如何提高湛江发电机组带容性负载能力？

为了实现数据中心的节能高效，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。

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）。带容性负载能力强的发电机组将是项目备用电源建设的重要组成。

1、容性负载对发电机的影响

当发电机带上容性负载时，通常会发生直轴增磁和交轴电枢反应两种情况。直流增磁会导致发电机电压升高，电压不稳将会引起发电机组停机；而交轴电枢反应由于谐波的影响将增大发电机辐射热量，提高发电机温度，损坏发电机绝缘，降低发电机带载能力（即通常所说的降载运行）。并可能触发逆无功保护停机。

2、容性负载对调压器的影响

如果发电机接上容性负载，容性的定子电流就会起到“助磁作用”，负荷越大，定子感应电势及端电压越高。要维持端电压就要减小励磁电流，直到励磁电流为零时，仍不能调整发电机电压，因此出现了电压升高或电压不稳的现象。并可能触发失磁（欠励）保护停机。

卡特彼勒3516E HV主用2200KW发电机组发电机带容性负载能力如下图所示：

根据以上发电机性能曲线可知：

1、 发电机在功率因数超前0.91时能在额定容量下运行。超前值小于0.91后发电机带负载能力将下降（如图中A点）；

2、 发电机组在功率因数超前0.88时能在额定功率下运行，超前值小于0.88后，发电机组带负载能力将下降（如图中B点）；

3、 发电机带负载能力开始下降后，其带载能力急剧下降（如图中A-C点）；

4、 发电机最少可带30%（额定容量）超前无功（如图中C点）。

根据以上分析可知，提高发电机组带容性负载能力可以从两个方面进行：

提高发电机带容性负载的能力；

对负载进行改造，使容性负载的超前功率因数变大。

1、提高发电机组带容性负载能力

根据容性负载对发电机和调压器产生的影响，我们可以从以下几个方面来提高发电机组带容性负载能力：

1.1 容量放大设计

对于同功率发电机组，发电机容量越大，其带容性负载能力将更强。由于数据中心项目中容性负载存在，因此在选择数据中心发电机组时，发电机容量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，只有在相同温升条件下比较发电机容量才有意义。不同温升情况下将不能比较发电机容量的大小。

1.2 加强发电机散热

一方面，从安装和应用角度，在安装发电机组时，保障充分的冷空气冷却发电机；另一方面，从发电机设计和生产的角度，发电机应通过提高空气冷却发电机散热效率的通风结构和方法，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风道,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。

冷却空气通过扁平流道时,能以较高速度横掠铁芯背面，从而加强了铁芯背面的散热,有效降低了铁芯和绕组的温度。使用导热性良好的材料制成导流板,并增大了散热面积，有效提升了散热的效果。

1.3 智能式电压调压器

发电机在带容性负载时，容性负载将会产生励磁电流，容性负载越大，超前功率因数越小，其产生助磁电流越大。

即使在调压器给出的励磁电流为0时，发电机励磁电流都足够大，此时调压器失去了调压的功能，发电机电压将上下波动，不受控制。因此智能式电压调压器将能优化发电机的调压功能，并加强发电机的带容性负载能力。

1.4 PM永磁励磁机

永磁励磁机将减小容性负载对励磁电流和调压的影响，从而加强发电机带容性负载能力。

1.5、发电机组控制系统

由于数据中心备用电源的可靠性是非常重要的，为了提高发电机组的可靠性，避免因为逆无功保护或失磁保护停机，将控制系统中的逆无功保护或失磁保护设定为警报，而取消停机保护的功能。保证发电机组即使在逆无功或失磁情况下也不会出现停机现象。保证数据中心系统备用电源的可靠性。

2、负载改造

通过无功补偿方案来调节容性负载功率因数，使之向功率因数1靠近。功率因数的提高，将大大提升发电机组带载能力。

2.1 采用串联电抗器（reactor）或者调相机（synchronous condenser）

在列头柜内下部安装有感性电抗器，用于抵消其市电直供服务器PSU电源的容性启动冲击，对PF和THDi都有一定提升。

2.2 采用SVG（Static Var Generator）静止型无功发生器

传统的电容补偿柜方式不适合于容性负载场合，采用有源滤波器（APFC）和静止同步补偿器（STATCOM）也有成本太高、易故障等不足，目前其他行业在用的SVG产品在成本和性能方面较为折中。

由于数据中心的不可断电的要求，备用电源柴油发电机组配置至关重要。虽然中国的市电可靠性颇高，但各种自然灾害或人为灾难是不可控的，柴油发电机组也是不可或缺的。

根据数据中心容性负载特征，为了提高柴油发电机组的可靠性，本文对发电机带容性负载能力进行了分析和研究，希望对广大数据中心项目柴油发电机组的选型能提供帮助。也欢迎广大用户对容性负载方面的议题进行垂询和交流。