柴油發(fā)電機組在數據中心行業(yè)的特性應用場(chǎng)景下，容性帶載能力及突加重載能力一直是行業(yè)研究和攻克的應用難題，國科數據中心將從測試和技術(shù)研究的角度來(lái)剖析其中的奧妙，拋磚引玉。解決方案思路從柴油發(fā)電機成功帶載的測試看，只要錯開(kāi)每套高壓直流的啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)優(yōu)化高壓直流的功率walk in緩啟動(dòng)特性，延長(cháng)ATS1和ATS2投切開(kāi)關(guān)之間的間隔時(shí)間，避免柴油發(fā)電機帶載啟動(dòng)過(guò)程的所有高壓直流系統同時(shí)大電流加載，即可解決該問(wèn)題。因此可以根據該思路從本文闡述的幾個(gè)方面進(jìn)行改造優(yōu)化。

 

一、解決方案思路

 

1、高壓直流系統方面

（1）修改高壓直流模塊軟件改變模塊啟動(dòng)方式（增加功率walk in功能）：讓每個(gè)整流模塊的輸出電流逐步增加，經(jīng)過(guò)幾秒到幾十秒的爬坡時(shí)間，最后增加到額定輸出電流。通過(guò)這種模式設計，解決了模塊通電啟動(dòng)瞬間直接滿(mǎn)載輸出的情況，使整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程緩慢加載，避免了對后級電池過(guò)電流充電的風(fēng)險，同時(shí)減少柴油發(fā)電機的直接沖擊。該修改只要對模塊出廠(chǎng)前設計好即可，現場(chǎng)無(wú)需再修改設置。

（2）通過(guò)監控模塊修改系統啟動(dòng)時(shí)間：目前整流模塊的啟動(dòng)時(shí)間是固定的一個(gè)值寫(xiě)在整流模塊里，可以修改監控軟件增加監控模塊對整流模塊啟動(dòng)時(shí)間設置功能。即可以對每套高壓直流系統設置不同的來(lái)電后啟動(dòng)時(shí)間，該啟動(dòng)時(shí)間值會(huì )寫(xiě)入所有整流模塊，模塊來(lái)電自啟動(dòng)后，待延時(shí)至預設置的時(shí)間后，才啟動(dòng)輸出。根據現場(chǎng)情況，可以設置每套不同的啟動(dòng)時(shí)間，錯開(kāi)每套啟動(dòng)的時(shí)間。該修改需要在現場(chǎng)根據實(shí)際情況進(jìn)行設置。

 

修改發(fā)電機整流系統后的啟動(dòng)波形

 

2、低壓配電系統方面

（1）通過(guò)錯開(kāi)ATS1和ATS2的自動(dòng)切換時(shí)間，避免兩個(gè)ATS在同一時(shí)刻切換，減少對柴油發(fā)電機的同時(shí)大電流沖擊。同時(shí)適當延長(cháng)ATS1和ATS2之間的時(shí)間間隔，適當減少兩者負載增加過(guò)程的重疊部分，但間隔不宜過(guò)長(cháng)導致電池過(guò)度放電。

（2）在配電方面還可以考慮通過(guò)PLC硬件控制電操機構，逐個(gè)合閘高壓直流系統輸入開(kāi)關(guān)，避免同時(shí)啟動(dòng)。以案例為例，可以對每套高壓直流的整流屏的輸入開(kāi)關(guān)換成帶延時(shí)功能的接觸器，通過(guò)設置不同的來(lái)電合閘時(shí)間，也可以實(shí)現每套系統分別啟動(dòng)。

 

二、方案解決及重新帶載測試驗證

 

A、B高壓直流廠(chǎng)家經(jīng)了解情況后，對系統及模塊的運行方式均進(jìn)行了修改，主要修改了以下幾個(gè)方面：

1）修改了每套系統啟動(dòng)時(shí)間，每套錯開(kāi)數秒，避免所有系統同時(shí)啟動(dòng)；

2）打開(kāi)了模塊walk-in功能，使系統內每個(gè)模塊按每秒一個(gè)逐個(gè)啟動(dòng)，避免了同一套系統內所有模塊同時(shí)啟動(dòng)；

