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新聞主題 |
如何提升柴油發(fā)電機負載電流效率 |
摘要：數據中心的備用發(fā)電機組承受超前無(wú)功功率的能力非常有限，當輸入無(wú)功功率大于額定無(wú)功功率的20%時(shí)，就可能發(fā)生運行不穩，甚至過(guò)壓關(guān)機。數據中心IT設備電源配置了功率因數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。這種超前功率因數負載對市電不會(huì )造成嚴重不良影響，卻是導致發(fā)電機運行不穩的主要原因。關(guān)注和分析潛在的發(fā)電機不穩狀況是必要的，采取有效的防范措施是重要的。
數據中心的供電系統由三級電源組成，第一級是市電/備用發(fā)電機，這是數據中心的交流輸入電源。第二級是UPS，UPS的作用是保證不間斷供電。第三級是IT設備的電源單元PSU，PSU為IT設備提供各種電壓等級的直流電源。在正常情況下，UPS是市電/備用發(fā)電機的負載，IT設備的PSU是UPS的負載。當UPS工作于旁路方式時(shí)，市電/備用發(fā)電機直接為IT設備PSU供電。因此，UPS和IT設備PSU的輸入功率因數或電流的相位，都會(huì )影響發(fā)電機運行性能。
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柴油發(fā)電機組結構圖 |
一、UPS的影響
在數據中心應用最多的UPS是雙變換UPS。傳統雙變換UPS是有變壓器的UPS（也稱(chēng)為工頻UPS），新型雙變換UPS是無(wú)變壓器UPS（也稱(chēng)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%。諧波電流導致功率因數下降，功率因數一般為0.8左右。傳統雙變換UPS輸入電流是滯后的。
高頻雙變換UPS采用IGBT整流器，滿(mǎn)載時(shí)輸入功率因數接近1，基本沒(méi)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。
綜上所述，UPS的輸入特性對發(fā)電機的不良影響主要是諧波電流。會(huì )引起中性線(xiàn)電流增大，變壓器和備用發(fā)電機發(fā)熱，發(fā)電機輸出電壓失真等。這些問(wèn)題通常通過(guò)配置容量稍大的發(fā)電機就可解決。一般不會(huì )出現嚴重的發(fā)電機運行不穩現象。
二、IT設備的電源單元PSU的影響
早期的IT設備電源單元PSU是典型的非線(xiàn)性負載，因為這種電源吸收的諧波電流很大，輸入電流的THD可達0.5以上。雖然這種PSU的不同相電流不大，但諧波電流導致功率因數大大下降，一般為功率因數滯后0.6~0.7。當UPS工作于旁路方式時(shí)，發(fā)電機直接為PSU供電，PSU對發(fā)電機的影響與經(jīng)UPS供電時(shí)的影響大致相同。
現代IT設備PSU都配置功率校正器（PFC），大大減少了諧波電流，達到相關(guān)國際標準的要求。功率因數校正器消除了諧波，但沒(méi)有減少不同相電流。事實(shí)上有配置了功率因數校正的IT設備電源PSU比老式IT設備電源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(wèn)題，但出現了更為嚴重的超前不同相電流的問(wèn)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校正器，其變換頻率為20～200kHz，輸出電壓為400V。最后一級是DC-DC變換器、產(chǎn)生IT設備需要的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。導致功率因數從1下降到一定數值超前功率因數。因為電容C1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設備的實(shí)際消耗的功率（負載率）無(wú)關(guān)。這表明，IT設備負載減少時(shí)，IT設備電源的功率因數會(huì )隨之下降。因為其有功功率下降了，而超前不同相電流保持不變。圖1示出IT設備電源功率因數變化曲線(xiàn)。
如果服務(wù)器是雙電源輸入，通過(guò)內部的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)的功率因數比滿(mǎn)載時(shí)的功率因數低得多。一般說(shuō)來(lái)，電源配置得較大或沒(méi)有充分利用時(shí)，則每瓦IT負載的電容就比較大，因此在總負載電流中的超前電抗電流就比較大。
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IT電源百分比負載% |
三、解決辦法
綜上所述，現代IT設備電源單元PSU是典型的超前功率因數負載，會(huì )產(chǎn)生反向無(wú)功率或超前不同相電流。而備用發(fā)電機組吸收超前無(wú)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)電機組運行不穩甚至關(guān)機的嚴重故障或存在隱患。為此，必須采取有效措施解決這個(gè)嚴重問(wèn)題。
1、選用超前輸入電流小的IT設備。
