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如何提升柴油发电机负载电流效率 |
摘要：超前功率因数负载是指负载的电流相位超前于电压相位，通常由容性负载引起。本文以数据中心的备用发电机组为例，柴油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，就可能发生运行不稳，甚至过压关机。因为数据中心IT设备电源配置了功率因数校正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市电不会造成严重不良影响，却是导致发电机运行不稳的主要原因。因此，关注和分析潜在的发电机不稳状况是必要的，采取有效的防范措施是重要的。
一、超前功率因数的定义与计算
数据中心的供电系统由三级电源组成，第一级是市电/备用发电机，这是数据中心的交流输入电源。第二级是UPS，UPS的作用是保证不间断供电。第三级是IT设备的电源单元PSU，PSU为IT设备提供各种电压等级的直流电源。在正常情况下，UPS是市电/备用发电机的负载，IT设备的PSU是UPS的负载。当UPS工作于旁路方式时，市电/备用发电机直接为IT设备PSU供电。因此，UPS和IT设备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。
1、超前功率因数的定义
在柴油发电机组应用中，功率因数超前比较罕见，而功率因数滞后却十分常见。当功率因数滞后时（如图1a所示），电气设备会从电网中获取无功电流，从而引发一系列无功问题。当功率因数超前时（如图1b所示），会出现无功倒送、电网电压升高等问题，从而影响柴油发电机组的正常运行。
（1）功率因数是电压与电流相位差的余弦值（cosϕ）。
（2）当电流相位超前电压时，功率因数为超前功率因数，此时相位差 ϕ 为负值。
（3）超前功率因数的典型范围是 0<cosϕ<1（感性负载的功率因数为滞后）。
2、产生超前功率因数的负载
超前功率因数通常由以下负载引起：
（1）电容器：电容器是典型的容性负载，电流超前电压 90°。
（2）过励磁的同步电机：同步电机在过励磁状态下表现为容性负载，提供无功功率。
（3）长距离输电线路：输电线路的分布电容可能导致超前功率因数。
（4）某些电子设备：如整流电路或滤波电路中使用的电容器。
3、超前功率因数的特点
（1）电流波形：电流相位超前电压。
（2）无功功率：负载向电网提供无功功率（电容性无功）。
（3）电压稳定性：超前功率因数可能引起电压升高，影响电网稳定性。
4、 超前功率因数的测量与计算
（1）功率因数表：直接测量功率因数的超前或滞后。
（2）功率分析仪：测量视在功率S、有功功率P、无功功率Q，三者之间可以构成功率三角形，如图2所示。计算功率因数公式：
功率因数=P/S
（3）相位差测量：使用示波器测量电压与电流的相位差 ϕ，功率因数为cosϕ。
5、超前功率因数的管理
（1）电容器组控制：根据负载变化动态投切电容器，避免过度补偿。
（2）同步电机调节：调整同步电机的励磁电流，控制无功功率输出。
（3）谐波滤波：使用滤波器减少谐波对功率因数的影响。
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图1 柴油发电机组的超前与滞后对比图 |
图2 柴油机发电机功率因数三角形 |
二、超前功率因数的影响
1、UPS的影响
在数据中心应用最多的UPS是双变换UPS。传统双变换UPS是有变压器的UPS（也称为工频UPS），新型双变换UPS是无变压器UPS（也称为高频UPS）。工频双变换UPS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UPS的输入电流总谐波失真THD为30%，采用12脉冲整流器的双变换UPS的输入电流总谐波失真THD为10%。谐波电流导致功率因数下降，功率因数一般为0.8左右。传统双变换UPS输入电流是滞后的。
高频双变换UPS采用IGBT整流器，满载时输入功率因数接近1，基本没有谐波电流。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功率因数。
综上所述，UPS的输入特性对柴油发电机组（结构外形如图3所示）的不良影响主要是谐波电流。会引起中性线电流增大，变压器和备用发电机组发热，发电机输出电压失真等。这些问题通常通过配置容量稍大的发电机就可解决。一般不会出现严重的发电机运行不稳现象。
2、IT设备的电源单元PSU的影响
早期的IT设备电源单元PSU是典型的非线性负载，因为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的不同相电流不大，但谐波电流导致功率因数大大下降，一般为功率因数滞后0.6~0.7。当UPS工作于旁路方式时，发电机直接为PSU供电，PSU对发电机的影响与经UPS供电时的影响大致相同。
现代IT设备PSU都配置功率校正器（PFC），大大减少了谐波电流，达到相关国际标准的要求。功率因数校正器消除了谐波，但没有减少不同相电流。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产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电源是如何产生超前不同相电流的。
交流输入端是滤波器，后面是升压变换器组成的功率因数校正器，其变换频率为20～200kHz，输出电压为400V。最后一级是DC-DC变换器、产生IT设备需要的12、5、3.3 V等直流电压。滤波器的作用是防止升压变换器产生的高频干扰反馈到市电。滤波器由电感和电容组成，其中大电容Cl是关键元件，就是这个元件产生了超前不同相电流。导致功率因数从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，电容引起的超前不同相电流是固定的，与IT设备的实际消耗的功率（负载率）无关。这表明，IT设备负载减少时，IT设备电源的功率因数会随之下降。因为其有功功率下降了，而超前不同相电流保持不变。图4示出IT设备电源功率因数变化曲线。