3）調整了模塊輸出電壓模式，采用跟蹤直流母線(xiàn)電壓方式，啟動(dòng)時(shí)輸出直流電壓比蓄電池低5V，后續輸出電壓按1V/秒進(jìn)行調壓，避免了系統啟動(dòng)輸出瞬間產(chǎn)生大電流。修改后的啟動(dòng)波形如圖15所示。在機房配電側則延長(cháng)ATS1和ATS2切換時(shí)間間隔至數十秒。

根據前面的思路，通過(guò)優(yōu)化后重新進(jìn)行了柴油發(fā)電機帶載切換測試，柴油發(fā)電機采用自動(dòng)投入模式，柴油發(fā)電機加載過(guò)程如圖16所示。從圖中可以看出，柴油發(fā)電機輸出功率不會(huì )瞬間突加，帶載過(guò)程非常平滑穩定電壓無(wú)振蕩。和原來(lái)未改之前的圖13相比較，沒(méi)有了瞬間大電流沖擊的情形，輸出功率增加緩慢爬升，柴油發(fā)電機帶載至約2MW都正常運行。這個(gè)啟動(dòng)過(guò)程也和圖14的測試也類(lèi)似，區別是當時(shí)采用的是手動(dòng)控制每套系統間隔投入，此次是系統自動(dòng)間隔投入。

我們還可以柴油發(fā)電機每相功率和PF值曲線(xiàn)可以看出，柴油發(fā)電機的啟動(dòng)過(guò)程中的確出現了前面分析的帶容性負載的現象，PF值在-1到+1之間振蕩著(zhù)。隨著(zhù)更多高壓直流的投入并帶載（已投入運行的高壓直流PF值達到1），柴油發(fā)電機所帶負載的總PF值也逐步轉為正值，最后全部高壓直流負載帶上后柴油發(fā)電機PF值達到1的優(yōu)秀水平。隨著(zhù)總負載特性由容性轉為感性再到阻性，柴油發(fā)電機帶載能力逐步增強，更進(jìn)一步解決了柴油發(fā)電機帶容性負載問(wèn)題。

 

三、總結

 

總結綜合測試來(lái)看，經(jīng)過(guò)前面幾項方案調整優(yōu)化實(shí)施后，柴油發(fā)電機可以在停市電后，自動(dòng)帶滿(mǎn)載正常啟動(dòng)。從市電停電至切換到柴油發(fā)電機啟動(dòng)帶上全部載，整個(gè)過(guò)程時(shí)間幾分鐘，而任何一套高壓直流系統滿(mǎn)載蓄電池后備時(shí)間按超過(guò)15分鐘設計，總體備份時(shí)間風(fēng)險可控。初步總結：

1）開(kāi)關(guān)電源類(lèi)負載，比如高頻模塊化UPS、高壓直流、服務(wù)器PSU等在正常工作時(shí)由于有PFC電路，基本呈現阻性負載特性，PF值接近1。但是在市電轉柴油發(fā)電機供電的啟動(dòng)瞬間則呈現很強的容性負載特性，柴油發(fā)電機需要對這些開(kāi)關(guān)電源內部的電容進(jìn)行充電，易導致柴油發(fā)電機受容性大電流沖擊而被拉跨。

2）典型柴油發(fā)電機帶載特性曲線(xiàn)上看，在容性負載下帶載能力快速回縮，如果直接一步帶容性負載到重載很容易被拉跨，但在低壓柴發(fā)配電架構下可采用單電源系統級分時(shí)逐個(gè)投入，則柴油發(fā)電機啟動(dòng)成功的概率大大增加。

3）此外，電源系統內每個(gè)整流模塊輸出功率walk-in功能對電池電流過(guò)充，以及柴油發(fā)電機啟動(dòng)沖擊都有好處，推薦此功能可以作為高壓直流系統的基本配置要求，寫(xiě)入高壓直流相關(guān)標準中，用戶(hù)可以根據實(shí)際需要決定是否啟用。

