新聞主題	如何提升柴油發電機負載電流效率

 

摘要：數據中心的備用發電機組承受超前無功功率的能力非常有限，當輸入無功功率大于額定無功功率的20%時，就可能發生運行不穩，甚至過壓關機。數據中心IT設備電源配置了功率因數校正器和大容量濾波器電容，會產生大量超前電抗電流。這種超前功率因數負載對市電不會造成嚴重不良影響，卻是導致發電機運行不穩的主要原因。關注和分析潛在的發電機不穩狀況是必要的，采取有效的防范措施是重要的。

 

數據中心的供電系統由三級電源組成，第一級是市電/備用發電機，這是數據中心的交流輸入電源。第二級是UPS，UPS的作用是保證不間斷供電。第三級是IT設備的電源單元PSU，PSU為IT設備提供各種電壓等級的直流電源。在正常情況下，UPS是市電/備用發電機的負載，IT設備的PSU是UPS的負載。當UPS工作于旁路方式時，市電/備用發電機直接為IT設備PSU供電。因此，UPS和IT設備PSU的輸入功率因數或電流的相位，都會影響發電機運行性能。

 

柴油發電機組結構圖

 

 

一、UPS的影響

 

在數據中心應用最多的UPS是雙變換UPS。傳統雙變換UPS是有變壓器的UPS（也稱為工頻UPS），新型雙變換UPS是無變壓器UPS（也稱為高頻UPS）。工頻雙變換UPS采用SCR相控整流器，其脈沖式交流輸入電流包含大量的諧波電流，采用6脈沖整流器的雙變換UPS的輸入電流總諧波失真THD為30%，采用12脈沖整流器的雙變換UPS的輸入電流總諧波失真THD為10%。諧波電流導致功率因數下降，功率因數一般為0.8左右。傳統雙變換UPS輸入電流是滯后的。

高頻雙變換UPS采用IGBT整流器，滿載時輸入功率因數接近1，基本沒有諧波電流。輸入電流的相位是滯后的。但在空載和輕載時會有少量的超前不同相電流和超前功率因數。

綜上所述，UPS的輸入特性對發電機的不良影響主要是諧波電流。會引起中性線電流增大，變壓器和備用發電機發熱，發電機輸出電壓失真等。這些問題通常通過配置容量稍大的發電機就可解決。一般不會出現嚴重的發電機運行不穩現象。

 

二、IT設備的電源單元PSU的影響

 

早期的IT設備電源單元PSU是典型的非線性負載，因為這種電源吸收的諧波電流很大，輸入電流的THD可達0.5以上。雖然這種PSU的不同相電流不大，但諧波電流導致功率因數大大下降，一般為功率因數滯后0.6~0.7。當UPS工作于旁路方式時，發電機直接為PSU供電，PSU對發電機的影響與經UPS供電時的影響大致相同。

現代IT設備PSU都配置功率校正器（PFC），大大減少了諧波電流，達到相關國際標準的要求。功率因數校正器消除了諧波，但沒有減少不同相電流。事實上有配置了功率因數校正的IT設備電源PSU比老式IT設備電源PSU產生的不同相電流更多，而且是超前不同相電流。因此，功率校正器解決了諧波的問題，但出現了更為嚴重的超前不同相電流的問題。下面討論此種IT電源是如何產生超前不同相電流的。

交流輸入端是濾波器，后面是升壓變換器組成的功率因數校正器，其變換頻率為20～200kHz，輸出電壓為400V。最后一級是DC-DC變換器、產生IT設備需要的12、5、3.3 V等直流電壓。濾波器的作用是防止升壓變換器產生的高頻干擾反饋到市電。濾波器由電感和電容組成，其中大電容Cl是關鍵元件，就是這個元件產生了超前不同相電流。導致功率因數從1下降到一定數值超前功率因數。因為電容C1固定加在輸入端，電容引起的超前不同相電流是固定的，與IT設備的實際消耗的功率（負載率）無關。這表明，IT設備負載減少時，IT設備電源的功率因數會隨之下降。因為其有功功率下降了，而超前不同相電流保持不變。圖1示出IT設備電源功率因數變化曲線。