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电源将工作于图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。一般说来，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，因此在总负载电流中的超前电抗电流就比较大。
3、超前功率因数优缺点
（1）优点
① 补偿感性负载：超前功率因数可以抵消感性负载的滞后功率因数，提高系统整体功率因数。
② 减少线路损耗：通过补偿无功功率，降低线路电流，减少损耗。
③ 改善电压调节：在长距离输电中，超前功率因数有助于维持电压稳定。
（2）缺点
① 电压升高：过度的超前功率因数可能导致局部电压升高，损坏设备。
② 谐振风险：容性负载可能与电网中的感性元件发生谐振，引发过电压或过电流。
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图3 柴油发电机组结构图 |
图4 IT电源百分比负载% |
三、超前功率因数解决办法
综上所述，现代IT设备电源单元PSU是典型的超前功率因数负载，会产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，引起备用发电机组运行不稳甚至关机的严重故障或存在隐患。为此，必须采取有效措施解决这个严重问题。
1、选用超前输入电流小的IT设备
不同的IT设备电源单元PSU的输入超前不同相电流的大小差别很大，可考虑将PSU的输入超前电流作为选择IT设备的依据之一。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，每千瓦的PSU电源容量一般具有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。建议选用每千瓦5 μF以下的PSU电源，以保证IT设备功率达到80%时，输入超前无功功率仍小于发电机额定无功功率的20%。
2、备用发电机的超前无功功率的限制
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功率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。即发电机工作时的超前无功电流必须小于额定无功电流的20%，以防止发生运行不稳定的问题。
3、增加电源利用率
如前所述，超前无功功率与额定IT电源PSU容量成正比，与实际消耗的IT设备瓦特数无关。因此，相比于IT负载实际需要的电源容量，未充分利用的电源容量或者电源容量超额设计部分都会带来额外的输入电容。故应合理考虑服务器配置方案的电源利用率，尽量避免电源容量超额设计。
4、避免2路电源同时连接到一台柴发
目前，大多数IT设备都是双电源输入负载。每路电源的容量设计为：当其中一路电源故障时，另一路电源可以承担全部IT设备的供电。任何一路电源应能承受突加50%负载的影响。但每个电源通道的交流输入始终固定接到其中一路市电/发电机交流配电线路，因此，在这种方式下，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方式（cross tie），母联开关闭合时，其中一路市电/发电机配电线路将接入IT设备2个电源通道的全部电源设备，这将导致该路市电/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。所以，应考虑避免上游配电电路采用母联分段方式。
5、安装电感负载箱
如果发现运行中的数据中心的超前无功功率较大，可能威胁发电机的安全运行，可以考虑安装电感负载箱解决。电感负载箱安装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设备产生的超前不同相电流。这类似于常规电路中感性负载较多导致功率因数下降时，用电容进行功率因数补偿。可以采用带自动开关的电感负载箱，根据需要加上和撤除电感负载箱。
6、采用静止无功功率发生器（SVG）
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可以有效地抑制IT 设备电源PSU产生的超前（容性）电流。
7、从柴油发电机组设备入手
（1）提高柴油发电机组容量
对于相同的柴油发电机组，发电机的容量越大，其带容性负载能力将更强。由于数据中心项目中容性负载存在，因此在选择数据中心发电机组时，发电机容量将会是非常重要的参数之一。注：发电机容量参数与发电机温升息息相关，只有在相同温升条件下比较发电机容量才有意义。不同温升情况下将不能比较发电机容量的大小。
（2）加强柴油发电机组电机散热
在设计安装柴油发电机组时，应当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结构和方法，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。
（3）提升柴油发电机组容性负载
柴油发电机组在带动容性负载时，容性负载将会产生励磁电流，容性负载越大，超前功率因数越小，其产生助磁电流越大。
（4）提高柴油发电机组功率因数
通过无功补偿方案来调节容性负载功率因数，使之向功率因数1靠近。功率因数的提高，将大大提升发电机组带载能力。
总结：
超前功率因数负载主要由容性负载引起，具有电流相位超前电压的特点。它在功率因数校正和电压稳定中具有重要作用，但需注意过度补偿可能带来的电压升高和谐振风险。通过合理设计和管理，可以充分利用超前功率因数的优势，提高柴油发电机组的效率和稳定性。
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