Co zrobić, aby systemy zasilania rezerwowego zadziałały w żądanym czasie i bez szkody dla maszyn i urządzeń, które mają zabezpieczać.
Układy pracy równoległej generatorów mają wiele zalet, szczególnie w energochłonnych zastosowaniach w dużych obiektach. Zaprojektowanie możliwie najbardziej wydajnego i niezawodnego systemu zasilania w konkretnym obiekcie wymaga solidnej wiedzy o dostępnych rozwiązaniach.
W niniejszym artykule wskazano kilka kluczowych kwestii i kryteriów, jakie trzeba mieć na uwadze przy projektowaniu instalacji generatorów w układzie równoległym, uwzględniając moc, redundancję oraz niezawodność zasilania odbiorników o krytycznym znaczeniu. Poruszona została także sprawa kompatybilności krytycznych układów rozdzielczych obejmujących zarówno agregaty prądotwórcze, jak i systemy UPS.
Organizacja Uptime Institute zdefiniowała szereg kategorii wskazujących na znaczenie poszczególnych instalacji, przy czym do kategorii I zaliczają się instalacje zapewniające podstawowy poziom redundancji i czas sprawności, natomiast kategoria IV obejmuje najbardziej złożone i kosztowne systemy o najwyższej niezawodności i maksymalnym czasie sprawności. Kiedy w latach 90. minionego oraz na początku obecnego wieku pojawiły się centra danych kategorii III i IV, w celu zwiększenia nadmiarowości generatorów do wymaganego przez takie centra poziomu N+1 i wyżej inżynierowie zaczęli stosować w specyfikacjach systemy pracy równoległej generatorów (definicje centrów danych kategorii III i IV są dostępne na stronie www.uptimeinstitute.org).
Wprawdzie wymagany poziom redundancji generatorów można uzyskać przy użyciu standardowych automatycznych przełączników źródła zasilania (Automatic-Transfer Switch – ATS) oraz podwójnych poprowadzonych za nimi połączeń z serwerami, jednak użycie układu równoległego generatorów może się okazać lepszym rozwiązaniem. Wynika to z kilku powodów:
– Przy obciążeniu poniżej 100% obciążenia projektowego układ równoległy może zapewnić redundancję na poziomie większym niż N+1. Przykładowo, jeśli łączne obciążenie ze strony centrum danych wynosi 10 MW, a użycie pięciu generatorów o mocy 2 MW w układzie równoległym pozwala uzyskać obciążenie N, równoległe połączenie już sześciu generatorów zapewniłoby redundancję N+1. Jeśli rzeczywiste obciążenie centrum danych po uwzględnieniu specyfikacji użytkownika i faktycznego wykorzystania wynosiłoby tylko 80% obciążenia projektowego, łączne obciążenie wyniosłoby 8 MW. Do spełnienia takiego zapotrzebowania wystarczyłyby cztery generatory 2 MW, w związku z czym posiadanie w sumie sześciu generatorów oznaczałoby redundancję na poziomie N+2. Co więcej, w razie awarii dwóch generatorów niezależne rezerwowe systemy agregatów prądotwórczych nie byłyby w stanie utrzymać zasilania bez wpływu na krytyczne odbiorniki energii, nawet przy obciążeniu stanowiącym 80% projektowanej wartości.
– Zależnie od konfiguracji instalacji rozdzielczej układ równoległy może zapewniać żądaną redundancję przy wykorzystaniu mniejszej liczby generatorów w porównaniu z systemem złożonym z odrębnych zespołów urządzeń elektrycznych.
– Testowanie generatorów przy użyciu zespołu korekcji współczynnika mocy jest dużo prostsze. Do zespołu wyłączników generatorów włącza się dodatkowy wyłącznik. Następnie otwiera się wyłącznik sprzęgowy szyn zbiorczych rozdzielni energetyki oraz wszystkie wyłączniki generatorów (z wyjątkiem wyłącznika testowanego generatora). Utrzymując w stanie zwarcia wyłącznik testowanego generatora, poszczególne generatory można przetestować z użyciem jednorazowo zainstalowanego zespołu korekcji współczynnika mocy. Procedura ta jest prostsza w realizacji w porównaniu z postępowaniem w przypadku systemu złożonego z odrębnych zespołów urządzeń.
