預制化并機UPS系統不均流問題的研究

滑 祥，張 銳

（萬國數據服務有限公司，上海 200131）

0 引 言

近些年，在數字經濟發展浪潮下，作為其核心生產力的算力及算力網絡已成為影響國計民生的關鍵。2022年，我國在成渝、京津冀等8個區域布局建設國家算力樞紐節點，同時規劃了張家口集群等10個國家數據中心集群，全面啟動全國一體化大數據中心體系“東數西算”工程[1]。同時東南亞國家也有可持續性和成本效益的數據中心解決方案增長的需求，部分互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）積極實施海外項目落地。這些都對數據中心的建設提出了更高的要求，需要數據中心的敏捷交付，即“快速交付”與“靈活彈性”。

傳統配電系統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，各自獨立，在建設安裝過程中十分復雜，現場施工量大，交付工期長。現在，萬國數據服務有限公司正在實施“設計模塊化、生產預制化”的實踐。本文以一例預制化配電系統中并機UPS出現靜態旁路帶載不均流問題進行研究，分析其原因及整改措施。

1 預制化產品及問題

1.1 產品系統簡述

低壓配電系統由10 kV配電變前置高壓柜、配電變、低壓柜、4臺并機UPS系統以及UPS輸出柜組成。與傳統的配電設計相比較，此次把UPS與UPS輸入、輸出柜融為一體，設置為一個預制化模塊。UPS的本體、輸入、輸出、動環監控部分均可以在工廠標準化安裝，到現場后只需要把相應的接口部分連接。

低壓配電模塊與UPS并機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、靜態旁路的輸入端采用內部短接，較傳統的配電系統，省去1臺輸入用框架式開關及相應輸入電纜。預制化配電產品平面如圖1所示。

圖1 預制化配電產品平面

1.2 測試問題

測試單位按照標準對4并機系統UPS在整流逆變模式、靜態旁路模式下分別帶載驗證測試，檢查整個系統性能是否滿足設計要求。并機系統在整流逆變模式下，測試數據正常。并機系統在靜態旁路模式帶載，70%負載情況下，1#和4#UPS負載偏差55%。極限測試：負載2 060 kVA，負載率85.9%，出現4#UPS旁路過流緊急告警，UPS廠家建議暫停測試加載工作，本系統未達到滿載設計測試要求。UPS并機帶載測試數據如表1所示。

表1 UPS并機帶載測試數據

2 不均流問題分析與處理

2.1 理論分析

配電設計說明中關于UPS并機系統的供電均流相關問題，一般都會要求并機系統中各臺單機的輸入、輸出功率以及電纜長度和規格相同[2]。然而本系統UPS輸入、輸出電纜的長度、規格雖然一致，但仍出現了不均流問題，經判斷，并機UPS輸入、輸出采用公共母線銅排形式。UPS本體、輸入輸出開關柜體間隔分布，每臺UPS電源引入或引出點之間間隔2 m左右。估算銅排阻抗Z1約為0.147 mΩ，并機系統的等效電路示意如圖2所示。不均流的程度要根據UPS靜態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內部的SCR阻抗。

圖2 預制化UPS并機模塊系統圖

基于現場設備現狀，為了解決上述問題，結合等效電路嘗試是否可以通過更改UPS并機模塊的電源接入點來解決這一問題。

2.2 仿真分析及處理

仿真是基于4臺UPS靜態旁路回路阻抗大小相等，其與UPS間銅排阻抗的比值根據表1中實測數據估算，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種不同的比例系數進行數據比對，結果如表2所示。根據仿真結果，得出如下結論。估算的系統電流分布與實測數據接近，該比例系統可用于電路整改用。銅排阻抗相對靜態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、引出點之間的距離，可以降低不均流程度。預制化UPS 并機模塊等效電路示意如圖3所示。

圖3 預制化UPS并機模塊等效電路示意圖

表2 UPS并機帶載仿真與實測數據1

更改電源輸入點后，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，其仿真結果數據如表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由ULP-4盤柜延遲至ULP-1處，并按照標準進行帶負荷測試驗證其效果。

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并機帶載測試與實測數據2

整改完畢后，并機系統在靜態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據，其不同UPS間旁路回路的不均衡性與實際仿真數據基本一致，證實了改造方案有效性。

3 結 論

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

優化預制化UPS模塊的布局，UPS的輸入、輸出開關柜不宜分散在UPS設備中間，將輸入開關柜、輸出開關柜布置在UPS設備的前后側。

UPS安裝完畢后，帶載驗機是一種常規且有效的檢驗項目，主要目的是檢驗系統是否有足夠的帶載能力、各連接點和電纜是否連接牢固、電源的各項技術指標是否達到預先規定的數值等[3]。