柴油發(fā)電機組在數(shù)據(jù)中心行業(yè)的特性應(yīng)用場景下，容性帶載能力及突加重載能力一直是行業(yè)研究和攻克的應(yīng)用難題，國科數(shù)據(jù)中心將從測試和技術(shù)研究的角度來剖析其中的奧妙，拋磚引玉。解決方案思路從柴油發(fā)電機成功帶載的測試看，只要錯開每套高壓直流的啟動時間，同時優(yōu)化高壓直流的功率walk in緩啟動特性，延長ATS1和ATS2投切開關(guān)之間的間隔時間，避免柴油發(fā)電機帶載啟動過程的所有高壓直流系統(tǒng)同時大電流加載，即可解決該問題。因此可以根據(jù)該思路從本文闡述的幾個方面進行改造優(yōu)化。

 

一、解決方案思路

 

1、高壓直流系統(tǒng)方面

（1）修改高壓直流模塊軟件改變模塊啟動方式（增加功率walk in功能）：讓每個整流模塊的輸出電流逐步增加，經(jīng)過幾秒到幾十秒的爬坡時間，最后增加到額定輸出電流。通過這種模式設(shè)計，解決了模塊通電啟動瞬間直接滿載輸出的情況，使整個啟動過程緩慢加載，避免了對后級電池過電流充電的風(fēng)險，同時減少柴油發(fā)電機的直接沖擊。該修改只要對模塊出廠前設(shè)計好即可，現(xiàn)場無需再修改設(shè)置。

（2）通過監(jiān)控模塊修改系統(tǒng)啟動時間：目前整流模塊的啟動時間是固定的一個值寫在整流模塊里，可以修改監(jiān)控軟件增加監(jiān)控模塊對整流模塊啟動時間設(shè)置功能。即可以對每套高壓直流系統(tǒng)設(shè)置不同的來電后啟動時間，該啟動時間值會寫入所有整流模塊，模塊來電自啟動后，待延時至預(yù)設(shè)置的時間后，才啟動輸出。根據(jù)現(xiàn)場情況，可以設(shè)置每套不同的啟動時間，錯開每套啟動的時間。該修改需要在現(xiàn)場根據(jù)實際情況進行設(shè)置。

 

修改發(fā)電機整流系統(tǒng)后的啟動波形

 

2、低壓配電系統(tǒng)方面

（1）通過錯開ATS1和ATS2的自動切換時間，避免兩個ATS在同一時刻切換，減少對柴油發(fā)電機的同時大電流沖擊。同時適當(dāng)延長ATS1和ATS2之間的時間間隔，適當(dāng)減少兩者負載增加過程的重疊部分，但間隔不宜過長導(dǎo)致電池過度放電。

（2）在配電方面還可以考慮通過PLC硬件控制電操機構(gòu)，逐個合閘高壓直流系統(tǒng)輸入開關(guān)，避免同時啟動。以案例為例，可以對每套高壓直流的整流屏的輸入開關(guān)換成帶延時功能的接觸器，通過設(shè)置不同的來電合閘時間，也可以實現(xiàn)每套系統(tǒng)分別啟動。

 

二、方案解決及重新帶載測試驗證

 

A、B高壓直流廠家經(jīng)了解情況后，對系統(tǒng)及模塊的運行方式均進行了修改，主要修改了以下幾個方面：

1）修改了每套系統(tǒng)啟動時間，每套錯開數(shù)秒，避免所有系統(tǒng)同時啟動；

2）打開了模塊walk-in功能，使系統(tǒng)內(nèi)每個模塊按每秒一個逐個啟動，避免了同一套系統(tǒng)內(nèi)所有模塊同時啟動；

3）調(diào)整了模塊輸出電壓模式，采用跟蹤直流母線電壓方式，啟動時輸出直流電壓比蓄電池低5V，后續(xù)輸出電壓按1V/秒進行調(diào)壓，避免了系統(tǒng)啟動輸出瞬間產(chǎn)生大電流。修改后的啟動波形如圖15所示。在機房配電側(cè)則延長ATS1和ATS2切換時間間隔至數(shù)十秒。

根據(jù)前面的思路，通過優(yōu)化后重新進行了柴油發(fā)電機帶載切換測試，柴油發(fā)電機采用自動投入模式，柴油發(fā)電機加載過程如圖16所示。從圖中可以看出，柴油發(fā)電機輸出功率不會瞬間突加，帶載過程非常平滑穩(wěn)定電壓無振蕩。和原來未改之前的圖13相比較，沒有了瞬間大電流沖擊的情形，輸出功率增加緩慢爬升，柴油發(fā)電機帶載至約2MW都正常運行。這個啟動過程也和圖14的測試也類似，區(qū)別是當(dāng)時采用的是手動控制每套系統(tǒng)間隔投入，此次是系統(tǒng)自動間隔投入。

我們還可以柴油發(fā)電機每相功率和PF值曲線可以看出，柴油發(fā)電機的啟動過程中的確出現(xiàn)了前面分析的帶容性負載的現(xiàn)象，PF值在-1到+1之間振蕩著。隨著更多高壓直流的投入并帶載（已投入運行的高壓直流PF值達到1），柴油發(fā)電機所帶負載的總PF值也逐步轉(zhuǎn)為正值，最后全部高壓直流負載帶上后柴油發(fā)電機PF值達到1的優(yōu)秀水平。隨著總負載特性由容性轉(zhuǎn)為感性再到阻性，柴油發(fā)電機帶載能力逐步增強，更進一步解決了柴油發(fā)電機帶容性負載問題。

 

