柴油發(fā)電機(jī)其實(shí)不是個理想的電壓源，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，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，往往會遇到很大的麻煩。其原因是上述非線性負(fù)載會向柴油發(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)p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，通常的選型放大是1.5-2.0倍，少的也有1.2-1.5倍。
一、降低柴發(fā)諧波影響
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，比如有采用價格昂貴的有源濾波器，或者采用價格較低的電容補(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時呈弱感性，功率因數(shù)為0.96、0.97、0.95；三相負(fù)載為30KW時呈強(qiáng)感性，功率因數(shù)為0.92）。
因此在串聯(lián)諧振中，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。
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PF值為-0.92）。
如果此時仍然采用電容補(bǔ)償柜來補(bǔ)償，那么電容會越并越大，不但不會減少諧波，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)啟動帶載瞬間又將會發(fā)生什么呢？
此時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)啟動帶來的開關(guān)電源重新啟動過程（通常幾十毫秒以上停電就會導(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，而這個時候柴油發(fā)電機(jī)所帶的負(fù)載會呈現(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。
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圖1 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) |
二、柴發(fā)帶載特性
我們再來看柴油發(fā)電機(jī)的典型帶載特性曲線，從圖2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1，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，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。
滿載時，還要考慮功率角避免大于90°，增加容性負(fù)載也會增大功率角，減弱系統(tǒng)動態(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)載波動時可考慮適當(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。
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圖2 典型柴油發(fā)電機(jī)的帶載特性曲線 |
三、柴發(fā)供配電系統(tǒng)
對于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，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PF值為-0.92）。
如果此時仍然采用電容補(bǔ)償柜來補(bǔ)償，那么電容會越并越大，不但不會減少諧波，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)啟動帶載瞬間又將會發(fā)生什么呢？
此時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)啟動帶來的開關(guān)電源重新啟動過程（通常幾十毫秒以上停電就會導(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，而這個時候柴油發(fā)電機(jī)所帶的負(fù)載會呈現(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。
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)電源啟動會出現(xiàn)如圖3左側(cè)的軟啟動電阻沖擊、中間的軟啟動繼電器合閘沖擊，以及右側(cè)的負(fù)載電流啟動沖擊三個主要沖擊電流。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，到整個供電系統(tǒng)級查找分析。
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圖3 柴油發(fā)電機(jī)開關(guān)電源電路拓?fù)鋱D |
四、負(fù)載實(shí)驗(yàn)步驟
我們通過了如下步驟，逐個分析查找哪個負(fù)載沖擊拉跨了柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：
1、單套高壓直流系統(tǒng)啟動測試
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）的啟動特性，其中A廠家的高壓直流啟動沖擊電流較大（不帶功率walk in功能），經(jīng)過一定時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)品的啟動特性會對柴油發(fā)電機(jī)的啟動沖擊有益，故需要優(yōu)化A廠家的高壓直流啟動電流，以減少電源系統(tǒng)啟動帶來的柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載沖擊。
2、T1、T2所有高壓直流系統(tǒng)空載油機(jī)啟動測試
理論上軟啟動電阻和軟啟動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，這個啟動瞬間沖擊電流基本不變?；诖嗽?，為了排除軟啟動瞬間沖擊這個因素的影響，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測試，看柴油發(fā)電機(jī)能否順利帶載。如果可以順利啟動，則說明柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)不是受此軟啟動電阻對PFC電容充電和軟啟動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，低壓柴油發(fā)電機(jī)可以順利帶動全部高壓直流系統(tǒng)空載啟動，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尖峰大電流（兩個沖擊均為毫秒級別），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。
3、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之間的時間間隔增加十倍，減少同時啟動帶來的沖擊疊加，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。
4、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)載時被拉跨導(dǎo)致帶載失敗。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)的失壓線圈動作門限以上，經(jīng)2s動態(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)的失壓線圈動作，導(dǎo)致負(fù)載掉電柴油發(fā)電機(jī)卸載。
5、高壓直流逐臺加載情況下，油機(jī)帶載運(yùn)行穩(wěn)定
從啟動失敗的波形圖上看，左側(cè)T2變壓器負(fù)載投入瞬間，T2負(fù)載電流啟動較快，柴油發(fā)電機(jī)電壓有一定跌落，但通過自身AVR動態(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)載逐個分時投入，通過減少瞬時負(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。
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柴油發(fā)電機(jī)開關(guān)電源啟動沖擊電流波形 |
五、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)的軟啟動電阻和軟啟動繼電器合閘引起，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)時間非常短，約ms級別，經(jīng)測試，該沖擊電流不會引起油機(jī)電壓波動、運(yùn)行困難，也不會影響油機(jī)輸出電壓造成開關(guān)失壓線圈動作。
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)的帶載啟動沖擊會少很多；如果不加功率walk in功能的話，全部負(fù)載同時大電流啟動的容性負(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。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作，造成開關(guān)跳閘。
4、采用每套高壓直流分時逐個投入的辦法，以及延長ATS1和ATS2時間間隔可以減少全部系統(tǒng)同時啟動對柴油發(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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