4）如果高壓直流系統級監控無(wú)法實(shí)現每套電源逐個(gè)開(kāi)機功能，則可以在設計階段考慮采用在每套系統的輸入端配電開(kāi)關(guān)增加分時(shí)接觸器來(lái)進(jìn)行延時(shí)控制。

5）如果在業(yè)務(wù)的重要性等方面有先后，可以采用負載優(yōu)先排列模式，將重要負載優(yōu)先投入，再投入次級優(yōu)先性負載，直到所有負載都全部實(shí)現投入。同時(shí)建議先加最大的負載(盡量不要超過(guò)20%到30%的柴油發(fā)電機容量)，這樣大負載的影響在系統加至重載前，減少對于系統其他負載的影響。卸載過(guò)程剛好相反處理。

6)高壓直流系統啟動(dòng)模式修改后，整體的帶載時(shí)間加長(cháng)，對于延后啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)的系統，對蓄電池的容量性能要求較高，建議做好相關(guān)的精確化維護工作，制定相應的應急預案。

7)發(fā)電機帶容性負載的能力，特別是啟動(dòng)突加容性負載的能力，是標準忽視的。通常發(fā)電機是按0.8感性負載設計，但實(shí)際很可能帶的是容性負載，因此招標或選型時(shí)的相關(guān)參數往往容易被忽視，推薦廠(chǎng)驗和測試驗證階段重點(diǎn)關(guān)注。十、其他解決柴油發(fā)電機帶容性負載的辦法前面簡(jiǎn)要介紹了柴油發(fā)電機阻抗特性，集中式中壓柴油發(fā)電機特點(diǎn)和分布式低壓柴油發(fā)電機的差異，結合某案例對低壓柴油發(fā)電機帶容性負載問(wèn)題解決過(guò)程做了詳細分析。目前國內在這方面的研究成果不多，經(jīng)驗也不足，如果能在設計階段就將這個(gè)問(wèn)題考慮進(jìn)去，就不會(huì )被動(dòng)陷入后期整改麻煩，這里在最后補充一些提前設計的可能辦法。

 

四、其他解決柴油發(fā)電機帶容性負載的辦法

 

1、可采用串聯(lián)電抗器(reactor)或者調相機(synchronous condenser)。

下圖是facebook數據中心的應用案例，在列頭柜內下部安裝有感性電抗器，用于抵消其市電直供服務(wù)器PSU電源的容性啟動(dòng)沖擊，對PF和THDi都有一定提升，但帶來(lái)了360W的功耗。對于普通用戶(hù)，因對負載不清，不太容易設計實(shí)施。

2、或者采用SVG(Static Var Generator)靜止型無(wú)功發(fā)生器，或者靜止同步補償器STATCOM(Static Synchronous Compensator)。

傳統的電容補償柜方式不適合于容性負載場(chǎng)合，采用有源濾波器(APFC)和靜止同步補償器(STATCOM)也有成本太高，易故障等不足，目前其他行業(yè)在用的SVG產(chǎn)品在成本和性能方面較為折衷，值得研究跟進(jìn)。

 

發(fā)電機SVG無(wú)功補償裝置

 

3、采用定制walk in功能服務(wù)器電源方案如果市電直供的完全分布式供電架構，則可以在服務(wù)器電源內部設置10到15秒功率逐步放開(kāi)的功率walk in功能，如圖20所示的微軟LES定制PSU電源。減少了ATS切換瞬間對柴油發(fā)電機的滿(mǎn)功率瞬態(tài)沖擊(此過(guò)程的IT負載部分由PSU內置的電池來(lái)承擔)，而且這個(gè)功率walk in的電流是靠LES分布式電源可控的逐步放開(kāi)增加。因此柴油發(fā)電機不會(huì )受到滿(mǎn)載瞬態(tài)沖擊帶來(lái)的失壓振蕩，同樣在10到15秒內逐步帶起全部的負載，保證了ATS切換的可靠性，減少了對柴油發(fā)電機的沖擊振蕩傷害，提高了總系統可靠性。

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