三、總結(jié)

 

總結(jié)綜合測試來看，經(jīng)過前面幾項方案調(diào)整優(yōu)化實施后，柴油發(fā)電機可以在停市電后，自動帶滿載正常啟動。從市電停電至切換到柴油發(fā)電機啟動帶上全部載，整個過程時間幾分鐘，而任何一套高壓直流系統(tǒng)滿載蓄電池后備時間按超過15分鐘設(shè)計，總體備份時間風(fēng)險可控。初步總結(jié)：

1）開關(guān)電源類負載，比如高頻模塊化UPS、高壓直流、服務(wù)器PSU等在正常工作時由于有PFC電路，基本呈現(xiàn)阻性負載特性，PF值接近1。但是在市電轉(zhuǎn)柴油發(fā)電機供電的啟動瞬間則呈現(xiàn)很強的容性負載特性，柴油發(fā)電機需要對這些開關(guān)電源內(nèi)部的電容進行充電，易導(dǎo)致柴油發(fā)電機受容性大電流沖擊而被拉跨。

2）典型柴油發(fā)電機帶載特性曲線上看，在容性負載下帶載能力快速回縮，如果直接一步帶容性負載到重載很容易被拉跨，但在低壓柴發(fā)配電架構(gòu)下可采用單電源系統(tǒng)級分時逐個投入，則柴油發(fā)電機啟動成功的概率大大增加。

3）此外，電源系統(tǒng)內(nèi)每個整流模塊輸出功率walk-in功能對電池電流過充，以及柴油發(fā)電機啟動沖擊都有好處，推薦此功能可以作為高壓直流系統(tǒng)的基本配置要求，寫入高壓直流相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，用戶可以根據(jù)實際需要決定是否啟用。

4）如果高壓直流系統(tǒng)級監(jiān)控?zé)o法實現(xiàn)每套電源逐個開機功能，則可以在設(shè)計階段考慮采用在每套系統(tǒng)的輸入端配電開關(guān)增加分時接觸器來進行延時控制。

5）如果在業(yè)務(wù)的重要性等方面有先后，可以采用負載優(yōu)先排列模式，將重要負載優(yōu)先投入，再投入次級優(yōu)先性負載，直到所有負載都全部實現(xiàn)投入。同時建議先加最大的負載(盡量不要超過20%到30%的柴油發(fā)電機容量)，這樣大負載的影響在系統(tǒng)加至重載前，減少對于系統(tǒng)其他負載的影響。卸載過程剛好相反處理。

6)高壓直流系統(tǒng)啟動模式修改后，整體的帶載時間加長，對于延后啟動時間長的系統(tǒng)，對蓄電池的容量性能要求較高，建議做好相關(guān)的精確化維護工作，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

7)發(fā)電機帶容性負載的能力，特別是啟動突加容性負載的能力，是標(biāo)準(zhǔn)忽視的。通常發(fā)電機是按0.8感性負載設(shè)計，但實際很可能帶的是容性負載，因此招標(biāo)或選型時的相關(guān)參數(shù)往往容易被忽視，推薦廠驗和測試驗證階段重點關(guān)注。十、其他解決柴油發(fā)電機帶容性負載的辦法前面簡要介紹了柴油發(fā)電機阻抗特性，集中式中壓柴油發(fā)電機特點和分布式低壓柴油發(fā)電機的差異，結(jié)合某案例對低壓柴油發(fā)電機帶容性負載問題解決過程做了詳細分析。目前國內(nèi)在這方面的研究成果不多，經(jīng)驗也不足，如果能在設(shè)計階段就將這個問題考慮進去，就不會被動陷入后期整改麻煩，這里在最后補充一些提前設(shè)計的可能辦法。

 

四、其他解決柴油發(fā)電機帶容性負載的辦法

 

1、可采用串聯(lián)電抗器(reactor)或者調(diào)相機(synchronous condenser)。

下圖是facebook數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用案例，在列頭柜內(nèi)下部安裝有感性電抗器，用于抵消其市電直供服務(wù)器PSU電源的容性啟動沖擊，對PF和THDi都有一定提升，但帶來了360W的功耗。對于普通用戶，因?qū)ω撦d不清，不太容易設(shè)計實施。

2、或者采用SVG(Static Var Generator)靜止型無功發(fā)生器，或者靜止同步補償器STATCOM(Static Synchronous Compensator)。

傳統(tǒng)的電容補償柜方式不適合于容性負載場合，采用有源濾波器(APFC)和靜止同步補償器(STATCOM)也有成本太高，易故障等不足，目前其他行業(yè)在用的SVG產(chǎn)品在成本和性能方面較為折衷，值得研究跟進。

 

發(fā)電機SVG無功補償裝置

 

3、采用定制walk in功能服務(wù)器電源方案如果市電直供的完全分布式供電架構(gòu)，則可以在服務(wù)器電源內(nèi)部設(shè)置10到15秒功率逐步放開的功率walk in功能，如圖20所示的微軟LES定制PSU電源。減少了ATS切換瞬間對柴油發(fā)電機的滿功率瞬態(tài)沖擊(此過程的IT負載部分由PSU內(nèi)置的電池來承擔(dān))，而且這個功率walk in的電流是靠LES分布式電源可控的逐步放開增加。因此柴油發(fā)電機不會受到滿載瞬態(tài)沖擊帶來的失壓振蕩，同樣在10到15秒內(nèi)逐步帶起全部的負載，保證了ATS切換的可靠性，減少了對柴油發(fā)電機的沖擊振蕩傷害，提高了總系統(tǒng)可靠性。

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