如果服務器是雙電源輸入，通過內部的2個600W的PSU電源供電，假如服務器的實際功率為300W （每個電源150W）。2個PSU電源將工作于圖6中25%的使用點。可以看出此點的功率因數比滿載時的功率因數低得多。一般說來，電源配置得較大或沒有充分利用時，則每瓦IT負載的電容就比較大，因此在總負載電流中的超前電抗電流就比較大。

 

IT電源百分比負載%

 

 

三、解決辦法

 

綜上所述，現代IT設備電源單元PSU是典型的超前功率因數負載，會產生反向無功率或超前不同相電流。而備用發電機組吸收超前無功功率或超前不同相電流的能力非常有限。因此，引起備用發電機組運行不穩甚至關機的嚴重故障或存在隱患。為此，必須采取有效措施解決這個嚴重問題。

1、選用超前輸入電流小的IT設備。

不同的IT設備電源單元PSU的輸入超前不同相電流的大小差別很大，可考慮將PSU的輸入超前電流作為選擇IT設備的依據之一。PSU產生超前電流的根源是輸入濾波器的電容，對于典型的IT設備來說，每千瓦的PSU電源容量一般具有1~10μF的電容范圍，按照輸入電壓和輸入電容可以計算輸入超前電流。建議選用每千瓦5 μF以下的PSU電源，以保證IT設備功率達到80%時，輸入超前無功功率仍小于發電機額定無功功率的20%。

2、備用發電機的超前無功功率的限制。

如前所述，在典型的發電機容量曲線中，發電機吸收無功率的能力用反向（輸入）無功功率（kVAr）的極限表示，發電機工作時的超前無功功率必須小于額定無功功率的20%。也可用超前無功電流極限表示。即發電機工作時的超前無功電流必須小于額定無功電流的20%，以防止發生運行不穩定的問題。

3、增加電源利用率。

如前所述，超前無功功率與額定IT電源PSU容量成正比，與實際消耗的IT設備瓦特數無關。因此，相比于IT負載實際需要的電源容量，未充分利用的電源容量或者電源容量超額設計部分都會帶來額外的輸入電容。故應合理考慮服務器配置方案的電源利用率，盡量避免電源容量超額設計。

4、避免雙電源負載的2路電源同時連接到一臺備用發電機。

目前，大多數IT設備都是雙電源輸入負載。每路電源的容量設計為：當其中一路電源故障時，另一路電源可以承擔全部IT設備的供電。任何一路電源應能承受突加50%負載的影響。但每個電源通道的交流輸入始終固定接到其中一路市電/發電機交流配電線路，因此，在這種方式下，即使負載功率加倍，但負載的電容不會改變。但是，如果上游配電電路采用母聯分段方式（cross tie），母聯開關閉合時，其中一路市電/發電機配電線路將接入IT設備2個電源通道的全部電源設備，這將導致該路市電/發電機配電線路的電容加倍，因此超前電流加倍。從而對發電機造成嚴重影響。所以，應考慮避免上游配電電路采用母聯分段方式。

5、安裝電感負載箱。

如果發現運行中的數據中心的超前無功功率較大，可能威脅發電機的安全運行，可以考慮安裝電感負載箱解決。電感負載箱安裝在發電機輸出母線上，可以提供固定量的滯后不同相電流，以抵消IT設備產生的超前不同相電流。這類似于常規電路中感性負載較多導致功率因數下降時，用電容進行功率因數補償。可以采用帶自動開關的電感負載箱，根據需要加上和撤除電感負載箱。

6、采用靜止無功功率發生器（SVG）

SVG是典型的電力電子設備，可用于動態補償無功功率。系統處于感性時，SVG發出容性電流；系統處于容性時，SVG發出感性電流，以抵消與之相反的無功電流。SVG還可以抑制諧波電流。故采用SVG可以有效地抑制IT 設備電源PSU產生的超前（容性）電流。

7、從柴油發電機組設備入手

 （1）提高柴油發電機組容量

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