柴油發(fā)電機其實(shí)不是個(gè)理想的電壓源，其內阻遠比市政電力電網(wǎng)的內阻大，隨著(zhù)柴油發(fā)電機機組的額定輸出的功率容量的減少，其內阻增大的矛盾顯得更加突出。當我們用柴油發(fā)電機帶電阻性負載時(shí)，其影響不易察覺(jué)，但如果采用柴油發(fā)電機來(lái)帶整流濾波型負載（例如：計算機和通訊設備、日光燈、各種可控硅相移調速和調控設備）時(shí)，往往會(huì )遇到很大的麻煩。其原因是上述非線(xiàn)性負載會(huì )向柴油發(fā)電機組反射大量的高次諧波電流，比如傳統UPS的5次和11次諧波等對柴油發(fā)電機的運行危害較為嚴重，輕則導致柴油發(fā)電機帶載異常，重則甚至會(huì )損傷到柴油發(fā)電機。目前業(yè)界為了提高柴油發(fā)電機帶非線(xiàn)性負載的成功率通常的辦法是采用容量放大設計，通常的選型放大是1.5-2.0倍，少的也有1.2-1.5倍。
一、降低柴發(fā)諧波影響
為了減少諧波對柴油發(fā)電機的影響，目前行業(yè)通常解決辦法是采用濾波器，比如有采用價(jià)格昂貴的有源濾波器，或者采用價(jià)格較低的電容補償柜等辦法。
而傳統UPS在不同的負載率下阻抗特性還不一樣，比如在輕載下呈現容性，而在較重載下呈現感性（比如某款UPS產(chǎn)品三相負載分別為7、9、8KW時(shí)呈強容性，功率因數為-0.85、-0.87、-0.86；三相負載為12、13、13KW時(shí)呈弱感性，功率因數為0.96、0.97、0.95；三相負載為30KW時(shí)呈強感性，功率因數為0.92）。
因此在串聯(lián)諧振中，柴油發(fā)電機很容易在輕載下和容性負載振蕩輸出高電壓而發(fā)生保護，所以采用傳統電容補償柜的設計中，輕載下不能投入電容補償柜防止柴油發(fā)電機過(guò)補償而振蕩保護，而在較重載下才考慮投入電容柜來(lái)補償感性負載帶來(lái)的諧波。
但是，隨著(zhù)目前數據中心追求節能高效的發(fā)展需求，越來(lái)越多的高頻模塊化UPS、高壓直流、48V通信電源，甚至市電直供服務(wù)器的PSU電源等開(kāi)關(guān)電源類(lèi)負載會(huì )直接掛在柴油發(fā)電機輸出上。
理論上這些高頻開(kāi)關(guān)電源類(lèi)負載通常帶有功率因數校正電路，50%以上負載率情況下可以實(shí)現很高的功率因數和很小的諧波，但實(shí)際上因為2N的配置或者冗余的需求，在負載率不高情況下也會(huì )呈現一定的容性阻抗特性（比如典型服務(wù)器電源實(shí)測工作時(shí)PF值為-0.92）。
如果此時(shí)仍然采用電容補償柜來(lái)補償，那么電容會(huì )越并越大，不但不會(huì )減少諧波，甚至還惡化了柴油發(fā)電機的帶載能力。前面我們介紹了柴油發(fā)電機正常帶載情況下的情況，那么在市電停電柴油發(fā)電機啟動(dòng)帶載瞬間又將會(huì )發(fā)生什么呢？
此時(shí)這些高壓直流等開(kāi)關(guān)電源類(lèi)負載不再處于正常工作狀態(tài)，而是處于市電停電柴油發(fā)電機啟動(dòng)帶來(lái)的開(kāi)關(guān)電源重新啟動(dòng)過(guò)程（通常幾十毫秒以上停電就會(huì )導致開(kāi)關(guān)電源重啟），開(kāi)關(guān)電源重啟過(guò)程中基本是電容充電的過(guò)程，而這個(gè)時(shí)候柴油發(fā)電機所帶的負載會(huì )呈現很強的容性負載特性。負載大電流沖擊很容易直接拉跨柴油發(fā)電機，導致柴油發(fā)電機帶不起負載，后級開(kāi)關(guān)失壓輸出脫扣，從而電池放電直到設備掉電。
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圖1 輕載下柴油發(fā)電機容易和容性負載發(fā)生振蕩導致過(guò)壓保護 |
