柴油發(fā)電機(jī)其實(shí)不是個(gè)理想的電壓源，其內(nèi)阻遠(yuǎn)比市政電力電網(wǎng)的內(nèi)阻大，隨著柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組的額定輸出的功率容量的減少，其內(nèi)阻增大的矛盾顯得更加突出。

當(dāng)我們用柴油發(fā)電機(jī)帶電阻性負(fù)載時(shí)，其影響不易察覺，但如果采用柴油發(fā)電機(jī)來帶整流濾波型負(fù)載（例如：計(jì)算機(jī)和通訊設(shè)備、日光燈、各種可控硅相移調(diào)速和調(diào)控設(shè)備）時(shí)，往往會(huì)遇到很大的麻煩。

其原因是上述非線性負(fù)載會(huì)向柴油發(fā)電機(jī)組反射大量的高次諧波電流，比如傳統(tǒng)UPS的5次和11次諧波等對柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行危害較為嚴(yán)重，輕則導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)帶載異常，重則甚至?xí)�損傷到柴油發(fā)電機(jī)。

目前業(yè)界為了提高柴油發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載的成功率通常的辦法是采用容量放大設(shè)計(jì)，通常的選型放大是1.5-2.0倍，少的也有1.2-1.5倍。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)受服務(wù)器開關(guān)機(jī)負(fù)載沖擊會(huì)出現(xiàn)振蕩

為了減少諧波對柴油發(fā)電機(jī)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(bǔ)償柜等辦法。

而傳統(tǒng)UPS在不同的負(fù)載率下阻抗特性還不一樣，比如在輕載下呈現(xiàn)容性，而在較重載下呈現(xiàn)感性（比如某款UPS產(chǎn)品三相負(fù)載分別為7、9、8KW時(shí)呈強(qiáng)容性，功率因數(shù)為-0.85、-0.87、-0.86；三相負(fù)載為12、13、13KW時(shí)呈弱感性，功率因數(shù)為0.96、0.97、0.95；三相負(fù)載為30KW時(shí)呈強(qiáng)感性，功率因數(shù)為0.92）。

因此在如圖2的串聯(lián)諧振模型中，柴油發(fā)電機(jī)很容易在輕載下和容性負(fù)載振蕩輸出高電壓而發(fā)生保護(hù)，所以采用傳統(tǒng)電容補(bǔ)償柜的設(shè)計(jì)中，輕載下不能投入電容補(bǔ)償柜防止柴油發(fā)電機(jī)過補(bǔ)償而振蕩保護(hù)，而在較重載下才考慮投入電容柜來補(bǔ)償感性負(fù)載帶來的諧波。

圖2 輕載下柴油發(fā)電機(jī)容易和容性負(fù)載發(fā)生振蕩導(dǎo)致過壓保護(hù)

但是，隨著目前數(shù)據(jù)中心追求節(jié)能高效的發(fā)展需求，越來越多的高頻模塊化UPS、高壓直流、48V通信電源，甚至市電直供服務(wù)器的PSU電源等開關(guān)電源類負(fù)載會(huì)直接掛在柴油發(fā)電機(jī)輸出上。

理論上這些高頻開關(guān)電源類負(fù)載通常帶有功率因數(shù)校正電路，50%以上負(fù)載率情況下可以實(shí)現(xiàn)很高的功率因數(shù)和很小的諧波，但實(shí)際上因?yàn)?N的配置或者冗余的需求，在負(fù)載率不高情況下也會(huì)呈現(xiàn)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(bǔ)償柜來補(bǔ)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(jī)的帶載能力。前面我們介紹了柴油發(fā)電機(jī)正常帶載情況下的情況，那么在市電停電柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)帶載瞬間又將會(huì)發(fā)生什么呢？