Testowanie generatorów przy użyciu zespołu korekcji współczynnika mocy ma istotne znaczenie dla prawidłowej pracy generatorów o krytycznym znaczeniu. Zwykle zaleca się, aby w miesiącu silnik Diesla pracował na poziomie co najmniej 30% znamionowej mocy rezerwowej lub z obciążeniem zapewniającym zalecaną temperaturę silnika. Długotrwałe testowanie generatorów bez obciążenia lub z obciążeniem poniżej 30% może powodować pozostawanie oleju w silniku, co jest wywołane niepełnym spalaniem paliwa.
– W układzie rozdzielczym nie występują rozproszone przełączniki ATS, co zmniejsza wymagania przestrzenne.
– W układzie równoległym można zastosować więcej niż jedną linię zasilającą od dostawcy energii, zapewniając dodatkową redundancję i czas sprawności.
– Generatory mogą być podłączane równolegle do linii zasilającej dostawcy energii poprzez zestyk przerwowy lub bezprzerwowy. Przełączanie poprzez zestyk bezprzerwowy eliminuje „skok” poboru energii z akumulatorów UPS, występujący podczas testowania i ponownego przełączania źródła zasilania z generatorów na linię zasilającą. Brak skokowej zmiany sprzyja dłuższej eksploatacji akumulatorów.
Przed użyciem w projekcie systemu przełączania poprzez zestyk bezprzerwowy projektant musi skoordynować go z zasilaniem sieciowym. Większość dostawców energii elektrycznej zajmuje się tego rodzaju systemami, w związku z czym odpowiednio nadzoruje przeznaczenie i zabezpieczenie przekaźnikami.
– Układ równoległy pozwala na łagodne przenoszenie obciążenia. Przy przełączaniu poprzez zestyk bezprzerwowy zaprogramowany czas przełączania może trwać kilka sekund. Dzięki synchronizacji i pracy równoległej częstotliwość prądu dostarczanego przez generatory może być zgodna z prądem w sieci zasilającej. Kiedy źródło zasilania jest przełączane z zasilania sieciowego na generator, przy pracy równoległej można w pewnym zakresie zmieniać częstotliwość generatorów w celu powolnego zwiększania ich obciążenia. Pozwala to zredukować gwałtowny wzrost obciążenia generatorów na etapie testowania.
– Każdorazowo do pracy mogą być wykorzystywane inne generatory. Rotacja jednostek pozwala na uzyskanie identycznych czasów przebiegu wszystkich generatorów.
– Logikę układu równoległego można zaprogramować w oparciu o listę odbiorników według ich ważności. Sterowaniem można objąć przełączniki ATS w dalszej części toru i/lub systemy automatyki budynku. Dzięki temu w razie awarii większej liczby generatorów niż liczba generatorów nadmiarowych i niemożności sprostania całemu obciążeniu odbiorniki o mniejszym znaczeniu wyłączają się. Brak tej funkcji mógłby spowodować przeciążenie generatorów i nieodwracalną awarię.
Układ z odrębną szyną
Układ równoległy może także posłużyć do zapewnienia dodatkowej mocy poprzez równoległe połączenie dwóch mniejszych generatorów pod kątem obciążenia, któremu mógłby sprostać jeden większy. Taki układ, zwany układem z odrębną szyną, nie zawiera linii zasilającej dostawcy energii. Wyjście z generatorów jest skojarzone z linią zasilania sieciowego w przełączniku ATS.
Układ równoległy z odrębną szyną może znaleźć zastosowanie, kiedy łączne obciążenie przekracza moc typowych generatorów. Obecnie zaledwie kilku producentów oferuje generatory z silnikiem Diesla o obrotach 1800 obr./min i mocy powyżej 2500 kW. W związku z tym dla łącznego obciążenia przekraczającego 2500 kW można użyć układu równoległego.
Nawet jeśli łączne obciążenie obiektu nie przekracza możliwości pojedynczego generatora, układ równoległy dwóch generatorów wiąże się z większą niezawodnością. W tej sytuacji awaria jednego generatora oznacza zmniejszenie mocy systemu rezerwowego tylko o połowę, a nie całkowity zanik mocy. Jak wcześniej wspomniano, jeśli jeden z dwóch generatorów ulegnie awarii, przy użyciu układów sterowania można zaprogramować wyłączenie mniej istotnych odbiorników.
