APC Silcon UPS med dieselgenerator TM Legendary Reliability
APC Silcon UPS med dieselgenerator (Version 2) Inledning Avbrottsfri kraft (UPS) och dieselgeneratorer är två nära besläktade viktiga faktorer som är viktiga för att tillgodose behovet av pålitlig nätdrift i kritiska installationer. Vid behov av längre backuptider än 20 minuter kan det vara lämpligt att använda ett litet batteri tillsammans med en dieselgenerator. Ofta består emellertid installationen av en kritisk del, t.ex. en dator, och en mindre kritisk del som belysning och luftkonditionering. Den mest fördelaktiga konfigurationen för en sådan installation är att låta dieselgeneratorn strömförsörja den mindre kritiska lasten, medan UPS:en strömförsörjer den kritiska lasten. Då kommer dieselgeneratorn att driva UPS:en efter start, så att batterierna sparas. Erfarenhet från många installationer visar emellertid att det inte alltid är så enkelt att få en UPS och en dieselgenerator att arbeta tillsammans, eftersom båda är reglerade system som kan växelverka med sina regulatorer, vilket kan leda till instabilitet. Eftersom UPS:en vanligtvis är den största enskilda enhet som är kopplad till dieselgeneratorn är det lämpligt att optimera UPS:en för att stabilisera systemet, även om det inte är UPS:en som orsakar instabiliteten. För att åstadkomma en optimerad samverkan mellan en dieselgenerator och APC Silcon UPS:en kan ytterligare parametrar programmeras in med hjälp av tangentbordet på framsidan. Detta gör APC Silcon UPS:en mycket flexibel. Definitioner Frekvensvariation (Hz/sek) avser hur snabbt en frekvensändring äger rum. Exempel: Från 52 Hz till 50 Hz på 4 sekunder resulterar i en frekvensvariation på (2/4) 0,5 Hz/sek. Lasten avgör valet av frekvensvariation. Om det är fråga om en SMPS-last (switchande nätaggregat) kan 4,0 Hz/sek användas, men när det gäller roterande laster eller fasstyrning används normalt 1,0 Hz/sek. Vid stor tröghet hos roterande laster kan det vara nödvändigt att minska frekvensvariationen till exempelvis 0,25 Hz/sek. APC Silcon UPS:en kan programmeras med 0,25, 0,50, 1, 2 eller 4 Hz/sek. Oftast är 1 Hz/sek det optimala värdet. Mjukstart (upprampning) är den tid som APC Silcon UPS:en använder för att öka inströmmen från 0 till 100 %. Valet av frekvensvariation beror på dieselgeneratorns förmåga att upprätthålla stabil frekvens och spänning under last. Eftersom motorer inte konstrueras för att klara av plötsliga, stora lastökningar, kan dieselgeneratorn med fördel belastas gradvis, vilket ger en kraftigt förbättrad stabilitet i både frekvens och spänning. Under upprampning drivs APC Silcon UPS:en från batteriet, så att upprampningstiden blir så kort som möjligt och belastningen på batteriet reduceras. Om dieselgeneratorns klassning överensstämmer med typklassningen för APC Silcon UPS:en bör tiden för mjukstart (upprampning) vara lång. APC Silcon UPS:en kan programmeras med 1, 10, 20 eller 40 sekunder upprampningstid. Oftast är 10-20 sekunder optimalt. Prestanda för APC Silcon UPS:en på en dieselgenerator APC Silcon UPS:en har den högsta effektiviteten (för AC-ACanslutna UPS:er), samtidigt som ineffektfaktorn reglerats till 1 och inströmmen är sinusformad. Det betyder att APC Silcon UPS:en har lägst ineffekt av alla UPS-system som finns på marknaden idag. Härigenom är det enkelt att få APC Silcon UPS:en att fungera korrekt