柴油發電機組在數據中心行業的特性應用場景下，容性帶載能力及突加重載能力一直是行業研究和攻克的應用難題，國科數據中心將從測試和技術研究的角度來剖析其中的奧妙，拋磚引玉。解決方案思路從柴油發電機成功帶載的測試看，只要錯開每套高壓直流的啟動時間，同時優化高壓直流的功率walk in緩啟動特性，延長ATS1和ATS2投切開關之間的間隔時間，避免柴油發電機帶載啟動過程的所有高壓直流系統同時大電流加載，即可解決該問題。因此可以根據該思路從本文闡述的幾個方面進行改造優化。

 

一、解決方案思路

 

1、高壓直流系統方面

（1）修改高壓直流模塊軟件改變模塊啟動方式（增加功率walk in功能）：讓每個整流模塊的輸出電流逐步增加，經過幾秒到幾十秒的爬坡時間，最后增加到額定輸出電流。通過這種模式設計，解決了模塊通電啟動瞬間直接滿載輸出的情況，使整個啟動過程緩慢加載，避免了對后級電池過電流充電的風險，同時減少柴油發電機的直接沖擊。該修改只要對模塊出廠前設計好即可，現場無需再修改設置。

（2）通過監控模塊修改系統啟動時間：目前整流模塊的啟動時間是固定的一個值寫在整流模塊里，可以修改監控軟件增加監控模塊對整流模塊啟動時間設置功能。即可以對每套高壓直流系統設置不同的來電后啟動時間，該啟動時間值會寫入所有整流模塊，模塊來電自啟動后，待延時至預設置的時間后，才啟動輸出。根據現場情況，可以設置每套不同的啟動時間，錯開每套啟動的時間。該修改需要在現場根據實際情況進行設置。

 

修改發電機整流系統后的啟動波形

 

2、低壓配電系統方面

（1）通過錯開ATS1和ATS2的自動切換時間，避免兩個ATS在同一時刻切換，減少對柴油發電機的同時大電流沖擊。同時適當延長ATS1和ATS2之間的時間間隔，適當減少兩者負載增加過程的重疊部分，但間隔不宜過長導致電池過度放電。

（2）在配電方面還可以考慮通過PLC硬件控制電操機構，逐個合閘高壓直流系統輸入開關，避免同時啟動。以案例為例，可以對每套高壓直流的整流屏的輸入開關換成帶延時功能的接觸器，通過設置不同的來電合閘時間，也可以實現每套系統分別啟動。

 

二、方案解決及重新帶載測試驗證

 

A、B高壓直流廠家經了解情況后，對系統及模塊的運行方式均進行了修改，主要修改了以下幾個方面：

1）修改了每套系統啟動時間，每套錯開數秒，避免所有系統同時啟動；

2）打開了模塊walk-in功能，使系統內每個模塊按每秒一個逐個啟動，避免了同一套系統內所有模塊同時啟動；

3）調整了模塊輸出電壓模式，采用跟蹤直流母線電壓方式，啟動時輸出直流電壓比蓄電池低5V，后續輸出電壓按1V/秒進行調壓，避免了系統啟動輸出瞬間產生大電流。修改后的啟動波形如圖15所示。在機房配電側則延長ATS1和ATS2切換時間間隔至數十秒。

根據前面的思路，通過優化后重新進行了柴油發電機帶載切換測試，柴油發電機采用自動投入模式，柴油發電機加載過程如圖16所示。從圖中可以看出，柴油發電機輸出功率不會瞬間突加，帶載過程非常平滑穩定電壓無振蕩。和原來未改之前的圖13相比較，沒有了瞬間大電流沖擊的情形，輸出功率增加緩慢爬升，柴油發電機帶載至約2MW都正常運行。這個啟動過程也和圖14的測試也類似，區別是當時采用的是手動控制每套系統間隔投入，此次是系統自動間隔投入。

我們還可以柴油發電機每相功率和PF值曲線可以看出，柴油發電機的啟動過程中的確出現了前面分析的帶容性負載的現象，PF值在-1到+1之間振蕩著。隨著更多高壓直流的投入并帶載（已投入運行的高壓直流PF值達到1），柴油發電機所帶負載的總PF值也逐步轉為正值，最后全部高壓直流負載帶上后柴油發電機PF值達到1的優秀水平。隨著總負載特性由容性轉為感性再到阻性，柴油發電機帶載能力逐步增強，更進一步解決了柴油發電機帶容性負載問題。

 

三、總結

 

