,00	0,00

Таблица 6. Гармонический состав выходного напряжения ДГУ DРA 275E при работе на 12-пульсный тиристорный выпрямитель ИБП

	5	7	11	13	17	19	23	25	29	31
,%	0,00	0,00	4,41	4,13	0,00	0,00	1,79	1,39	0,00	0,00

Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения DPA 275E при работе на 12-пульсный ИБП, определен по (7) и составляет . Значение  так же находится в пределах ГОСТа, что обеспечивает согласованную устойчивую работу СГЭ.

Как видно из рассмотренных примеров, архитектура входа ИБП оказывает сильное влияние на работу дизельного генератора, в частности, на форму выходного напряжения.

ИБП с 6-пульсным выпрямителем вызывает искажение выходного напряжения генератора, превосходящее нормы ГОСТа. Не рекомендуется построение СГЭ на базе ДГУ DPA 275E и 6-пульсного.

6-Пульсный фильтром пятой гармоники и 12-пульсный оказывают примерно одинаковое влияние на выходное напряжение генератора и при рассматриваемом соотношении мощностей ИБП и ДГУ могут быть рекомендованы к использованию в СГЭ. Окончательный выбор архитектуры входа определяется экономической эффективностью или субъективными предпочтениями Заказчика.

D. Выбор ДГУ при заданных конфигурации входа и мощности ИБП

Иногда бывает невозможно выбрать ИБП с наиболее дружественной для ДГУ архитектурой входа. Как правило, это происходит при установке ДГУ в работающую СГЭ, построенную на базе уже существующих ИБП, другими словами, когда следует подобрать генератор к уже имеющемуся ИБП.

В этом случае выбор мощности АГ так же осуществляется исходя из оценки искажений выходного напряжения генератора, вносимых подключенным ИБП. Методика выбора следующая:

1.  По данным производителя описывается гармонический состав входных токов ИБП и определяется входная мощность ИБП .

2.  Задаётся любая разумная с точки зрения здравого смысла мощность ДГУ, например , или , или . Из существующего модельного ряда ДГУ выбирается ближайшая по мощности установка.

3.  Уточняется мощность синхронного генератора , смонтированного в выбранной ДГУ, и его реактанс .

4.  По формуле (6) определяется .

5.  Рассчитывается спектр выходного напряжения ДГУ по (4) и определяется  по (7).

6.   оценивается на предмет соответствия ГОСТ 13109-97. Как правило, значение  в пределах 4 – 7% обеспечивает согласованную работу ДГУ и ИБП и не приводит к чрезмерному завышению мощности генератора над источником.

7.  В случае, если  8% необходимо выбрать следующую из модельного ряда ДГУ и повторить расчёт с п. 3. Если значение  слишком мало следует выбрать меньший по мощности генератор и повторит расчёт с п.3.

Заметим, что в статье рассмотрена совместная работа ДГУ и ИБП в установившемся режиме. Влияние архитектуры ИБП на динамические процессы, возникающие при набросе нагрузки на ДГУ, не рассматривалось. Этот вопрос может стать темой отдельного обсуждения.

Предложенная методика выбора оптимальной архитектуры ИБП или мощности ДГУ в СГЭ успешно используется компанией "Абсолютные Технологии" и её партнерами и демонстрирует приемлемую практическую точность. Надеемся, что благодаря статье эта методика найдет более широкое распространение и хотя бы отчасти снимет остроту проблемы выбора и согласования оборудования при проектировании и построении СГЭ.

Кузьмина Оксана Александровна,
к.т.н., эксперт АО "Абсолютные Технологии"