柴发超前功率因数负荷的计算、影响及消除手段

参数中心的备用发电机组为例，柴油发电机组承受超前无功容量的能力非常有限，当输入无功功率大于额定无功功率的20%时，就可能产生运行不稳，甚至过压关机。由于数据中心IT装备电源配置了功率因数校正器和大容量滤波器电容，会出现大量超前电抗电流。这种超前功率因数负载对市电不会造成严重不佳危害，却是导致发电机运转不稳的具体原由。因此，关注和详解潜在的发电机不稳情形是必要的，采取有效的预防方法是重要的。

      参数中心的供电装置由三级电源构造柴油发电机公司厂家，第一级是大电/备用发电机，这是参数中心的交流输入电源。第二级是UPS，UPS的用途是保证不间断供电。第三级是IT设备的电源单元PSU，PSU为IT装备供应各种电压等级的直流电源。在正常状况下康明斯发电机组公司，UPS是大电/备用发电机的负荷，IT装备的PSU是UPS的负载。当UPS作业于旁路程序时，市电/备用发电机直接为IT设备PSU供电。因此，UPS和IT装备PSU的输入容量因数或电流的相位，都会影响发电机运行性能。

      在柴发机组应用中，容量因数超前比较罕见，而功率因数滞后却十分易损。当容量因数滞后时（如图1a所示），电气装置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），会产生无功倒送、电网电压升高等问题，从而危害柴油发电机组的正常运行。

（2）当电流相位超前电压时，容量因数为超前容量因数，此时相位差 ? 为负值。

（3）超前功率因数的典型范围是 0cos?1（感性负载的功率因数为滞后）。

（2）容量分述仪：检测视在容量S、有功功率P、无功功率Q，三者之间可以组成容量三角形，如图2所示。计算功率因数公式：

      在数据中心运用较多的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线脉冲整流器的双变换UPS的输入电流总谐波失线%。谐波电流引起功率因数下降，功率因数通常为0.8左右。传统双变换UPS输入电流是滞后的。

      高频双变换UPS选择IGBT整流器，满载时输入容量因数接近1，基础没有谐波电流。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的输入特点对柴发机组（组成外形如图3所示）的不好危害具体是谐波电流。会引起中性线电流增大，变压器和备用发电机组过热，发电机输出电压失真等。这些问题通常通过配置功率稍大的发电机就可处理。通常不会发生严重的发电机运行不稳现象。

      早期的IT设备电源单元PSU是典型的非线性负荷，由于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的不一样相电流不大，但谐波电流致使功率因数大大下降，一般为容量因数滞后0.6~0.7。当UPS工作于旁路方法时，发电机直接为PSU供电，PSU对发电机的危害与经UPS供电时的影响大致相同。

      现代IT装备PSU都配置功率调校器（PFC），大大降低了谐波电流，达到相关国际标准的要求。容量因数调校器解除了谐波，但没有降低不一样相电流。事实上有配置了功率因数校正的IT装置电源PSU比老式IT装备电源PSU出现的不一样相电流更多，而且是超前不同相电流。因此，容量调校器处置了谐波的问题，但发生了更为严重的超前不一样相电流的问题。下面探讨此种IT电源是怎样出现超前不一样相电流的。

      交流输入端是滤波器，后面是升压变换器结构的容量因数校正器，其变换频率为20～200kHz，输出电压为400V。最后一级是DC-DC变换器、出现IT装置需要的12、5、3.3 V等直流电压。滤波器的用途是预防升压变换器产生的高频干扰反馈到电网。滤波器由电感和电容结构，其中电网容Cl是关键元件，就是这个元件出现了超前不同相电流。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，电容致使的超前不一样相电流是固定的，与IT装置的实际消耗的容量（负载率）无关。这表明，IT设备负载减少时，IT装置电源的容量因数会随之下降。因为其有功动力无劲了，而超前不一样相电流保持不变。图4示出IT装置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，假如服务器的实际容量为300W （每个电源150W）。2个PSU电源将作业于图6中25%的使用点。可以看出此点的容量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负荷的电容就比较大，因此在总负载电流中的超前电抗电流就比较大。

① 补偿感性负荷：超前容量因数可以抵消感性负荷的滞后功率因数，提高系统整体功率因数。

      综上所述，现代IT装备电源单元PSU是典型的超前功率因数负载，会出现反向无功率或超前不一样相电流。而应急发电机组吸收超前无功容量或超前不同相电流的能力非常有限。因此，引起应急发电机组运转不稳甚至关机的严重损坏或存在隐患。为此，必须选用有效手段清除这个严重问题。

      不同的IT设备电源单元PSU的输入超前不同相电流的大小区别很大，可考虑将PSU的输入超前电流作为选取IT设备的依据之一。PSU发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电源容量通常具有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。建议采用每KW5 μF以下的PSU电源，以保证IT装备容量达到80%时，输入超前无功容量仍小于发电机额定无功功率的20%。

      如前所述，在典型的发电机容量曲线中，发电机吸收无容量的能力用反向（输入）无功功率（kVAr）的极限表示，发电机工作时的超前无功容量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柴油发电机一览表。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%，以避免发生运行不稳定的问题。

      如前所述，超前无功容量与额定IT电源PSU功率成正比，与实际消耗的IT装置瓦特数无关。因此，相比于IT负荷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规划部分都会带来额外的输入电容。故应合理考虑服务器配置举措的电源利用率，尽量防止电源功率超额设计。

      目前，大多数IT装置都是双电源输入负荷。每路电源的容量设计为：当其中一路电源损坏时，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电网/发电机交流配电线路，因此，在这种程序下，即使负载容量加倍，但负荷的电容不会改变。但是，如果上游配电电路采取母联分段方法（cross tie），母联开关闭合时，其中一路大电/发电机配电线个电源通道的全部电源装置，这将致使该路电网/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。于是，应考虑防范上游配电电路选用母联分段步骤。

      如果发现运转中的参数中心的超前无功功率较大，可能威胁发电机的安全运转，可以考虑装配电感负载箱消除。电感负载箱安装在发电机输出母线上，可以供应固定量的滞后不同相电流，以抵消IT装置发生的超前不同相电流。这类似于常规电路中感性负荷较多导致容量因数下降时，用电容进行容量因数补偿。可以选取带自动开关的电感负荷箱，根据需要加上和撤除电感负荷箱。

      SVG是典型的电力电子设备，可用于动态补偿无功功率。机构处于感性时，SVG发出容性电流；装置处于容性时，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。故选择SVG可以有效地抑制IT 设备电源PSU出现的超前（容性）电流。

      对于相同的柴发机组，发电机的功率越大，其带容性负荷能力将更强。由于数据中心项目中容性负荷存在，因此在采取数据中心发电机组时，发电机功率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，只有在相同温升因素下比较发电机功率才有目的。不一样温升情形下将无法比较发电机容量的大小。

      在设计装配柴油发电机组时，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；从发电机规划和生产的角度，发电机应是通过提高空气冷却发电机散热效率的通气构造和对策，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气道，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。

      柴发机组在带动容性负荷时，容性负荷将会产生励磁电流，容性负荷越大，超前功率因数越小，其发生助磁电流越大。

      通过无功补偿手段来调节容性负荷容量因数，使之向功率因数1靠近。容量因数的提升，将大大提升发电机组实载能力。

       超前容量因数负荷主要由容性负荷导致，具有电流相位超前电压的特征。它在容量因数校正和电压稳定中具有重要功能，但需注意过大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，可以充分利用超前容量因数的优点，提升柴发机组的效率和稳定性。