此時(shí)這些高壓直流等開關(guān)電源類負(fù)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(jī)啟動(dòng)帶來的開關(guān)電源重新啟動(dòng)過程（通常幾十毫秒以上停電就會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電源重啟），開關(guān)電源重啟過程中基本是電容充電的過程，而這個(gè)時(shí)候柴油發(fā)電機(jī)所帶的負(fù)載會(huì)呈現(xiàn)很強(qiáng)的容性負(fù)載特性。負(fù)載大電流沖擊很容易直接拉跨柴油發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)帶不起負(fù)載，后級開關(guān)失壓輸出脫扣，從而電池放電直到設(shè)備掉電。

圖3 典型柴油發(fā)電機(jī)的帶載特性曲線

我們再來看柴油發(fā)電機(jī)的典型帶載特性曲線，從圖3看，通常柴油發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載能力其實(shí)較弱，而且呈快速衰減回縮。因此結(jié)合圖2，在輕載模式下，要盡量減少發(fā)電機(jī)的輸入帶容性負(fù)載，當(dāng)容性負(fù)載小于20%時(shí)，上升速率較為平穩(wěn)，在發(fā)電機(jī)的處理能力之內(nèi)，如果大于30%，則面臨較大的過電壓的風(fēng)險(xiǎn)。

滿載時(shí)，還要考慮功率角避免大于90°，增加容性負(fù)載也會(huì)增大功率角，減弱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。目前廠家建議容性負(fù)載的百分比盡量要小于20%，當(dāng)系統(tǒng)沒有較大的負(fù)載波動(dòng)時(shí)可考慮適當(dāng)放大到30%。

那么在市電停電柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)瞬間帶容性很高的開關(guān)電源類負(fù)載情況下，又如何解決柴油發(fā)電機(jī)瞬間帶載不保護(hù)問題呢？

目前行業(yè)的通常做法是選擇瞬態(tài)響應(yīng)能力好的柴油發(fā)電機(jī)，并對發(fā)電機(jī)做適當(dāng)放大選型也許可以部分減輕這一問題的嚴(yán)重性。

但是系統(tǒng)的成本難免會(huì)增加，而且系統(tǒng)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方案上，而且還不能保證可以實(shí)現(xiàn)一步直接帶重載成功（數(shù)據(jù)中心往往要求一步帶重載，特別在低壓柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)用場合）。因此除了柴油發(fā)電機(jī)設(shè)備本身，我們需要在數(shù)據(jù)中心配電及IT負(fù)載側(cè)想些其他辦法。

圖4 典型集中式中壓柴油發(fā)電機(jī)供電架構(gòu)

對于圖4典型的集中式中壓柴油發(fā)電機(jī)供電架構(gòu)，其原理是多臺中壓柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)成功后再分別和1、2段中壓母線做投切。正常情況下任何一路外電停電，則由另外一路市電帶起所有負(fù)載，只有兩路10KV都掉電后柴油發(fā)電機(jī)才承擔(dān)起整個(gè)機(jī)房的所有負(fù)荷。架構(gòu)特點(diǎn)如下：

首先，負(fù)荷通過SCADA控制將多個(gè)變壓器逐個(gè)分時(shí)投入，相對于多臺柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)后的逐個(gè)變壓器漸進(jìn)加載，對集中式柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)荷沖擊并不算大。

其次，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部對功率因數(shù)大于0.9的要求，諧波較大的變壓器多帶有電容補(bǔ)償裝置，采用就近補(bǔ)償方式到中壓側(cè)總體PF值較高。此外，偏感性的冷機(jī)、冷塔、水泵等電機(jī)類負(fù)載和偏容性的高頻UPS、高壓直流、開關(guān)電源等負(fù)載特性互補(bǔ)，功率因數(shù)得到優(yōu)化，也減少了總柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)容量。

最后，采用集中式中壓柴油發(fā)電機(jī)方案，負(fù)載還可以根據(jù)重要等級以及系統(tǒng)最小加載量等優(yōu)先加載或卸載，所以對于集中式中壓柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)諧波引入的瞬時(shí)負(fù)載沖擊也不大，通常大多能正常逐個(gè)帶載成功。