tillsammans med en dieselgenerator, med hjälp av den mycket flexibla programmeringen hos systemet. Vid utvecklingen av APC Silcon UPS- serien har särskild vikt lagts vid styrning och reglering såväl som optimering av hela driftsättet. Detta gör APC Silcon UPS:en till en optimal lösning för användning tillsammans med en dieselgenerator. Exempel på drifttest av APC Silcon 480 kw 400V UPS Generatortyp: Typ: ANSALDO Dieselmotor: Typ: DORMAN turbodiesel Märkeffekt: 600 hk Cylindervolym: 24 l Antal cyl.: 6 Frekvenstolerans är den maximala statiska frekvensändring som lasten klarar av att hantera. Ansluten utrustning är emellertid mycket sällan känslig för frekvensändringar, varför en tolerans på ±6% normalt är lämpligt. APC Silcon UPS kan programmeras med ± 2, 4, 6 eller 8%. Generatorsystem: Typ: Mobilt generatorsystem Modell: SGC 625 Serienr: 670/791 kva/kw: 625/500 Volt: 380 Faser: 3 Hz: 50 Varv/min: 1500 Ampere: 950 2
Generatorn är också utrustad med manuell reglering av referensen för utspänningen. Det innebär att generatorn kan justeras i området 335 V till 480 V (effektivvärde). Regleringen av generatorsystemet är elektronisk. Vid testet justerades generatorn till 400 V utspänning (effektivvärde). Produkttyp i APC Silcon UPS-serien: Standard: APC Silcon 480kW 400V. Likström matas från en 12-pulsladdare på 800 V DC, 800 A. Utspänning: 400 V. Fig. 2 visar frekvensvariationen och belastningsströmmen på dieselgeneratorn under upprampning av generatorn med 100 % resistiv last. Upprampningen startar ungefär vid 7,5 sek, här visas hur generatorfrekvensen minskar med ca 0,02 Hz/sek till 49,85 Hz. Den frekvensen bibehålls tills upprampningen avslutas vid t = 42,5 sek. Då ökar generatorn till 50 Hz igen. 50.5 Frekvensvariationer hos dieselgenerator under upprampning Mätningar på APC Silcon 480kW 400V, strömförsörjd från dieselgeneratorn: Följande test har utförts på APC Silcon 480kW 400V, när den är strömförsörjd från dieselgeneratorn: Från batteridrift till normal drift, med 100 % resistiv last. Frekvensvariation = 2 Hz/sek och upprampningstid = 10 sek. Frekvensvariation = 2 Hz/sek och upprampningstid = 40 sek. Utspänning och generatorspänning vid 100 % resistiv last. Testresultat: Fig. 1 visar frekvensvariationen och belastningsströmmen på dieselgeneratorn under upprampning av generatorn med 100 % resistiv last. Upprampningen startar vid ungefär 3 sekunder, och man ser att generatorfrekvensen minskar med ca 0,125 Hz/sek till 49,75 Hz. Den frekvensen bibehålls tills upprampningen avslutas vid t = 13 sek. Då ökar generatorn till 50 Hz igen. Fig. 1: Frekvensvariationer hos dieselgenerator under upprampning Belastningsström på dieselgenerator under upprampning Upprampning av dieselgenerator när APC Silcon 480kW 400V UPS belastas med 100 % resistiv last. UPS inställd på : Frekvensvariation = 2 Hz/sek och upprampning = 10 sek. I in RMS [A] f[hz] 50 49,5 800 Belastningsström på dieselgenerator under upprampning 600 400 200 0 Fig. 2: Upprampning av dieselgenerator när APC Silcon 480kW 400V UPS belastas med 100 % resistiv last. UPS inställd på : Frekvensvariation = 2 Hz/sek och upprampningstid = 40 sek. Fig. 3 visar utspänningen från dieselgeneratorn respektive APC Silcon 480kW. 480kW är i normalt driftläge, med 100 % resistiv last. På grund av den sinusformade inströmmen hos APC Silcon UPS:en blir den totala harmoniska distorsionen (THD) hos utspänningen mycket låg. För en dubbelkonverterande UPS med exempelvis en 6-12-pulsladdare skulle distorsionen ha blivit avsevärt högre. Då skulle UPS:en kanske inte acceptera spänningen och därigenom inte kunna hantera dieselgeneratorn. Det är mycket viktigt i stora installationer att UPS:en inte är den enda lasten på dieselgeneratorn. Om så är fallet kan en UPS med en 6- eller 12-pulsladdare orsaka så hög distorsion att den utrustning som är ansluten direkt till dieselgeneratorn inte accepterar den, trots att den accepterats av UPS:en. Den generella regeln är därför att en generator måste vara ca 3-5 gånger större än en dubbelkonverterande UPS för att uppnå en acceptabel distorsion på ca 8-10 %. Denna faktor är inte oväsentlig vid inköp av dieselgenerator. 3
400 Utspänning för generator vid full last, stationärt tillstånd P GENERATOR = 3 x V GENERATOR x I IN APC Silcon UPS V ups[v] V gen[v] 200 0-200 -400 Utspänning för UPS vid full last, stationärt tillstånd 400 200 0-200 -400 Vid 100 % belastning är generatoreffekten normalt 1,2 gånger effektklassningen för APC Silcon UPS:en. k 1,5 1,0 V IN APC Silcon UPS = V GENERATOR 85% 100% 115% Fig. 3: Överst: Dieselgeneratorns utspänning. Underst: Utspänning för 480kW. APC Silcon 480kW 400V UPS:en är här belastad med 100 % resistiv last. 0,5 Ett antal mätningar har gjorts på APC Silcon 480kW 400V UPS:en när den är strömförsörjd från dieselgeneratorn. Fig. 1 och 3 visar att generatorns upprampningstid påverkar hur mycket frekvensen minskar vid upprampning och hur mycket den ändras vid slutet av upprampningen. Ytterligare tester har därför utförts av APC Silcon 480kW 400V UPS:en, vilka visar att lång upprampningstid medför att frekvensvariationen kan minskas. Detta är viktigt om en kort upprampningstid önskas, för då måste man acceptera en större frekvensvariation. Vid installation av system med dieselgenerator måste både frekvensvariation och upprampningstid anpassas till den använda generatorn. Den sammantagna slutsatsen är att APC Silcon 480kW 400V UPS:en hanterat dieseldriften på ett tillfredsställande sätt. Krav på dieselgeneratorn Vid dimensionering av dieselgeneratorn för en APC Silcon UPS:en gäller följande rekommendationer: kva-klassning: Eftersom APC Silcon UPS:en har PF 1 på ingången behöver generatorn inte vara kva-klasssad. kw-klassning: När APC Silcon UPS:en ska användas tillsammans med dieselgeneratorn är batterierna redan urladdade. Generatorn måste därför ta över full laddningseffekt, förluster i växelriktare samt last. Med hjälp av diagrammet och tabellen i figur 4 kan inströmmen för APC Silcon UPS:en beräknas. kw-klassningen kan därefter beräknas så här: Fig. 4: 0 25 50 75 100 I in = nominell I ut x k Nominell I UT [A] % last (kw) på APC Silcon UPS APC Silcon 10kW 20kW 40kW 80kW 160kW 320kW 480kW 380V 15,2 30,3 60,6 121 243 486 729 400V 14,5 29,0 58,0 116 231 462 693 480V 13,9 27,8 55,6 111 223 446 669 Spänningstolerans: Spänningen måste hålla sig inom ±15%. Om annan utrustning är ansluten är emellertid kravet normalt ±10% eller mindre. Frekvenstolerans: Generatorn måste hålla frekvensen inom de toleranser som kunden specificerat, både med full last och utan last. Detta gäller både för dynamiskt och stationärt läge. Max ±8%, normalt ±6%. Dynamiska krav (laststeg): När APC Silcon UPS:en är kopplad till generatorn används den inprogrammerade mjukstarten (upprampning). Dieselgeneratorn måste klara av att följa med i detta laststeg 4