二、柴發(fā)帶載特性
我們再來(lái)看柴油發(fā)電機的典型帶載特性曲線(xiàn)，從圖2看，通常柴油發(fā)電機帶容性負載能力其實(shí)較弱，而且呈快速衰減回縮。因此結合圖1，在輕載模式下，要盡量減少發(fā)電機的輸入帶容性負載，當容性負載小于20%時(shí)，上升速率較為平穩，在發(fā)電機的處理能力之內，如果大于30%，則面臨較大的過(guò)電壓的風(fēng)險。
滿(mǎn)載時(shí)，還要考慮功率角避免大于90°，增加容性負載也會(huì )增大功率角，減弱系統動(dòng)態(tài)響應特性。目前廠(chǎng)家建議容性負載的百分比盡量要小于20%，當系統沒(méi)有較大的負載波動(dòng)時(shí)可考慮適當放大到30%。
那么在市電停電柴油發(fā)電機啟動(dòng)瞬間帶容性很高的開(kāi)關(guān)電源類(lèi)負載情況下，又如何解決柴油發(fā)電機瞬間帶載不保護問(wèn)題呢？
目前行業(yè)的通常做法是選擇瞬態(tài)響應能力好的柴油發(fā)電機，并對發(fā)電機做適當放大選型也許可以部分減輕這一問(wèn)題的嚴重性。
但是系統的成本難免會(huì )增加，而且系統效率將下降，因此不能把所有希望放在這種增加較大投資的大馬拉小車(chē)方案上，而且還不能保證可以實(shí)現一步直接帶重載成功（數據中心往往要求一步帶重載，特別在低壓柴油發(fā)電機應用場(chǎng)合）。因此除了柴油發(fā)電機設備本身，我們需要在數據中心配電及IT負載側想些其他辦法。
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圖2 典型柴油發(fā)電機的帶載特性曲線(xiàn) |
三、柴發(fā)供配電系統
對于典型的集中式中壓柴油發(fā)電機供電架構，其原理是多臺中壓柴油發(fā)電機并機成功后再分別和1、2段中壓母線(xiàn)做投切。正常情況下任何一路外電停電，理論上這些高頻開(kāi)關(guān)電源類(lèi)負載通常帶有功率因數校正電路，50%以上負載率情況下可以實(shí)現很高的功率因數和很小的諧波，但實(shí)際上因為2N的配置或者冗余的需求，在負載率不高情況下也會(huì )呈現一定的容性阻抗特性（比如典型服務(wù)器電源實(shí)測工作時(shí)PF值為-0.92）。
如果此時(shí)仍然采用電容補償柜來(lái)補償，那么電容會(huì )越并越大，不但不會(huì )減少諧波，甚至還惡化了柴油發(fā)電機的帶載能力。前面我們介紹了柴油發(fā)電機正常帶載情況下的情況，那么在市電停電柴油發(fā)電機啟動(dòng)帶載瞬間又將會(huì )發(fā)生什么呢？
此時(shí)這些高壓直流等開(kāi)關(guān)電源類(lèi)負載不再處于正常工作狀態(tài)，而是處于市電停電柴油發(fā)電機啟動(dòng)帶來(lái)的開(kāi)關(guān)電源重新啟動(dòng)過(guò)程（通常幾十毫秒以上停電就會(huì )導致開(kāi)關(guān)電源重啟），開(kāi)關(guān)電源重啟過(guò)程中基本是電容充電的過(guò)程，而這個(gè)時(shí)候柴油發(fā)電機所帶的負載會(huì )呈現很強的容性負載特性。負載大電流沖擊很容易直接拉跨柴油發(fā)電機，導致柴油發(fā)電機帶不起負載，后級開(kāi)關(guān)失壓輸出脫扣，從而電池放電直到設備掉電。
由于開(kāi)關(guān)電源的X電容和Y電容是皮法（pF）級充電基本可以忽略，所以實(shí)測開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)會(huì )出現如圖3左側的軟啟動(dòng)電阻沖擊、中間的軟啟動(dòng)繼電器合閘沖擊，以及右側的負載電流啟動(dòng)沖擊三個(gè)主要沖擊電流。除了開(kāi)關(guān)電源模塊級外，還需向上繼續從電源系統級，ATS切換開(kāi)關(guān)配電級，到整個(gè)供電系統級查找分析。