總結綜合測試來看，經過前面幾項方案調整優化實施后，柴油發電機可以在停市電后，自動帶滿載正常啟動。從市電停電至切換到柴油發電機啟動帶上全部載，整個過程時間幾分鐘，而任何一套高壓直流系統滿載蓄電池后備時間按超過15分鐘設計，總體備份時間風險可控。初步總結：

1）開關電源類負載，比如高頻模塊化UPS、高壓直流、服務器PSU等在正常工作時由于有PFC電路，基本呈現阻性負載特性，PF值接近1。但是在市電轉柴油發電機供電的啟動瞬間則呈現很強的容性負載特性，柴油發電機需要對這些開關電源內部的電容進行充電，易導致柴油發電機受容性大電流沖擊而被拉跨。

2）典型柴油發電機帶載特性曲線上看，在容性負載下帶載能力快速回縮，如果直接一步帶容性負載到重載很容易被拉跨，但在低壓柴發配電架構下可采用單電源系統級分時逐個投入，則柴油發電機啟動成功的概率大大增加。

3）此外，電源系統內每個整流模塊輸出功率walk-in功能對電池電流過充，以及柴油發電機啟動沖擊都有好處，推薦此功能可以作為高壓直流系統的基本配置要求，寫入高壓直流相關標準中，用戶可以根據實際需要決定是否啟用。

4）如果高壓直流系統級監控無法實現每套電源逐個開機功能，則可以在設計階段考慮采用在每套系統的輸入端配電開關增加分時接觸器來進行延時控制。

5）如果在業務的重要性等方面有先后，可以采用負載優先排列模式，將重要負載優先投入，再投入次級優先性負載，直到所有負載都全部實現投入。同時建議先加最大的負載(盡量不要超過20%到30%的柴油發電機容量)，這樣大負載的影響在系統加至重載前，減少對于系統其他負載的影響。卸載過程剛好相反處理。

6)高壓直流系統啟動模式修改后，整體的帶載時間加長，對于延后啟動時間長的系統，對蓄電池的容量性能要求較高，建議做好相關的精確化維護工作，制定相應的應急預案。

7)發電機帶容性負載的能力，特別是啟動突加容性負載的能力，是標準忽視的。通常發電機是按0.8感性負載設計，但實際很可能帶的是容性負載，因此招標或選型時的相關參數往往容易被忽視，推薦廠驗和測試驗證階段重點關注。十、其他解決柴油發電機帶容性負載的辦法前面簡要介紹了柴油發電機阻抗特性，集中式中壓柴油發電機特點和分布式低壓柴油發電機的差異，結合某案例對低壓柴油發電機帶容性負載問題解決過程做了詳細分析。目前國內在這方面的研究成果不多，經驗也不足，如果能在設計階段就將這個問題考慮進去，就不會被動陷入后期整改麻煩，這里在最后補充一些提前設計的可能辦法。

 

四、其他解決柴油發電機帶容性負載的辦法

 

1、可采用串聯電抗器(reactor)或者調相機(synchronous condenser)。

下圖是facebook數據中心的應用案例，在列頭柜內下部安裝有感性電抗器，用于抵消其市電直供服務器PSU電源的容性啟動沖擊，對PF和THDi都有一定提升，但帶來了360W的功耗。對于普通用戶，因對負載不清，不太容易設計實施。

2、或者采用SVG(Static Var Generator)靜止型無功發生器，或者靜止同步補償器STATCOM(Static Synchronous Compensator)。

傳統的電容補償柜方式不適合于容性負載場合，采用有源濾波器(APFC)和靜止同步補償器(STATCOM)也有成本太高，易故障等不足，目前其他行業在用的SVG產品在成本和性能方面較為折衷，值得研究跟進。

 

發電機SVG無功補償裝置

 

3、采用定制walk in功能服務器電源方案如果市電直供的完全分布式供電架構，則可以在服務器電源內部設置10到15秒功率逐步放開的功率walk in功能，如圖20所示的微軟LES定制PSU電源。減少了ATS切換瞬間對柴油發電機的滿功率瞬態沖擊(此過程的IT負載部分由PSU內置的電池來承擔)，而且這個功率walk in的電流是靠LES分布式電源可控的逐步放開增加。因此柴油發電機不會受到滿載瞬態沖擊帶來的失壓振蕩，同樣在10到15秒內逐步帶起全部的負載，保證了ATS切換的可靠性，減少了對柴油發電機的沖擊振蕩傷害，提高了總系統可靠性。

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