新聞主題	如何提升柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載電流效率

 

摘要：數(shù)據(jù)中心的備用發(fā)電機(jī)組承受超前無功功率的能力非常有限，當(dāng)輸入無功功率大于額定無功功率的20%時(shí)，就可能發(fā)生運(yùn)行不穩(wěn)，甚至過壓關(guān)機(jī)。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備電源配置了功率因數(shù)校正器和大容量濾波器電容，會(huì)產(chǎn)生大量超前電抗電流。這種超前功率因數(shù)負(fù)載對(duì)市電不會(huì)造成嚴(yán)重不良影響，卻是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)的主要原因。關(guān)注和分析潛在的發(fā)電機(jī)不穩(wěn)狀況是必要的，采取有效的防范措施是重要的。

 

數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)由三級(jí)電源組成，第一級(jí)是市電/備用發(fā)電機(jī)，這是數(shù)據(jù)中心的交流輸入電源。第二級(jí)是UPS，UPS的作用是保證不間斷供電。第三級(jí)是IT設(shè)備的電源單元PSU，PSU為IT設(shè)備提供各種電壓等級(jí)的直流電源。在正常情況下，UPS是市電/備用發(fā)電機(jī)的負(fù)載，IT設(shè)備的PSU是UPS的負(fù)載。當(dāng)UPS工作于旁路方式時(shí)，市電/備用發(fā)電機(jī)直接為IT設(shè)備PSU供電。因此，UPS和IT設(shè)備PSU的輸入功率因數(shù)或電流的相位，都會(huì)影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能。

 

柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

 

 

一、UPS的影響

 

在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最多的UPS是雙變換UPS。傳統(tǒng)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(dǎo)致功率因數(shù)下降，功率因數(shù)一般為0.8左右。傳統(tǒng)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(shí)輸入功率因數(shù)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(shí)會(huì)有少量的超前不同相電流和超前功率因數(shù)。

綜上所述，UPS的輸入特性對(duì)發(fā)電機(jī)的不良影響主要是諧波電流。會(huì)引起中性線電流增大，變壓器和備用發(fā)電機(jī)發(fā)熱，發(fā)電機(jī)輸出電壓失真等。這些問題通常通過配置容量稍大的發(fā)電機(jī)就可解決。一般不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)現(xiàn)象。

 

二、IT設(shè)備的電源單元PSU的影響

 

早期的IT設(shè)備電源單元PSU是典型的非線性負(fù)載，因?yàn)檫@種電源吸收的諧波電流很大，輸入電流的THD可達(dá)0.5以上。雖然這種PSU的不同相電流不大，但諧波電流導(dǎo)致功率因數(shù)大大下降，一般為功率因數(shù)滯后0.6~0.7。當(dāng)UPS工作于旁路方式時(shí)，發(fā)電機(jī)直接為PSU供電，PSU對(duì)發(fā)電機(jī)的影響與經(jīng)UPS供電時(shí)的影響大致相同。

現(xiàn)代IT設(shè)備PSU都配置功率校正器（PFC），大大減少了諧波電流，達(dá)到相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。功率因數(shù)校正器消除了諧波，但沒有減少不同相電流。事實(shí)上有配置了功率因數(shù)校正的IT設(shè)備電源PSU比老式IT設(shè)備電源PSU產(chǎn)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(xiàn)了更為嚴(yán)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(chǎn)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(shù)校正器，其變換頻率為20～200kHz，輸出電壓為400V。最后一級(jí)是DC-DC變換器、產(chǎn)生IT設(shè)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(chǎn)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(guān)鍵元件，就是這個(gè)元件產(chǎn)生了超前不同相電流。導(dǎo)致功率因數(shù)從1下降到一定數(shù)值超前功率因數(shù)。因?yàn)殡娙軨1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(shè)備的實(shí)際消耗的功率（負(fù)載率）無關(guān)。這表明，IT設(shè)備負(fù)載減少時(shí)，IT設(shè)備電源的功率因數(shù)會(huì)隨之下降。因?yàn)槠溆泄β氏陆盗耍安煌嚯娏鞅３植蛔?。圖1示出IT設(shè)備電源功率因數(shù)變化曲線。