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圖3 柴油發(fā)電機開(kāi)關(guān)電源電路拓撲圖 |
四、負載實(shí)驗步驟
我們通過(guò)了如下步驟，逐個(gè)分析查找哪個(gè)負載沖擊拉跨了柴油發(fā)電機系統：
1、單套高壓直流系統啟動(dòng)測試
為了查找油機帶載能力不足的問(wèn)題，我們測試了該項目中柴油發(fā)電機所帶不同廠(chǎng)家的兩款高壓直流產(chǎn)品（單套均200KW左右容量）的啟動(dòng)特性，其中A廠(chǎng)家的高壓直流啟動(dòng)沖擊電流較大（不帶功率walk in功能），經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后較大沖擊電流才回縮到正常穩定值。
而B(niǎo)廠(chǎng)家的高壓直流系統啟動(dòng)沖擊電流則較為平滑（帶有功率walk in功能），逐步緩慢增加到正常穩定值，因此B廠(chǎng)家高壓直流產(chǎn)品的啟動(dòng)特性會(huì )對柴油發(fā)電機的啟動(dòng)沖擊有益，故需要優(yōu)化A廠(chǎng)家的高壓直流啟動(dòng)電流，以減少電源系統啟動(dòng)帶來(lái)的柴油發(fā)電機負載沖擊。
2、T1、T2所有高壓直流系統空載油機啟動(dòng)測試
理論上軟啟動(dòng)電阻和軟啟動(dòng)繼電器合閘過(guò)程中的沖擊電流和開(kāi)關(guān)電源帶載與否關(guān)系不大，即不管是否帶載，這個(gè)啟動(dòng)瞬間沖擊電流基本不變?；诖嗽?，為了排除軟啟動(dòng)瞬間沖擊這個(gè)因素的影響，我們開(kāi)展了單臺低壓柴油發(fā)電機帶全部高壓直流的空載啟動(dòng)測試，看柴油發(fā)電機能否順利帶載。如果可以順利啟動(dòng)，則說(shuō)明柴油發(fā)電機保護不是受此軟啟動(dòng)電阻對PFC電容充電和軟啟動(dòng)繼電器合閘沖擊電流導致關(guān)機的。
實(shí)際的測試結果，低壓柴油發(fā)電機可以順利帶動(dòng)全部高壓直流系統空載啟動(dòng)，這結果說(shuō)明真正影響油機并不是模塊通電瞬間的軟啟動(dòng)尖峰大電流（兩個(gè)沖擊均為毫秒級別），因此確定下來(lái)柴油發(fā)電機保護原因是由于高壓直流輸出側的負載加載過(guò)程導致的。
3、全部高壓直流分兩次加到接近半載情況下，油機帶載正常
我們再繼續將高壓直流帶載增加到50%，并將ATS1和ATS2之間的時(shí)間間隔增加十倍，減少同時(shí)啟動(dòng)帶來(lái)的沖擊疊加，經(jīng)測試系統在帶半載情況下柴油發(fā)電機可以正常帶載IT負荷。還說(shuō)明該型號柴油發(fā)電機可以單步成功帶上25%以上的T1容性負載，柴發(fā)輸出沒(méi)振蕩，這有助于確定最小在線(xiàn)容量及加載優(yōu)先等。
4、全部高壓直流分兩次加載到1.5MW情況下，油機帶載失敗
但是繼續增加T1滿(mǎn)載和T2滿(mǎn)載變壓器所帶高壓直流輸出負載后，柴油發(fā)電機可以扛起T2負載，但繼續帶T1負載時(shí)被拉跨導致帶載失敗。第一次投入T2所帶負載投入瞬間，油機輸出從230V被拉低至210V（相電壓有效值），電壓降低了約20V，但尚在配電開(kāi)關(guān)的失壓線(xiàn)圈動(dòng)作門(mén)限以上，經(jīng)2s動(dòng)態(tài)調整后油機電壓恢復正常；滯后數十秒后，第二次投入T1所帶高壓直流負載，投入后，油機電壓立即迅速往下降。由于油機不能在短時(shí)間內做出足夠的回調，油機輸出功率沒(méi)來(lái)得及提高，加上所帶負載全是恒功率開(kāi)關(guān)電源，隨著(zhù)電壓降低，電流反而必須繼續增大，進(jìn)入了惡性循環(huán)狀態(tài)。電流的大幅度上升進(jìn)一步拉低了油機電壓，電壓跌落至約161V（此時(shí)負載電流已經(jīng)是額定電流的2-3倍），配電開(kāi)關(guān)的失壓線(xiàn)圈動(dòng)作，導致負載掉電柴油發(fā)電機卸載。