från 0 till 100% inom den angivna tiden och samtidigt hålla frekvenstoleransen och spänningstoleransen under hela förloppet. Räkna med att dieselgeneratorn är kall vid start. Maxtid 40 sek. Distorsion (THD): Inga krav ställs av APC Silcon UPS:en, men om annan utrustning ansluts till generatorn bör THD vara max. 10%. Alla krav som nämns ovan bygger på att APC Silcon UPS:en strömförsörjer lasten och på det sättet fungerar som ett filter mellan last och generator. Man bör räkna med att APC Silcon UPS:en kan vara förbikopplad, elektroniskt eller manuellt, vilket gör att dieselgeneratorn måste kunna klara av lasten själv. När man bygger upp en installation med en UPS och en dieselgenerator är det viktigt att bygga in en intelligent samverkan mellan generatorn och UPS:en. APC Silcon UPS:en har en avancerad inbyggd nätstyrning, som reglerar följande parametrar: Anm: Om batteriet är litet och dieselgeneratorn startar långsamt, samtidigt som upprampningstiden är maximal, bör dieselgeneratorn vara i gång längre så att APC Silcon UPS:en laddar batteriet tillräckligt. Frekvenstolerans: Min- och maxvärde. Frekvensändringar (frekvensvariation): Maxvärde. Nätspänning (effektivvärde): Min- och maxvärde. Nätspänning: Momentanvärde, min och max. Om dessa värden överskrids kommer APC Silcon UPS:en att koppla om till batteridrift och efter 30 sekunders fördröjning aktiveras ett relä på systemintegrationsgränssnittet (SII X005, stift 13-14 batteridrift). Signalen kan användas för att starta en dieselgenerator. En enkel nätstyrning (normalt bara underspänning) kan byggas in i dieselgeneratorns reglering, så att generatorn startar vid nätavbrott. Signalen från APC Silcon UPS:en måste klara av att även starta dieselgeneratorn, annars kan UPS:en koppla om till batteridrift på grund av nätavbrottet utan att dieselgeneratorn startas, eftersom UPS:en kanske inte upptäcker nätavbrottet. När dieselgeneratorn är i gång, kopplar man ur nätet och kopplar in dieseln med hjälp av två kontaktorer. När dieselgeneratorn är i gång är systemet i ett stationärt tillstånd, tillbakakoppling bör därför inte ske förrän man försäkrat sig om att nätet fungerar som det ska igen. När dieselgeneratorn startat bör den få vara i gång under en viss minimitid, t.ex. 10-30 minuter, för att förbättra livslängden hos motorn. Under denna tid laddas även batteriet hos Silcon DP300E, så att det finns tillräckligt med energi kvar för att koppla över från diesel till nät. Vid omkoppling till nätdrift igen kan dieselgeneratorn med fördel synkroniseras med nätet, så att omkopplingen blir avbrottsfri. Om dieselgeneratorn inte arbetar synkront måste en fördröjning på ca 100 ms finnas vid omkopplingen för att undvika att fasändringar uppstår i annan utrustning (som inte är kopplad till APC Silcon UPS:en). 5
TM Legendary Reliability APC: Huvudkontor 132 Fairgrounds Road West Kingston, RI 02892 USA Tel: (+1) 401 789 0204 Fax: (+1) 401 789 3710 APC Denmark ApS Silcon Allé DK-6000 Kolding Danmark Tel: (+45) 75 54 22 55 Fax: (+45) 72 19 03 50 APC Sweden AB Mariehällsvägen 44 161 02 Bromma Sverige Tel: (+46) 8 564 826 00 Fax: (+46) 8 28 33 53 Internet: apcinfo@apcc.com PowerFax: (+1) 800 347 3299 (inom Nordamerika) APC:s webbplats: www.apcc.com Kostnadsfri teknisk support (+46) 020 795 419 6