圖5 典型分布式低壓柴油發(fā)電機(jī)供電架構(gòu)

但是，如果采用圖5的分布式低壓柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)則會(huì)完全不一樣，因?yàn)槊颗_分布式低壓柴油發(fā)電機(jī)需要承當(dāng)兩個(gè)變壓器ATS切換后的所有負(fù)荷，甚至可能是一步直接加到重載甚至滿載（如上圖，市電停電情況下單臺柴油發(fā)電機(jī)要瞬時(shí)帶起兩個(gè)變壓器ATS切換后的全部負(fù)荷），此時(shí)會(huì)對分布式柴油發(fā)電機(jī)有很大的的瞬時(shí)沖擊，特別是帶純IT的開關(guān)電源類容性負(fù)載重啟時(shí)的大電流沖擊。

若此時(shí)仍還采用了容性補(bǔ)償柜并補(bǔ)償，則會(huì)進(jìn)一步加劇電容類負(fù)載對分布式柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載沖擊，容易直接導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)帶載能力不足而保護(hù)關(guān)機(jī)。

這里列舉一個(gè)測試研究場景，如圖6，一臺2.5MVA的低壓柴油發(fā)電機(jī)，經(jīng)ATS和總負(fù)載容量為1.5MW的兩個(gè)T1\T2變壓器輸出的兩組高壓直流負(fù)載分兩步分別投切后，柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓受容性負(fù)載沖擊而拉跨，導(dǎo)致柴發(fā)輸出開關(guān)失壓脫扣，低壓油機(jī)帶載失敗。而此型號柴油發(fā)電機(jī)在廠驗(yàn)階段帶純電阻性負(fù)載情況下是可以實(shí)現(xiàn)2.0MW的一步帶載能力的。

圖6 T2/T1帶載，油機(jī)輸出電壓跌落、帶載失敗

為什么銘牌功率為2.5MVA的柴油發(fā)電機(jī)，無法帶起總負(fù)載才為1.5MW的高壓直流系統(tǒng)呢，而且還是分成了兩次逐步加載過程？

我們這里先簡單分析一下高壓直流（或PSU）開關(guān)電源的負(fù)載啟動(dòng)特性，圖7是各種開關(guān)電源類電源的電路原理圖，分為上半部的PFC級和下半部的DC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

圖7 典型開關(guān)電源電路拓?fù)鋱D

開關(guān)電源啟動(dòng)沖擊主要表現(xiàn)在如下的四個(gè)過程：1、啟動(dòng)瞬間開關(guān)電源的X電容和Y電容等沖擊；2、軟啟動(dòng)電阻對PFC母線大電容的充電過程；3、軟啟動(dòng)繼電器吸合瞬間帶來的電流沖擊；4、DC\DC輸出電流啟動(dòng)/增加過程（包括電池充電電流及負(fù)載電流），這四個(gè)過程都可能會(huì)對柴油發(fā)電機(jī)有沖擊作用。

由于開關(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)測開關(guān)電源啟動(dòng)會(huì)出現(xiàn)如下圖左側(cè)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(cè)的負(fù)載電流啟動(dòng)沖擊三個(gè)主要沖擊電流。除了開關(guān)電源模塊級外，還需向上繼續(xù)從電源系統(tǒng)級，ATS切換開關(guān)配電級，到整個(gè)供電系統(tǒng)級查找分析。

圖8 開關(guān)電源啟動(dòng)沖擊電流波形

我們通過了如下五個(gè)步驟，逐個(gè)分析查找哪個(gè)負(fù)載沖擊拉跨了柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：

一、單套高壓直流系統(tǒng)啟動(dòng)測試

為了查找油機(jī)帶載能力不足的問題，我們測試了該項(xiàng)目中柴油發(fā)電機(jī)所帶不同廠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)過一定時(shí)間后較大沖擊電流才回縮到正常穩(wěn)定值。

