数据中心柴油发电机组带容性负载能力技术研究探讨(上)

柴油发电机组在数据中心行业的特性应用场景下，容性带载能力及突加重载能力一直是行业研究和攻克的应用难题，腾讯IDC技术专家将从测试和技术研究的角度来剖析其中的奥妙，抛砖引玉。也特别感谢电信侯福平、赖世能、孙文波等专家的技术指导。

柴油发电机其实不是个理想的电压源，其内阻远比市政电力电网的内阻大，随着柴油发电机机组的额定输出的功率容量的减少，其内阻增大的矛盾显得更加突出。

当我们用柴油发电机带电阻性负载时，其影响不易察觉，但如果采用柴油发电机来带整流滤波型负载（例如：计算机和通讯设备、日光灯、各种可控硅相移调速和调控设备）时，往往会遇到很大的麻烦。

其原因是上述非线性负载会向柴油发电机组反射大量的高次谐波电流，比如传统UPS的5次和11次谐波等对柴油发电机的运行危害较为严重，轻则导致柴油发电机带载异常，重则甚至会损伤到柴油发电机。

目前业界为了提高柴油发电机带非线性负载的成功率通常的办法是采用容量放大设计，通常的选型放大是1.5-2.0倍，少的也有1.2-1.5倍。

图1 柴油发电机受服务器开关机负载冲击会出现振荡

为了减少谐波对柴油发电机的影响，目前行业通常解决办法是采用滤波器，比如有采用价格昂贵的有源滤波器，或者采用价格较低的电容补偿柜等办法。

而传统UPS在不同的负载率下阻抗特性还不一样，比如在轻载下呈现容性，而在较重载下呈现感性（比如某款UPS产品三相负载分别为7、9、8KW时呈强容性，功率因数为-0.85、-0.87、-0.86；三相负载为12、13、13KW时呈弱感性，功率因数为0.96、0.97、0.95；三相负载为30KW时呈强感性，功率因数为0.92）。

因此在如图2的串联谐振模型中，柴油发电机很容易在轻载下和容性负载振荡输出高电压而发生保护，所以采用传统电容补偿柜的设计中，轻载下不能投入电容补偿柜防止柴油发电机过补偿而振荡保护，而在较重载下才考虑投入电容柜来补偿感性负载带来的谐波。

图2 轻载下柴油发电机容易和容性负载发生振荡导致过压保护

但是，随着目前数据中心追求节能高效的发展需求，越来越多的高频模块化UPS、高压直流、48V通信电源，甚至市电直供服务器的PSU电源等开关电源类负载会直接挂在柴油发电机输出上。

理论上这些高频开关电源类负载通常带有功率因数校正电路，50%以上负载率情况下可以实现很高的功率因数和很小的谐波，但实际上因为2N的配置或者冗余的需求，在负载率不高情况下也会呈现一定的容性阻抗特性（比如典型服务器电源实测工作时PF值为-0.92）。

如果此时仍然采用电容补偿柜来补偿，那么电容会越并越大，不但不会减少谐波，甚至还恶化了柴油发电机的带载能力。前面我们介绍了柴油发电机正常带载情况下的情况，那么在市电停电柴油发电机启动带载瞬间又将会发生什么呢？

此时这些高压直流等开关电源类负载不再处于正常工作状态，而是处于市电停电柴油发电机启动带来的开关电源重新启动过程（通常几十毫秒以上停电就会导致开关电源重启），开关电源重启过程中基本是电容充电的过程，而这个时候柴油发电机所带的负载会呈现很强的容性负载特性。负载大电流冲击很容易直接拉跨柴油发电机，导致柴油发电机带不起负载，后级开关失压输出脱扣，从而电池放电直到设备掉电。

图3 典型柴油发电机的带载特性曲线

我们再来看柴油发电机的典型带载特性曲线，从图3看，通常柴油发电机带容性负载能力其实较弱，而且呈快速衰减回缩。因此结合图2，在轻载模式下，要尽量减少发电机的输入带容性负载，当容性负载小于20%时，上升速率较为平稳，在发电机的处理能力之内，如果大于30%，则面临较大的过电压的风险。

满载时，还要考虑功率角避免大于90°，增加容性负载也会增大功率角，减弱系统动态响应特性。目前厂家建议容性负载的百分比尽量要小于20%，当系统没有较大的负载波动时可考虑适当放大到30%。

那么在市电停电柴油发电机启动瞬间带容性很高的开关电源类负载情况下，又如何解决柴油发电机瞬间带载不保护问题呢？

目前行业的通常做法是选择瞬态响应能力好的柴油发电机，并对发电机做适当放大选型也许可以部分减轻这一问题的严重性。

但是系统的成本难免会增加，而且系统效率将下降，因此不能把所有希望放在这种增加较大投资的大马拉小车方案上，而且还不能保证可以实现一步直接带重载成功（数据中心往往要求一步带重载，特别在低压柴油发电机应用场合）。因此除了柴油发电机设备本身，我们需要在数据中心配电及IT负载侧想些其他办法。