5、高壓直流逐臺加載情況下，油機帶載運行穩定
從啟動(dòng)失敗的波形圖上看，左側T2變壓器負載投入瞬間，T2負載電流啟動(dòng)較快，柴油發(fā)電機電壓有一定跌落，但通過(guò)自身AVR動(dòng)態(tài)調節穩定了輸出電壓，但在T1變壓器負載繼續投入瞬間，柴油發(fā)電機電壓出現了明顯跌落，低至失壓線(xiàn)圈動(dòng)作切斷負載開(kāi)關(guān)，負載失壓掉電。說(shuō)明柴油發(fā)電機在帶上T2負載的基礎上，受到更大負載的T1變壓器瞬間大電流沖擊直接拉跨了柴油發(fā)電機。那么如果將T1所帶的多臺高壓直流負載逐個(gè)分時(shí)投入，通過(guò)減少瞬時(shí)負載沖擊是否可以實(shí)現柴油發(fā)電機成功帶載呢？于是現場(chǎng)通過(guò)人工模擬高壓直流間隔逐套投入，柴油發(fā)電機成功帶載到滿(mǎn)載額定功率，油機輸出電壓基本穩定，可以成功帶載，因此找到了實(shí)現柴油發(fā)電機成功帶載的解決辦法。
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柴油發(fā)電機開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)沖擊電流波形 |
五、初步結論
1、所有高壓直流模塊在上電瞬間均有較大的沖擊電流，但該電流為高壓直流模塊內的軟啟動(dòng)電阻和軟啟動(dòng)繼電器合閘引起，和系統是否帶載沒(méi)有關(guān)系，該電流峰值超過(guò)額定電流，但持續時(shí)間非常短，約ms級別，經(jīng)測試，該沖擊電流不會(huì )引起油機電壓波動(dòng)、運行困難，也不會(huì )影響油機輸出電壓造成開(kāi)關(guān)失壓線(xiàn)圈動(dòng)作。
2、從高壓直流側可以看，如果高壓直流模塊及系統增加了功率walk in緩啟功能，則對柴油發(fā)電機的帶載啟動(dòng)沖擊會(huì )少很多；如果不加功率walk in功能的話(huà)，全部負載同時(shí)大電流啟動(dòng)的容性負載沖擊容易拉跨柴油發(fā)電機。
3、從油機突加負載的測試情況看，引起輸出空開(kāi)跳閘的原因是在油機帶載時(shí)。如果突加較重負載，特別是容性類(lèi)型負載，由于油機的輸出電壓調整能力不足，以及容性負載功率回縮，需調整的時(shí)間較長(cháng)。輸出電壓將被拉低，突然增加的負載越重，瞬間拉低的電壓越多，在恒功率負載作用下，電壓越低，需要的電流進(jìn)一步加大，呈惡性循環(huán)之勢，從而導致配電空開(kāi)的失壓線(xiàn)圈動(dòng)作，造成開(kāi)關(guān)跳閘。
4、采用每套高壓直流分時(shí)逐個(gè)投入的辦法，以及延長(cháng)ATS1和ATS2時(shí)間間隔可以減少全部系統同時(shí)啟動(dòng)對柴油發(fā)電機的沖擊疊加，柴油發(fā)電機可以成功帶載。
5、傳統的柴發(fā)是按感性0.8的功率因數負載來(lái)設計的，對單步帶滿(mǎn)載能力多沒(méi)有嚴格要求，且對容性負載多沒(méi)有相應測試標準規范。隨著(zhù)數據中心容性負載的不斷增加，在低壓柴發(fā)應用場(chǎng)合會(huì )帶來(lái)更大挑戰，值得深入研究和不斷完善標準。
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