提高柴油发电机功率较高效的步骤

摘要：数据中心的后备发电机组承受超前无功功率的能力非常有限，当输入无功功率大于额定无功功率的20%时，就可能产生运转不稳，甚至过压关机。数据中心IT设备电源配置了容量因数调校器和大容量滤波器电容，会产生大量超前电抗电流。这种超前功率因数负载对大电不会造成严重不好影响，却是引起发电机运转不稳的主要原由。关注和解析潜在的发电机不稳现象是必要的，采取有效的预防办法是重要的。

参数中心的供电装置由三级电源构成，第一级是市电/后备发电机，这是数据中心的交流输入电源。第二级是备用电源，备用电源的作用是保证不间断供电。第三级是IT装置的电源单元PSU，PSU为IT装置供应各种电压等级的直流电源。在正常情况下，备用电源是电网/备用发电机的负荷，IT设备的PSU是备用电源的负载。当备用电源工作于旁路步骤时，市电/后备发电机直接为IT设备PSU供电。因此，备用电源和IT装置PSU的输入功率因数或电流的相位，都会影响发电机运行性能。

在数据中心应用较多的备用电源是双变换备用电源。传统双变换备用电源是有变压器的备用电源（也称为工频备用电源），新型双变换备用电源是无变压器备用电源（也称为高频备用电源）。工频双变换备用电源采用SCR相控整流器，其脉冲式交流输入电流包含大量的谐波电流，采用6脉冲整流器的双变换备用电源的输入电流总谐波失线脉冲整流器的双变换备用电源的输入电流总谐波失线%。谐波电流导致容量因数下降，功率因数一般为0.8左右。传统双变换备用电源输入电流是滞后的。

高频双变换备用电源采用IGBT整流器，满载时输入功率因数接近1，基础没有谐波电流。输入电流的相位是滞后的。但在空载和轻载时会有少量的超前不同相电流和超前容量因数。

综上所述，备用电源的输入特征对发电机的不佳危害具体是谐波电流。会引起中性线电流增大，变压器和备用发电机过热，发电机输出电压失真等。这些问题通常通过配置功率稍大的发电机就可解决。通常不会产生严重的发电机运转不稳情形。

早期的IT设备电源单元PSU是典型的非线性负荷，由于这种电源吸收的谐波电流很大，输入电流的THD可达0.5以上。虽然这种PSU的不一样相电流不大，但谐波电流导致功率因数大大下降，通常为功率因数滞后0.6~0.7。当备用电源作业于旁路步骤时，发电机直接为PSU供电，PSU对发电机的危害与经备用电源供电时的危害大致相同。

现代IT装置PSU都配置功率调校器（PFC），大大减少了谐波电流，达到相关国际标准的要求。容量因数校正器排除了谐波，但没有减轻不一样相电流。事实上有配置了功率因数校正的IT设备电源PSU比老式IT设备电源PSU发生的不同相电流更多，而且是超前不同相电流。因此，功率校正器解决了谐波的问题，但出现了更为严重的超前不同相电流的问题。下面讨论此种IT电源是怎生发生超前不一样相电流的。

交流输入端是滤波器，后面是升压变换器组成的功率因数调校器，其变换频率为20～200kHz，输出电压为400V。最后一级是DC-DC变换器、发生IT装备需要的12、5、3.3 V等直流电压。滤波器的用途是预防升压变换器产生的高频干扰反馈到大电。滤波器由电感和电容结构，其中市电容Cl是关键元件，就是这个元件产生了超前不一样相电流。导致容量因数从1下降到一定数值超前功率因数。因为电容C1固定加在输入端，电容导致的超前不一样相电流是固定的，与IT设备的实际消耗的功率（负载率）无关。这表明，IT装备负载减少时，IT设备电源的容量因数会随之下降。因为其有功功率不足了，而超前不一样相电流保持不变。图1示出IT装备电源容量因数变化曲线。

如果服务器是双电源输入，通过内部的2个600W的PSU电源供电，假如服务器的实际功率为300W （每个电源150W）。2个PSU电源将作业于图6中25%的使用点。可以看出此点的功率因数比满载时的功率因数低得多。通常说来，电源配置得较大或没有充分利用时，则每瓦IT负载的电容就比较大，因此在总负荷电流中的超前电抗电流就比较大。