图4 典型集中式中压柴油发电机供电架构

对于图4典型的集中式中压柴油发电机供电架构，其原理是多台中压柴油发电机并机成功后再分别和1、2段中压母线做投切。正常情况下任何一路外电停电，则由另外一路市电带起所有负载，只有两路10KV都掉电后柴油发电机才承担起整个机房的所有负荷。架构特点如下：

首先，负荷通过SCADA控制将多个变压器逐个分时投入，相对于多台柴油发电机并机后的逐个变压器渐进加载，对集中式柴油发电机的负荷冲击并不算大。

其次，传统数据中心内部对功率因数大于0.9的要求，谐波较大的变压器多带有电容补偿装置，采用就近补偿方式到中压侧总体PF值较高。此外，偏感性的冷机、冷塔、水泵等电机类负载和偏容性的高频UPS、高压直流、开关电源等负载特性互补，功率因数得到优化，也减少了总柴油发电机系统容量。

最后，采用集中式中压柴油发电机方案，负载还可以根据重要等级以及系统最小加载量等优先加载或卸载，所以对于集中式中压柴油发电机并机系统谐波引入的瞬时负载冲击也不大，通常大多能正常逐个带载成功。

图5 典型分布式低压柴油发电机供电架构

但是，如果采用图5的分布式低压柴油发电机系统架构则会完全不一样，因为每台分布式低压柴油发电机需要承当两个变压器ATS切换后的所有负荷，甚至可能是一步直接加到重载甚至满载（如上图，市电停电情况下单台柴油发电机要瞬时带起两个变压器ATS切换后的全部负荷），此时会对分布式柴油发电机有很大的的瞬时冲击，特别是带纯IT的开关电源类容性负载重启时的大电流冲击。

若此时仍还采用了容性补偿柜并补偿，则会进一步加剧电容类负载对分布式柴油发电机的负载冲击，容易直接导致柴油发电机出现带载能力不足而保护关机。

这里列举一个测试研究场景，如图6，一台2.5MVA的低压柴油发电机，经ATS和总负载容量为1.5MW的两个T1\T2变压器输出的两组高压直流负载分两步分别投切后，柴油发电机输出电压受容性负载冲击而拉跨，导致柴发输出开关失压脱扣，低压油机带载失败。而此型号柴油发电机在厂验阶段带纯电阻性负载情况下是可以实现2.0MW的一步带载能力的。

图6 T2/T1带载，油机输出电压跌落、带载失败

为什么铭牌功率为2.5MVA的柴油发电机，无法带起总负载才为1.5MW的高压直流系统呢，而且还是分成了两次逐步加载过程？

我们这里先简单分析一下高压直流（或PSU）开关电源的负载启动特性，图7是各种开关电源类电源的电路原理图，分为上半部的PFC级和下半部的DC/DC转换环节。

图7 典型开关电源电路拓扑图

开关电源启动冲击主要表现在如下的四个过程：1、启动瞬间开关电源的X电容和Y电容等冲击；2、软启动电阻对PFC母线大电容的充电过程；3、软启动继电器吸合瞬间带来的电流冲击；4、DC\DC输出电流启动/增加过程（包括电池充电电流及负载电流），这四个过程都可能会对柴油发电机有冲击作用。

由于开关电源的X电容和Y电容是皮法（pF）级充电基本可以忽略，所以实测开关电源启动会出现如下图左侧的软启动电阻冲击、中间的软启动继电器合闸冲击，以及右侧的负载电流启动冲击三个主要冲击电流。除了开关电源模块级外，还需向上继续从电源系统级，ATS切换开关配电级，到整个供电系统级查找分析。

图8 开关电源启动冲击电流波形

我们通过了如下五个步骤，逐个分析查找哪个负载冲击拉跨了柴油发电机系统：

一、单套高压直流系统启动测试

为了查找油机带载能力不足的问题，我们测试了该项目中柴油发电机所带不同厂家的两款高压直流产品（单套均200KW左右容量）的启动特性，其中A厂家的高压直流启动冲击电流较大（不带功率walk in功能），经过一定时间后较大冲击电流才回缩到正常稳定值。

而B厂家的高压直流系统启动冲击电流则较为平滑（带有功率walk in功能），逐步缓慢增加到正常稳定值，因此B厂家高压直流产品的启动特性会对柴油发电机的启动冲击有益，故需要优化A厂家的高压直流启动电流，以减少电源系统启动带来的柴油发电机负载冲击。

图9 A厂家高压直流带载时油机发电启动电流（不带功率walk in功能）

图10 B厂家高压直流带载时油机发电启动电流（带了功率walk in功能）

二、T1、T2所有高压直流系统空载油机启动测试

理论上软启动电阻和软启动继电器合闸过程中的冲击电流和开关电源带载与否关系不大，即不管是否带载，这个启动瞬间冲击电流基本不变。基于此原理，为了排除软启动瞬间冲击这个因素的影响，我们开展了单台低压柴油发电机带全部高压直流的空载启动测试，看柴油发电机能否顺利带载。如果可以顺利启动，则说明柴油发电机保护不是受此软启动电阻对PFC电容充电和软启动继电器合闸冲击电流导致关机的。

