数据中心暖通系统水泵变频器调试优化

1 概述

  数据中心暖通系统的末端负荷主要是由服务器等电子信息设备组成，这些设备的发热量是由设备耗电量中90%以上的能量转化过来的，其热密度越高，负荷就越大。现在大型或超大型数据中心多采用高密机柜，单机功率10kw，一些大型互联网公司自建机房的机柜功率达到30kW甚至更高。这就导致一个问题，一旦机房制冷系统出现问题，IT设备温度会急剧上升，在很短的时间内服务器由于散热效率下降出现高温报警、性能降低、保护关机，严重时甚至会直接宕机，造成数据丢失。作为A级数据中心，某钢云计算数据中心（东区）BA控制系统要求在双路电源切换、供电中断及电压波动等情况下导致制冷单元停机时，冷水机组必须在蓄冷罐应急放冷完成前重新启动运行，以为末端机房提供持续的冷量，防止机房温度骤升，引起宕机。在整个暖通制冷系统中冷冻水泵起到至关重要的作用，不管是夏天的冷机制冷模式还是冬季板换制冷模式，冷冻水泵都需要持续运行，以保障末端空调冷冻水不断流。

2 现状

  某钢云计算数据中心（东区）暖通系统共5套制冷单元，每套制冷单元中各由一台高压冷水机组，冷冻水泵，冷却水泵组成。其中冷冻水泵由EPS（应急电源）供电。基于BA系统的控制特点，给冷水机组发送启动命令的一个重要备妥前提是同一制冷单元的冷冻水泵已成功启动，否则整套制冷单元做故障处理，切换至下一套制冷单元。这有个问题，在第三方综合验证测试冷水机组短时断电重启时发现，在用水泵变频器（含冷却和冷冻水泵）在双路供电切换和上游变电所切换电路导致电压波动时，变频器报过流故障（故障代码：2310）以及输出缺相故障（故障代码：3381），由于短时间故障不能自动复位，BA系统判断此套制冷单元故障，剔出启动序列并切换至下一套制冷单元启动，由于BA控制系统设置判断的时间较短，冷却水量无法满足启动要求，冷水机组报故障，BA系统又切换至下一套制冷单元启动，结果就是5套制冷单元全部启动失败，BA系统发出蓄冷罐应急放冷命令。这属于非常严重的BUG，蓄冷罐只有15分钟冷量释放时间，如果超过这个时间，机柜服务器将会在短时间内堆积大量的热量，几分钟就可能达到40℃甚至更高，这已经影响数据中心的安全稳定运行。

3 原因分析

  对过流原因的分析：

  水泵变频器在双电源切换过程中突然失电或电压波动时，电源电压迅速下降，内部整流电压减小，变频器输出电压降低，由于三相异步电机转矩与变频器输出电压的平方成正比（公式：M转矩=C电机特性常数*（U电压）2），导致电机转矩大幅度减小，而此时负载不变，促使电机电流增大，超过变频器监控保护电流，致使其报警保护。结果就是由于变频器的输出电压不断下降，引起电动机的过电流，变频器停止运行并报故障。

  对输出缺相原因的分析：对配电系统电缆、相序、连接等进行了检查，三相供电、相序都正常，各连接点也都没有问题，初步判断输出缺相是由于变频器输出端安装有接触器导致。

4 解决方案

  过流故障解决的方法可以从三方面入手：

  第一，通过优化BA控制程序，增加反馈检测，当断电或电源切换导致冷冻水泵变频器报过流故障时，对水泵变频器远程复位；第二，通过优化变频器参数，强制将过流故障消除，使变频器可以自动复位故障；第三，找出过流故障的具体原因，再有针对性的优化变频器参数，使变频器不报故障。

  前两种方案治标不治本，并没有从根本上找出变频器故障的原因，只是将故障通过程序强行复位。报故障本身就是变频器进行自我保护的一种方法，如果不从根本上找出原因，并加以解决，对变频器的长期运行其实是很不利的。首先通过原因分析，我们知道三相异步电机的转矩与电压的关系，如果要控制电机在正常运行时遇到突然失电不过电流，可以先从控制转矩入手。

  ABB ACS880这款变频器核心技术是直接转矩控制（DTC），它是ABB最先进的电机控制技术，可以实现低速大力矩、低电流大力矩，独有零速满转矩特性。它省掉了繁琐的静止坐标和旋转坐标间的矢量变换以及大量的坐标变换计算，无需进行电动数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器。具有控制系统结构简单、控制手段直接、信号处理物理概念明确的特点。该控制系统转矩响应迅速，无超调，是一种具有较高动、静态性能的交流调速方法。

  由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的，这意味着传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速反应，实现转矩极快的响应速度和极准的控制精度。

  其次就是加强电机在停电过程的控制，电源双路切换变频器短暂失电及恢复的过程如下图所示：

  停电时间T1<T3，即电源停电后又在T3 时间内恢复，则整个系统继续工作，符合电压扰动时的状态。

  停电时间T1<T2，则允许电动机继续运行而不跳闸，符合冷冻水泵电机运行时的状态。

  停电时间T1>T2，变频器调整为跳闸，此时电机暂时失去变频器控制，符合冷却水泵电机运行时的状态。

  给电机启停机设置加速时间和减速时间，并设置加减速的曲线，使电机平缓进入加减速模式。由于冷冻水泵变频器上端有EPS供电，正常模式下切换至电池供电的时间是20ms（ECO 模式下是5ms，此模式下变频器报故障的概率大大降低，但还是无法完全杜绝），所以为了让电机来电重启时不至于与设置转矩偏差过大，需设置停止模式为斜坡停车，使电机在短暂断电过程中运行较平顺。而冷却水泵变频器上端为ATS切换柜，主路切换到备路的时间是3s，备路切换到主路的时间是2s，如果完全按照冷冻水泵变频器的参数设置，就会出现A3A2（直流回路欠压）报警，这是因为冷却水泵ATS切换时间过长，在斜坡停车过程中还需要变频器给电机输送电源，但是变频器内电容容量已用完，所以报欠压。此问题解决的方法是将停止模式由斜坡停车改为自由停车，利用制动斩波器配合制动电阻，将变频器上的能量释放。

  输出缺相的解决方法：

  重新设计变频柜内部接线图，取消原设计中的星三角启动功能，并按新设计图纸进行整改。

5 具体措施

  首先按照重新设计后的图纸将变频柜内所有接触器拆除，整改完成后，进行双电源切换测试，多次测试的结果是无输出缺相故障报警，但频繁报过流故障。

  结合BA控制系统对冷冻水泵和冷却水泵的控制要求，对水泵变频器部分参数进行如表1设置：

  参数修改后，测试在BA远程控制模式下的双路电源切换，冷冻水泵和冷却水泵变频器切换过程平稳顺利，变频器无故障报警，冷水机组在双路电源切换后能在短时间启动成功，整个暖通系统供冷正常。

6 结语

  近年来，数据产业快速发展，大量数据中心在不断投建。十四五规划中新基建成为重要一环，作为新基建的基础支撑，数据中心发挥着越来越重要的作用。随着5G、物联网等新技术的推动以及国家新基建产业建设的实施，尤其是新冠疫情下，我国运用大数据来防治疫情效果显著，数据中心的重要性日益凸显，作为根基，直接关系着数据产业这个摩天大厦的稳定性。