預(yù)制化并機(jī)UPS系統(tǒng)不均流問題的研究

滑 祥，張 銳

（萬國數(shù)據(jù)服務(wù)有限公司，上海 200131）

0 引 言

近些年，在數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展浪潮下，作為其核心生產(chǎn)力的算力及算力網(wǎng)絡(luò)已成為影響國計民生的關(guān)鍵。2022年，我國在成渝、京津冀等8個區(qū)域布局建設(shè)國家算力樞紐節(jié)點(diǎn)，同時規(guī)劃了張家口集群等10個國家數(shù)據(jù)中心集群，全面啟動全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系“東數(shù)西算”工程[1]。同時東南亞國家也有可持續(xù)性和成本效益的數(shù)據(jù)中心解決方案增長的需求，部分互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）積極實施海外項目落地。這些都對數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提出了更高的要求，需要數(shù)據(jù)中心的敏捷交付，即“快速交付”與“靈活彈性”。

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)一般包含配電變壓器、低壓柜、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、UPS輸出柜、UPS輸入輸出電纜等，各自獨(dú)立，在建設(shè)安裝過程中十分復(fù)雜，現(xiàn)場施工量大，交付工期長?，F(xiàn)在，萬國數(shù)據(jù)服務(wù)有限公司正在實施“設(shè)計模塊化、生產(chǎn)預(yù)制化”的實踐。本文以一例預(yù)制化配電系統(tǒng)中并機(jī)UPS出現(xiàn)靜態(tài)旁路帶載不均流問題進(jìn)行研究，分析其原因及整改措施。

1 預(yù)制化產(chǎn)品及問題

1.1 產(chǎn)品系統(tǒng)簡述

低壓配電系統(tǒng)由10 kV配電變前置高壓柜、配電變、低壓柜、4臺并機(jī)UPS系統(tǒng)以及UPS輸出柜組成。與傳統(tǒng)的配電設(shè)計相比較，此次把UPS與UPS輸入、輸出柜融為一體，設(shè)置為一個預(yù)制化模塊。UPS的本體、輸入、輸出、動環(huán)監(jiān)控部分均可以在工廠標(biāo)準(zhǔn)化安裝，到現(xiàn)場后只需要把相應(yīng)的接口部分連接。

低壓配電模塊與UPS并機(jī)模塊采用面對面布置，兩者之間通過低壓絕緣密集母線連接。每臺UPS主路、靜態(tài)旁路的輸入端采用內(nèi)部短接，較傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)，省去1臺輸入用框架式開關(guān)及相應(yīng)輸入電纜。預(yù)制化配電產(chǎn)品平面如圖1所示。

圖1 預(yù)制化配電產(chǎn)品平面

1.2 測試問題

測試單位按照標(biāo)準(zhǔn)對4并機(jī)系統(tǒng)UPS在整流逆變模式、靜態(tài)旁路模式下分別帶載驗證測試，檢查整個系統(tǒng)性能是否滿足設(shè)計要求。并機(jī)系統(tǒng)在整流逆變模式下，測試數(shù)據(jù)正常。并機(jī)系統(tǒng)在靜態(tài)旁路模式帶載，70%負(fù)載情況下，1#和4#UPS負(fù)載偏差55%。極限測試：負(fù)載2 060 kVA，負(fù)載率85.9%，出現(xiàn)4#UPS旁路過流緊急告警，UPS廠家建議暫停測試加載工作，本系統(tǒng)未達(dá)到滿載設(shè)計測試要求。UPS并機(jī)帶載測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 UPS并機(jī)帶載測試數(shù)據(jù)