而B廠家的高壓直流系統(tǒng)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(wěn)定值，因此B廠家高壓直流產(chǎn)品的啟動(dòng)特性會(huì)對柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)沖擊有益，故需要優(yōu)化A廠家的高壓直流啟動(dòng)電流，以減少電源系統(tǒng)啟動(dòng)帶來的柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載沖擊。

圖9 A廠家高壓直流帶載時(shí)油機(jī)發(fā)電啟動(dòng)電流（不帶功率walk in功能）

圖10 B廠家高壓直流帶載時(shí)油機(jī)發(fā)電啟動(dòng)電流（帶了功率walk in功能）

二、T1、T2所有高壓直流系統(tǒng)空載油機(jī)啟動(dòng)測試

理論上軟啟動(dòng)電阻和軟啟動(dòng)繼電器合閘過程中的沖擊電流和開關(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�；�于此原理，為了排除軟啟動(dòng)瞬間沖擊這個(gè)因素的影響，我們開展了單臺低壓柴油發(fā)電機(jī)帶全部高壓直流的空載啟動(dòng)測試，看柴油發(fā)電機(jī)能否順利帶載。如果可以順利啟動(dòng)，則說明柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)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(dǎo)致關(guān)機(jī)的。

實(shí)際的測試結(jié)果如圖11，低壓柴油發(fā)電機(jī)可以順利帶動(dòng)全部高壓直流系統(tǒng)空載啟動(dòng)，這結(jié)果說明真正影響油機(jī)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），因此確定下來柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)原因是由于高壓直流輸出側(cè)的負(fù)載加載過程導(dǎo)致的。

圖11 T1、T2所有高壓直流空載狀態(tài)下油機(jī)啟動(dòng)正常

三、全部高壓直流分兩次加到接近半載情況下，油機(jī)帶載正常

我們再繼續(xù)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)帶來的沖擊疊加，經(jīng)測試系統(tǒng)在帶半載情況下柴油發(fā)電機(jī)可以正常帶載IT負(fù)荷。還說明該型號柴油發(fā)電機(jī)可以單步成功帶上25%以上的T1容性負(fù)載，柴發(fā)輸出沒振蕩，這有助于確定最小在線容量及加載優(yōu)先等。

圖12 T2， T1間隔投入帶載，油機(jī)正常帶載

上圖中油機(jī)啟動(dòng)后，兩次間隔（數(shù)十秒）投入帶載，油機(jī)輸出電壓仍然正常。

四、全部高壓直流分兩次加載到1.5MW情況下，油機(jī)帶載失敗

但是繼續(xù)增加T1滿載和T2滿載變壓器所帶高壓直流輸出負(fù)載后，柴油發(fā)電機(jī)可以扛起T2負(fù)載，但繼續(xù)帶T1負(fù)載時(shí)被拉跨導(dǎo)致帶載失敗。

圖13 T2全額帶載，T1全額帶載，油機(jī)輸出電壓跌落、帶載失敗

上圖中，第一次投入T2所帶負(fù)載投入瞬間，油機(jī)輸出從230V被拉低至210V（相電壓有效值），電壓降低了約20V，但尚在配電開關(guān)的失壓線圈動(dòng)作門限以上，經(jīng)2s動(dòng)態(tài)調(diào)整后油機(jī)電壓恢復(fù)正常；滯后數(shù)十秒后，第二次投入T1所帶高壓直流負(fù)載，投入后，油機(jī)電壓立即迅速往下降。

由于油機(jī)不能在短時(shí)間內(nèi)做出足夠的回調(diào)，油機(jī)輸出功率沒來得及提高，加上所帶負(fù)載全是恒功率開關(guān)電源，隨著電壓降低，電流反而必須繼續(xù)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(jī)電壓，電壓跌落至約161V（此時(shí)負(fù)載電流已經(jīng)是額定電流的2-3倍），配電開關(guān)的失壓線圈動(dòng)作，導(dǎo)致負(fù)載掉電柴油發(fā)電機(jī)卸載。