Wprawdzie układy równoległe z odrębną szyną nie mają pewnych zalet układów generatorów pracujących równolegle z zasilaniem sieciowym, jednakże charakteryzują się większą elastycznością niż układy bez połączenia równoległego.
Generatory i zasilacze UPS
Na etapie projektowania i realizacji instalacji o krytycznym znaczeniu, obejmujących generatory i zasilacze UPS, w zespole typu tandem uwagi wymagają kwestie zgodności.
Na moc i wydajność generatorów w różny sposób wpływa wielkość obciążenia. Generator większej mocy będzie potrzebny zarówno w przypadku odbiorników wymagających wysokiego początkowego prądu rozruchowego, jak i odbiorników wywołujących znaczne zniekształcenia harmoniczne. Efektem działania urządzeń wykorzystujących tyrystory do przerywania prądu przemiennego jest jego nieliniowy przebieg. Powstałe składowe harmoniczne powodują z kolei zniekształcenie przebiegu napięcia przy przejściu przez dławik generatora, co może skutkować niedopuszczalnymi przebiegami nieustalonymi. Zjawisko to ma negatywny wpływ na działanie całego układu rozdzielczego.
Prostowniki w zasilaczach UPS zwykle nie pobierają ze źródła prądu o przebiegu sinusoidalnym. Im bardziej przebieg prądu różni się od fali sinusoidalnej, tym większy jest poziom całkowitych zniekształceń harmonicznych. Mogą one zaowocować przegrzewaniem się generatora oraz nadmiernymi zniekształceniami napięcia w całej instalacji.
Producenci zasilaczy UPS i generatorów stosują różne metody, aby zasilacze UPS były bardziej przyjazne dla instalacji obejmujących generatory. Zaliczają się do nich następujące rozwiązania:
– Prostowniki 12-pulsowe zamiast 6-pulsowych. Prostowniki 6-pulsowe charakteryzują się zawartością całkowitych zniekształceń harmonicznych na poziomie ok. 30%, z przewagą 5. i 7. harmonicznej. Z kolei prostowniki 12-pulsowe zapewniają mniej niż połowę całkowitych zniekształceń harmonicznych typowych dla prostowników 6-pulsowych, z przewagą 11. i 13. harmonicznej.
– Filtry pasywne. Filtry pasywne mogą ograniczyć całkowite zniekształcenia harmoniczne odnoszące się do generatora. Przy niskim obciążeniu zasilaczy UPS filtr pasywny może cechować nadmierna składowa pojemnościowa, która będzie zwracana do generatora. W przeciwieństwie do sieci zasilającej generator nie może wchłonąć skoku napięcia wywołanego przez element pojemnościowy w układzie. Teoretycznie może to spowodować utratę kontroli przez regulator napięcia generatora i wzrost napięcia wyjściowego dla zasilacza UPS. Z kolei po wykryciu wzrostu napięcia może wyłączyć się prostownik zasilacza UPS. Rozłączenie prostownika spowoduje usunięcie z układu dodatkowej pojemności, umożliwiając normalną pracę regulatora napięcia generatora. Cykl ten będzie się powtarzał, a zasilacz UPS nie będzie w stanie przejąć obciążenia przy zasilaniu z generatora.
Aby wyeliminować ten problem, można użyć mniejszego filtra, o charakterystyce pozwalającej na brak wzbudzenia przy możliwie najniższym obciążeniu. Ponadto przy zasilaniu przez generator filtr może być całkowicie usuwany przez układy sterowania. Obciążenia bierne, strategicznie umieszczone w układzie i podłączone do generatora przed zasilaczem UPS, pochłoną składową pojemnościową, dzięki czemu nie trafi ona do generatora.
– Krokowe zwiększanie obciążenia. W razie zaniku zasilania sieciowego przeniesienie 100% obciążenia z systemu UPS na generator spowoduje nagłe wahania częstotliwości i napięcia prądu dostarczanego przez generator.