如果服務(wù)器是雙電源輸入，通過內(nèi)部的2個(gè)600W的PSU電源供電，假如服務(wù)器的實(shí)際功率為300W （每個(gè)電源150W）。2個(gè)PSU電源將工作于圖6中25%的使用點(diǎn)?？梢钥闯龃它c(diǎn)的功率因數(shù)比滿載時(shí)的功率因數(shù)低得多。一般說來，電源配置得較大或沒有充分利用時(shí)，則每瓦IT負(fù)載的電容就比較大，因此在總負(fù)載電流中的超前電抗電流就比較大。

 

IT電源百分比負(fù)載%

 

 

三、解決辦法

 

綜上所述，現(xiàn)代IT設(shè)備電源單元PSU是典型的超前功率因數(shù)負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生反向無功率或超前不同相電流。而備用發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)甚至關(guān)機(jī)的嚴(yán)重故障或存在隱患。為此，必須采取有效措施解決這個(gè)嚴(yán)重問題。

1、選用超前輸入電流小的IT設(shè)備。

不同的IT設(shè)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(shè)備的依據(jù)之一。PSU產(chǎn)生超前電流的根源是輸入濾波器的電容，對(duì)于典型的IT設(shè)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(jì)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(shè)備功率達(dá)到80%時(shí)，輸入超前無功功率仍小于發(fā)電機(jī)額定無功功率的20%。

2、備用發(fā)電機(jī)的超前無功功率的限制。

如前所述，在典型的發(fā)電機(jī)容量曲線中，發(fā)電機(jī)吸收無功率的能力用反向（輸入）無功功率（kVAr）的極限表示，發(fā)電機(jī)工作時(shí)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(fā)電機(jī)工作時(shí)的超前無功電流必須小于額定無功電流的20%，以防止發(fā)生運(yùn)行不穩(wěn)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(shí)際消耗的IT設(shè)備瓦特?cái)?shù)無關(guān)。因此，相比于IT負(fù)載實(shí)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(shè)計(jì)部分都會(huì)帶來額外的輸入電容。故應(yīng)合理考慮服務(wù)器配置方案的電源利用率，盡量避免電源容量超額設(shè)計(jì)。

4、避免雙電源負(fù)載的2路電源同時(shí)連接到一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)。

目前，大多數(shù)IT設(shè)備都是雙電源輸入負(fù)載。每路電源的容量設(shè)計(jì)為：當(dāng)其中一路電源故障時(shí)，另一路電源可以承擔(dān)全部IT設(shè)備的供電。任何一路電源應(yīng)能承受突加50%負(fù)載的影響。但每個(gè)電源通道的交流輸入始終固定接到其中一路市電/發(fā)電機(jī)交流配電線路，因此，在這種方式下，即使負(fù)載功率加倍，但負(fù)載的電容不會(huì)改變。但是，如果上游配電電路采用母聯(lián)分段方式（cross tie），母聯(lián)開關(guān)閉合時(shí)，其中一路市電/發(fā)電機(jī)配電線路將接入IT設(shè)備2個(gè)電源通道的全部電源設(shè)備，這將導(dǎo)致該路市電/發(fā)電機(jī)配電線路的電容加倍，因此超前電流加倍。從而對(duì)發(fā)電機(jī)造成嚴(yán)重影響。所以，應(yīng)考慮避免上游配電電路采用母聯(lián)分段方式。

5、安裝電感負(fù)載箱。

如果發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)中心的超前無功功率較大，可能威脅發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，可以考慮安裝電感負(fù)載箱解決。電感負(fù)載箱安裝在發(fā)電機(jī)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(shè)備產(chǎn)生的超前不同相電流。這類似于常規(guī)電路中感性負(fù)載較多導(dǎo)致功率因數(shù)下降時(shí)，用電容進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償?？梢圆捎脦ё詣?dòng)開關(guān)的電感負(fù)載箱，根據(jù)需要加上和撤除電感負(fù)載箱。

6、采用靜止無功功率發(fā)生器（SVG）

SVG是典型的電力電子設(shè)備，可用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率。系統(tǒng)處于感性時(shí)，SVG發(fā)出容性電流；系統(tǒng)處于容性時(shí)，SVG發(fā)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(shè)備電源PSU產(chǎn)生的超前（容性）電流。

7、從柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)備入手

 （1）提高柴油發(fā)電機(jī)組容量

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