五、高壓直流逐臺加載情況下，油機(jī)帶載運(yùn)行穩(wěn)定

從圖13啟動(dòng)失敗的波形圖上看，左側(cè)T2變壓器負(fù)載投入瞬間，T2負(fù)載電流啟動(dòng)較快，柴油發(fā)電機(jī)電壓有一定跌落，但通過自身AVR動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)穩(wěn)定了輸出電壓，但在T1變壓器負(fù)載繼續(xù)投入瞬間，柴油發(fā)電機(jī)電壓出現(xiàn)了明顯跌落，低至失壓線圈動(dòng)作切斷負(fù)載開關(guān)，負(fù)載失壓掉電。

說明柴油發(fā)電機(jī)在帶上T2負(fù)載的基礎(chǔ)上，受到更大負(fù)載的T1變壓器瞬間大電流沖擊直接拉跨了柴油發(fā)電機(jī)。那么如果將T1所帶的多臺高壓直流負(fù)載逐個(gè)分時(shí)投入，通過減少瞬時(shí)負(fù)載沖擊是否可以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)成功帶載呢？

于是現(xiàn)場通過人工模擬高壓直流間隔逐套投入，柴油發(fā)電機(jī)成功帶載到滿載額定功率，油機(jī)輸出電壓基本穩(wěn)定，可以成功帶載，因此找到了實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)成功帶載的解決辦法。

圖14 逐步加載油機(jī)到全額負(fù)載后仍可穩(wěn)定運(yùn)行

圖14說明：在第一次投入后，每隔幾秒手動(dòng)投入一套高壓直流，直至油機(jī)帶起全額負(fù)載，油機(jī)都正常運(yùn)行帶載。

初步結(jié)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(nèi)的軟啟動(dòng)電阻和軟啟動(dòng)繼電器合閘引起，和系統(tǒng)是否帶載沒有關(guān)系，該電流峰值超過額定電流，但持續(xù)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(jī)電壓波動(dòng)、運(yùn)行困難，也不會(huì)影響油機(jī)輸出電壓造成開關(guān)失壓線圈動(dòng)作。

2）從高壓直流側(cè)可以看，如果高壓直流模塊及系統(tǒng)增加了功率walk in緩啟功能，則對柴油發(fā)電機(jī)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，全部負(fù)載同時(shí)大電流啟動(dòng)的容性負(fù)載沖擊容易拉跨柴油發(fā)電機(jī)。

3）從油機(jī)突加負(fù)載的測試情況看，引起輸出空開跳閘的原因是在油機(jī)帶載時(shí)。如果突加較重負(fù)載，特別是容性類型負(fù)載，由于油機(jī)的輸出電壓調(diào)整能力不足，以及容性負(fù)載功率回縮，需調(diào)整的時(shí)間較長。輸出電壓將被拉低，突然增加的負(fù)載越重，瞬間拉低的電壓越多，在恒功率負(fù)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(dǎo)致配電空開的失壓線圈動(dòng)作，造成開關(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ATS1和ATS2時(shí)間間隔可以減少全部系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)對柴油發(fā)電機(jī)的沖擊疊加，柴油發(fā)電機(jī)可以成功帶載。

5）傳統(tǒng)的柴發(fā)是按感性0.8的功率因數(shù)負(fù)載來設(shè)計(jì)的，對單步帶滿載能力多沒有嚴(yán)格要求，且對容性負(fù)載多沒有相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。隨著數(shù)據(jù)中心容性負(fù)載的不斷增加，在低壓柴發(fā)應(yīng)用場合會(huì)帶來更大挑戰(zhàn)，值得深入研究和不斷完善標(biāo)準(zhǔn)。

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