不同的IT設備電源單元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設備的依據之一。PSU產(chǎn)生超前電流的根源是輸入濾波器的電容，對于典型的IT設備來(lái)說(shuō)，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設備功率達到80%時(shí)，輸入超前無(wú)功功率仍小于發(fā)電機額定無(wú)功功率的20%。
2、備用發(fā)電機的超前無(wú)功功率的限制。
如前所述，在典型的發(fā)電機容量曲線(xiàn)中，發(fā)電機吸收無(wú)功率的能力用反向（輸入）無(wú)功功率（kVAr）的極限表示，發(fā)電機工作時(shí)的超前無(wú)功功率必須小于額定無(wú)功功率的20%。也可用超前無(wú)功電流極限表示。即發(fā)電機工作時(shí)的超前無(wú)功電流必須小于額定無(wú)功電流的20%，以防止發(fā)生運行不穩定的問(wèn)題。
3、增加電源利用率。
如前所述，超前無(wú)功功率與額定IT電源PSU容量成正比，與實(shí)際消耗的IT設備瓦特數無(wú)關(guān)。因此，相比于IT負載實(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計部分都會(huì )帶來(lái)額外的輸入電容。故應合理考慮服務(wù)器配置方案的電源利用率，盡量避免電源容量超額設計。
4、避免雙電源負載的2路電源同時(shí)連接到一臺備用發(fā)電機。
目前，大多數IT設備都是雙電源輸入負載。每路電源的容量設計為：當其中一路電源故障時(shí)，另一路電源可以承擔全部IT設備的供電。任何一路電源應能承受突加50%負載的影響。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)電機交流配電線(xiàn)路，因此，在這種方式下，即使負載功率加倍，但負載的電容不會(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(kāi)關(guān)閉合時(shí)，其中一路市電/發(fā)電機配電線(xiàn)路將接入IT設備2個(gè)電源通道的全部電源設備，這將導致該路市電/發(fā)電機配電線(xiàn)路的電容加倍，因此超前電流加倍。從而對發(fā)電機造成嚴重影響。所以，應考慮避免上游配電電路采用母聯(lián)分段方式。
5、安裝電感負載箱。
如果發(fā)現運行中的數據中心的超前無(wú)功功率較大，可能威脅發(fā)電機的安全運行，可以考慮安裝電感負載箱解決。電感負載箱安裝在發(fā)電機輸出母線(xiàn)上，可以提供固定量的滯后不同相電流，以抵消IT設備產(chǎn)生的超前不同相電流。這類(lèi)似于常規電路中感性負載較多導致功率因數下降時(shí)，用電容進(jìn)行功率因數補償?？梢圆捎脦ё詣?dòng)開(kāi)關(guān)的電感負載箱，根據需要加上和撤除電感負載箱。
6、采用靜止無(wú)功功率發(fā)生器（SVG）
SVG是典型的電力電子設備，可用于動(dòng)態(tài)補償無(wú)功功率。系統處于感性時(shí)，SVG發(fā)出容性電流；系統處于容性時(shí)，SVG發(fā)出感性電流，以抵消與之相反的無(wú)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 設備電源PSU產(chǎn)生的超前（容性）電流。
7、從柴油發(fā)電機組設備入手
（1）提高柴油發(fā)電機組容量
對于相同的柴油發(fā)電機組，發(fā)電機的容量越大，其帶容性負載能力將更強。由于數據中心項目中容性負載存在，因此在選擇數據中心發(fā)電機組時(shí)，發(fā)電機容量將會(huì )是非常重要的參數之一。注：發(fā)電機容量參數與發(fā)電機溫升息息相關(guān)，只有在相同溫升條件下比較發(fā)電機容量才有意義。不同溫升情況下將不能比較發(fā)電機容量的大小。
（2）加強柴油發(fā)電機組電機散熱
在設計安裝柴油發(fā)電機組時(shí)，應當充分保證機房冷空氣的流動(dòng)，能夠有效快速地冷卻發(fā)電機；從發(fā)電機設計和生產(chǎn)的角度，發(fā)電機應是通過(guò)提高空氣冷卻發(fā)電機散熱效率的通風(fēng)結構和方法，使冷卻空氣從發(fā)電機的若干個(gè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入定子和轉子之間的氣隙，再經(jīng)過(guò)由鐵芯與繞組的間隙形成的通風(fēng)道,進(jìn)入導流板與鐵芯背面之間形成的扁平流道，之后流入發(fā)電機內部空腔，再經(jīng)由出風(fēng)口流出。
（3）提升柴油發(fā)電機組容性負載
柴油發(fā)電機組在帶動(dòng)容性負載時(shí)，容性負載將會(huì )產(chǎn)生勵磁電流，容性負載越大，超前功率因數越小，其產(chǎn)生助磁電流越大。
（4）提高柴油發(fā)電機組功率因數
通過(guò)無(wú)功補償方案來(lái)調節容性負載功率因數，使之向功率因數1靠近。功率因數的提高，將大大提升發(fā)電機組帶載能力。
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