2 不均流問題分析與處理

2.1 理論分析

配電設(shè)計說明中關(guān)于UPS并機(jī)系統(tǒng)的供電均流相關(guān)問題，一般都會要求并機(jī)系統(tǒng)中各臺單機(jī)的輸入、輸出功率以及電纜長度和規(guī)格相同[2]。然而本系統(tǒng)UPS輸入、輸出電纜的長度、規(guī)格雖然一致，但仍出現(xiàn)了不均流問題，經(jīng)判斷，并機(jī)UPS輸入、輸出采用公共母線銅排形式。UPS本體、輸入輸出開關(guān)柜體間隔分布，每臺UPS電源引入或引出點(diǎn)之間間隔2 m左右。估算銅排阻抗Z1約為0.147 mΩ，并機(jī)系統(tǒng)的等效電路示意如圖2所示。不均流的程度要根據(jù)UPS靜態(tài)旁路回路阻抗的大小來決定，主要包括輸入、輸出線路阻抗、連接部位的接觸電阻、UPS內(nèi)部的SCR阻抗。

圖2 預(yù)制化UPS并機(jī)模塊系統(tǒng)圖

基于現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)狀，為了解決上述問題，結(jié)合等效電路嘗試是否可以通過更改UPS并機(jī)模塊的電源接入點(diǎn)來解決這一問題。

2.2 仿真分析及處理

仿真是基于4臺UPS靜態(tài)旁路回路阻抗大小相等，其與UPS間銅排阻抗的比值根據(jù)表1中實測數(shù)據(jù)估算，本次取銅排阻抗值為回路阻抗的0.083倍。在MATLAB中建立相應(yīng)的仿真模型，分別采取0.083、0.04、0.03共3種不同的比例系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，結(jié)果如表2所示。根據(jù)仿真結(jié)果，得出如下結(jié)論。估算的系統(tǒng)電流分布與實測數(shù)據(jù)接近，該比例系統(tǒng)可用于電路整改用。銅排阻抗相對靜態(tài)旁路的回路阻抗比例越小，其不均流問題越不明顯。縮短UPS電源引入、引出點(diǎn)之間的距離，可以降低不均流程度。預(yù)制化UPS 并機(jī)模塊等效電路示意如圖3所示。

圖3 預(yù)制化UPS并機(jī)模塊等效電路示意圖

表2 UPS并機(jī)帶載仿真與實測數(shù)據(jù)1

更改電源輸入點(diǎn)后，其電流隨等效電路的變換重新分布，計劃整改后等效電路示意、仿真模型分別如圖4、5所示，其仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示，不平衡度較之前有很大改善，故決定組織低壓盤柜廠商開展整改工作。具體整改措施：將絕緣密集母線電源點(diǎn)由ULP-4盤柜延遲至ULP-1處，并按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行帶負(fù)荷測試驗證其效果。

圖4 計劃整改后等效電路示意圖

圖5 整改后回路仿真模型圖

表3 UPS并機(jī)帶載測試與實測數(shù)據(jù)2

整改完畢后，并機(jī)系統(tǒng)在靜態(tài)旁路模式下分別記錄帶載1 050 kW、2 100 kW兩個場景下的測試數(shù)據(jù)，其不同UPS間旁路回路的不均衡性與實際仿真數(shù)據(jù)基本一致，證實了改造方案有效性。

3 結(jié) 論

靜態(tài)旁路作為UPS在逆變器異常、過載或者其他會關(guān)閉逆變器的故障場景下，保證后端無間斷切換。如果負(fù)載率較高時，可能會由于不均流問題導(dǎo)致旁路過載、過溫等風(fēng)險。

優(yōu)化預(yù)制化UPS模塊的布局，UPS的輸入、輸出開關(guān)柜不宜分散在UPS設(shè)備中間，將輸入開關(guān)柜、輸出開關(guān)柜布置在UPS設(shè)備的前后側(cè)。

UPS安裝完畢后，帶載驗機(jī)是一種常規(guī)且有效的檢驗項目，主要目的是檢驗系統(tǒng)是否有足夠的帶載能力、各連接點(diǎn)和電纜是否連接牢固、電源的各項技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)先規(guī)定的數(shù)值等[3]。