综上所述，现代IT装备电源单元PSU是典型的超前容量因数负荷，会发生反向无功率或超前不同相电流。而备用发电机组吸收超前无功功率或超前不同相电流的能力非常有限。因此，致使备用发电机组运转不稳甚至关机的严重故障或存在隐患。为此，必须采取高效方案清除这个严重问题。

不同的IT设备电源单元PSU的输入超前不一样相电流的大小差别很大，可考虑将PSU的输入超前电流作为购买IT装备的依据之一。PSU产生超前电流的根源是输入滤波器的电容，对于典型的IT设备来说，每KW的PSU电源功率一般具有1~10μF的电容范围，按照输入电压和输入电容可以计算输入超前电流。建议选取每KW5 μF以下的PSU电源，以保证IT设备功率达到80%时，输入超前无功容量仍小于发电机额定无功容量的20%。

如前所述，在典型的发电机容量曲线中，发电机吸收无功率的能力用反向（输入）无功功率（kVAr）的极限表示，发电机工作时的超前无功容量必须小于额定无功功率的20%。也可用超前无功电流极限表示。即发电机作业时的超前无功电流必须小于额定无功电流的20%，以防范发生运转不稳定的问题。

如前所述，超前无功功率与额定IT电源PSU功率成正比，与实际消耗的IT装置瓦特数无关。因此，相比于IT负载实际需要的电源容量，未充分利用的电源功率或者电源容量超额布置部分都会带来额外的输入电容。故应合理考虑服务器配置举措的电源利用率，尽量预防电源功率超额布置。

目前，大多数IT装置都是双电源输入负荷。每路电源的功率设计为：当其中一路电源事故时，另一路电源可以承担全部IT装备的供电。任何一路电源应能承受突加50%负载的危害。但每个电源通道的交流输入始终固定接到其中一路大电/发电机交流配电线路，因此，在这种步骤下，即使负载功率加倍，但负载的电容不会改变。但是，如果上游配电电路采用母联分段步骤（cross tie），母联开关闭合时，其中一路市电/发电机配电线个电源通道的全部电源装备，这将致使该路电网/发电机配电线路的电容加倍，因此超前电流加倍。从而对发电机造成严重影响。于是，应考虑避免上游配电电路采用母联分段步骤。

如果发现运转中的数据中心的超前无功容量较大，可能威胁发电机的安全运转，可以考虑装配电感负荷箱排除。电感负荷箱装配在发电机输出母线上，可以提供固定量的滞后不同相电流，以抵消IT设备产生的超前不一样相电流。这类似于常规电路中感性负载较多引起功率因数下降时，用电容进行容量因数补偿。可以采用带自动开关的电感负荷箱，根据需要加上和撤除电感负载箱。

SVG是典型的电力电子设备，可用于动态补偿无功功率。系统处于感性时，SVG发出容性电流；系统处于容性时，SVG发出感性电流，以抵消与之相反的无功电流。SVG还可以抑制谐波电流。故采用SVG可以高效地抑制IT 设备电源PSU发生的超前（容性）电流。

对于相同的柴发机组，发电机的功率越大，其带容性负载能力将更强。因为参数中心项目中容性负载存在，因此在选型参数中心发电机组时，发电机功率将会是非常重要的数据之一。注：发电机容量参数与发电机温升息息相关，只有在相同温升要素下比较发电机容量才有意义。不同温升状况下将不能比较发电机容量的大小。

在规划安装柴油发电机组时，应该充分保证机房冷空气的流动，能够有效快速地冷却发电机；从发电机设计和生产的角度，发电机应是通过提高空气冷却发电机散热效率的通风组成和方式，使冷却空气从发电机的若干个进风口进入定子和转子之间的气隙，再经过由铁芯与绕组的间隙形成的通风道，进入导流板与铁芯背面之间形成的扁平流道，之后流入发电机内部空腔，再经由出风口流出。

柴油发电机组在带动容性负荷时，容性负载将会产生励磁电流，容性负荷越大，超前功率因数越小，其发生助磁电流越大。

通过无功补偿措施来调节容性负荷容量因数，使之向容量因数1靠近。容量因数的提升，将大大提升发电机组带载能力。