实际的测试结果如图11，低压柴油发电机可以顺利带动全部高压直流系统空载启动，这结果说明真正影响油机并不是模块通电瞬间的软启动尖峰大电流（两个冲击均为毫秒级别），因此确定下来柴油发电机保护原因是由于高压直流输出侧的负载加载过程导致的。

图11 T1、T2所有高压直流空载状态下油机启动正常

三、全部高压直流分两次加到接近半载情况下，油机带载正常

我们再继续将高压直流带载增加到50%，并将ATS1和ATS2之间的时间间隔增加十倍，减少同时启动带来的冲击叠加，经测试系统在带半载情况下柴油发电机可以正常带载IT负荷。还说明该型号柴油发电机可以单步成功带上25%以上的T1容性负载，柴发输出没振荡，这有助于确定最小在线容量及加载优先等。

图12 T2， T1间隔投入带载，油机正常带载

上图中油机启动后，两次间隔（数十秒）投入带载，油机输出电压仍然正常。

四、全部高压直流分两次加载到1.5MW情况下，油机带载失败

但是继续增加T1满载和T2满载变压器所带高压直流输出负载后，柴油发电机可以扛起T2负载，但继续带T1负载时被拉跨导致带载失败。

图13 T2全额带载，T1全额带载，油机输出电压跌落、带载失败

上图中，第一次投入T2所带负载投入瞬间，油机输出从230V被拉低至210V（相电压有效值），电压降低了约20V，但尚在配电开关的失压线圈动作门限以上，经2s动态调整后油机电压恢复正常；滞后数十秒后，第二次投入T1所带高压直流负载，投入后，油机电压立即迅速往下降。

由于油机不能在短时间内做出足够的回调，油机输出功率没来得及提高，加上所带负载全是恒功率开关电源，随着电压降低，电流反而必须继续增大，进入了恶性循环状态。

电流的大幅度上升进一步拉低了油机电压，电压跌落至约161V（此时负载电流已经是额定电流的2-3倍），配电开关的失压线圈动作，导致负载掉电柴油发电机卸载。

五、高压直流逐台加载情况下，油机带载运行稳定

从图13启动失败的波形图上看，左侧T2变压器负载投入瞬间，T2负载电流启动较快，柴油发电机电压有一定跌落，但通过自身AVR动态调节稳定了输出电压，但在T1变压器负载继续投入瞬间，柴油发电机电压出现了明显跌落，低至失压线圈动作切断负载开关，负载失压掉电。

说明柴油发电机在带上T2负载的基础上，受到更大负载的T1变压器瞬间大电流冲击直接拉跨了柴油发电机。那么如果将T1所带的多台高压直流负载逐个分时投入，通过减少瞬时负载冲击是否可以实现柴油发电机成功带载呢？

于是现场通过人工模拟高压直流间隔逐套投入，柴油发电机成功带载到满载额定功率，油机输出电压基本稳定，可以成功带载，因此找到了实现柴油发电机成功带载的解决办法。

图14 逐步加载油机到全额负载后仍可稳定运行

图14说明：在第一次投入后，每隔几秒手动投入一套高压直流，直至油机带起全额负载，油机都正常运行带载。

初步结论

1）所有高压直流模块在上电瞬间均有较大的冲击电流，但该电流为高压直流模块内的软启动电阻和软启动继电器合闸引起，和系统是否带载没有关系，该电流峰值超过额定电流，但持续时间非常短，约ms级别，经测试，该冲击电流不会引起油机电压波动、运行困难，也不会影响油机输出电压造成开关失压线圈动作。

2）从高压直流侧可以看，如果高压直流模块及系统增加了功率walk in缓启功能，则对柴油发电机的带载启动冲击会少很多；如果不加功率walk in功能的话，全部负载同时大电流启动的容性负载冲击容易拉跨柴油发电机。

3）从油机突加负载的测试情况看，引起输出空开跳闸的原因是在油机带载时。如果突加较重负载，特别是容性类型负载，由于油机的输出电压调整能力不足，以及容性负载功率回缩，需调整的时间较长。输出电压将被拉低，突然增加的负载越重，瞬间拉低的电压越多，在恒功率负载作用下，电压越低，需要的电流进一步加大，呈恶性循环之势，从而导致配电空开的失压线圈动作，造成开关跳闸。

4）采用每套高压直流分时逐个投入的办法，以及延长ATS1和ATS2时间间隔可以减少全部系统同时启动对柴油发电机的冲击叠加，柴油发电机可以成功带载。

5）传统的柴发是按感性0.8的功率因数负载来设计的，对单步带满载能力多没有严格要求，且对容性负载多没有相应测试标准规范。随着数据中心容性负载的不断增加，在低压柴发应用场合会带来更大挑战，值得深入研究和不断完善标准。

下期我们将为您介绍数据中心柴油发电机组带容性负载能力技术研究探讨（下）

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