Aby przeciwdziałać temu problemowi, wielu producentów oferuje funkcję krokowego zwiększania obciążenia. W razie zaniku zasilania sieciowego pobór realizowany przez wyjście przekształtnika ze źródła sieciowego poprzez prostowniki zostanie natychmiast przełączony na akumulatory UPS. Po rozruchu generatora (w miarę wzrastania napięcia i częstotliwości) łączne obciążenie akumulatorów UPS może być powoli przekazywane generatorowi. Typowy programowany czas wykonywania tego zadania wynosi około 30 sekund. Funkcja krokowego zwiększania obciążenia znacząco ogranicza wahania częstotliwości i napięcia na wyjściu generatora.
– Generatory z magnesem trwałym, wyposażone w cyfrowe układy sterowania wzbudzeniem. Składowe harmoniczne wytwarzane przez zasilacz UPS mogą zniekształcać przebieg napięcia w generatorze. Problem ten można zmniejszyć, stosując generatory z magnesem trwałym, które same odpowiadają za wzbudzenie. Co więcej, użycie cyfrowych regulatorów napięcia, jak również cyfrowych układów sterowania wzbudzeniem zapewnia większą odporność na składowe harmoniczne wywoływane przez odbiorniki nieliniowe.
– Możliwość ustawienia maksymalnego prądu wejściowego. W przypadku wielu zasilaczy UPS operator może ustawić maksymalny prąd wejściowy. Po przywróceniu zasilania prądem przemiennym prostownik/urządzenie do ładowania akumulatorów zasila przekształtnik i jednocześnie ładuje akumulatory. Maksymalny możliwy prąd wejściowy doprowadzany do zasilacza UPS musi zostać uwzględniony przy dobieraniu mocy generatora. Jeśli operator zmniejszy maksymalny prąd wejściowy, zmniejszy się całkowite obciążenie generatora, ale za to wydłuży się czas ponownego ładowania akumulatorów.
Ponadto błyskawiczne przełączenie obciążenia ze źródła przesuniętego w fazie może spowodować uszkodzenie zasilacza UPS. W razie zaniku zasilania upływa kilka sekund, zanim generator uruchomi się i zacznie wytwarzać prąd o odpowiednim napięciu i częstotliwości oraz przełącznik ATS przełączy się na źródło rezerwowe. Po przywróceniu normalnego źródła zasilania typowy czas rozwierania styków w przypadku mechanicznego przełącznika ATS wynosi do 10 cykli. W celu zabezpieczenia zasilacza UPS przy przełączaniu między niesfazowanym zasilaniem rezerwowym (generator) a normalnym źródłem zasilania (sieć) zaleca się celową zwłokę od 1 do 3 sekund.
Przy projektowaniu instalacji o krytycznym znaczeniu należy zapewnić odpowiedni poziom wahań częstotliwości przy zasilaniu rezerwowym. Wynika to stąd, że w porównaniu z zasilaniem sieciowym generator jest bardziej wrażliwy na wahania napięcia i częstotliwości przy dużych zmianach obciążenia. Zasilacz UPS może przejawiać wrażliwość na szybkość zmian częstotliwości od 1 do 2 Hz/s. Niektóre systemy UPS są wyposażone w półprzewodnikowy przełącznik obejściowy, umożliwiający bardzo szybkie przełączenie na zasilanie wejściowe (poprzez obejście przekształtnika zasilacza UPS). Takie statyczne przełączenie wymaga synchronizacji zasilacza UPS z zasilaniem wejściowym. Odbiorniki UPS nie tolerują szybkości zmian częstotliwości powyżej 1–2 Hz/s, ponieważ wtedy nie pozwalają na synchronizację z zasilaniem wejściowym. Niemożność synchronizacji sprawia, że konieczne jest odłączenie funkcji statycznego obejścia. Zakłócenia częstotliwości wywołane przez generator można zmniejszyć, ograniczając jednorazowe włączanie dużych obciążeń oraz poprzez krokowe zwiększanie obciążenia.
W artykule zasygnalizowano tylko niektóre problemy związane z projektowaniem układów rozdzielczych o krytycznym znaczeniu, obejmujących generatory rezerwowe i systemy UPS. Prawidłowa specyfikacja wszystkich agregatów prądotwórczych i zasilaczy UPS jest niezbędna do zapewnienia pożądanej jakości i dostępności zasilania.
Keith Lane jest dyrektorem i głównym inżynierem elektrykiem w firmie Lane Coburn & Associates LLC, specjalizującej się w instalacjach o krytycznym znaczeniu.
Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka.
Autor: Keith Lane
