數(shù)據(jù)中心的備用發(fā)電機(jī)組帶超前功率因數(shù)負(fù)載的能力很低，而現(xiàn)代IT設(shè)備是典型的超前功率因數(shù)負(fù)載，產(chǎn)生大量超前無(wú)功功率，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)甚至關(guān)機(jī)。分析IT設(shè)備產(chǎn)生超前無(wú)功功率的根源，詳細(xì)解讀發(fā)電機(jī)容量曲線，說(shuō)明發(fā)電機(jī)吸收超前無(wú)功功率極限，提出解決發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)問(wèn)題的策略和解決方案。
數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電機(jī)組一般是直接為IT設(shè)備供電，而是經(jīng)UPS設(shè)備為IT設(shè)備供電的。雖然UPS一般具有滯后輸入因數(shù)，但是超前功率因數(shù)的IT設(shè)備的影響依然存在。因?yàn)閁PS工作于旁路方式時(shí)，或者UPS 采用經(jīng)濟(jì)模式（Eco mode）時(shí)，超前功率因數(shù)的IT設(shè)備就是備用發(fā)電機(jī)的直接負(fù)載，必然對(duì)發(fā)電機(jī)造成嚴(yán)重不良影響。此外，市電直接為IT設(shè)備供電時(shí)，數(shù)據(jù)中心呈現(xiàn)超前輸入功率因數(shù)，雖然對(duì)市電不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但電力部門(mén)還是要對(duì)此進(jìn)行罰款。因?yàn)閭溆冒l(fā)電機(jī)組允許帶小量的超前功率因數(shù)負(fù)載，當(dāng)數(shù)據(jù)中心負(fù)載較小時(shí)備用發(fā)電機(jī)可能正常運(yùn)行，但當(dāng)IT設(shè)備逐漸增加時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，及時(shí)了解數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行范圍，并在上述問(wèn)題發(fā)生前采取措施是非常重要的。
本文分析IT設(shè)備的功率因數(shù)特性及其對(duì)備用發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的影響，說(shuō)明備用發(fā)動(dòng)機(jī)組不能帶超前功率因數(shù)負(fù)載的機(jī)理，詳細(xì)解讀發(fā)電機(jī)容量曲線，說(shuō)明發(fā)電機(jī)吸收超前無(wú)功功率極限。給出評(píng)價(jià)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電機(jī)組潛在不穩(wěn)定性的方法，以及避免數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電機(jī)組不穩(wěn)定性的策略和具體解決辦法。
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同步發(fā)電機(jī)相量圖 |
功率因數(shù)的概念
功率因數(shù)與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，負(fù)載分為線性負(fù)載和非線性負(fù)載。線性負(fù)載的阻抗是恒定不變的，當(dāng)將正弦波電源電壓加到負(fù)載上時(shí)，負(fù)載電流波形也是正弦波。非線性負(fù)載的阻抗是隨電壓或時(shí)間變化的，當(dāng)加上正弦波電壓時(shí)，負(fù)載電流不是正弦波。
線性負(fù)載又分為電阻負(fù)載、電感負(fù)載和電容負(fù)載。如果電源電壓波形是正弦波，這3種線性負(fù)載電流波形都是正弦波，但相位不同，電阻負(fù)載電流相位與電壓相同，電感負(fù)載電流滯后于電壓90°，電容負(fù)載電流超前電壓90°。因?yàn)殡姼胸?fù)載電流和電容負(fù)載電流的相位與電壓的相位不同，故稱為不同相電流或電抗電流。
實(shí)際負(fù)載大都是電阻-電感性，或電阻-電容性負(fù)載。假設(shè)負(fù)載電流I與電壓U的相位差為φ，則有功功率P=Ulcosq；視在功率S=Ul。
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發(fā)電機(jī)功率因數(shù)角和計(jì)算公式 |
功率因數(shù)PF的定義為有功功率P對(duì)視在功率S的比值，即
PF=P/S=UIcosφ/UI=cosφ.......................（公式1）
功率因數(shù)cosφ是針對(duì)線性負(fù)載的，因?yàn)槭怯呻娏骱碗妷褐g的相移引起的，稱為位移功率因數(shù)。電阻負(fù)載的cosφ等于1。表示電源提供的功率全部是有功功率。電阻-電感性負(fù)載電流滯后于電壓，產(chǎn)生滯后功率因數(shù)。電阻-電容性負(fù)載電流超前于電壓，產(chǎn)生超前功率因數(shù)。
非線性負(fù)載電流波形是含有基波和許多諧波分量的非正弦波。因?yàn)槭剑?）只表示有功功率與基波電流相對(duì)于電壓的相移的關(guān)系，不能準(zhǔn)確地表示有功功率與諧波電流之間的關(guān)系。故式（1）不適用于非線性負(fù)載的功率因數(shù)。
如前所述，電抗電流會(huì)產(chǎn)生位移功率因數(shù)（cosφ），同樣，諧波電流會(huì)產(chǎn)生失真功率因數(shù)（PF失真），兩者都會(huì)使功率因數(shù)下降。根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，總的功率因數(shù)（PF總）即真實(shí)功率因數(shù)（PF真）等于位移功率因數(shù)PF位移和失真功率因數(shù)PF失真的乘積，如式（2）所示。
..............................（公式2）
因?yàn)閏osq不可能大于1，所以
由此可見(jiàn)，假設(shè)非線性負(fù)載的位移功率因數(shù)不是很低，但電流總諧波失真THD.很大，則會(huì)導(dǎo)致總功率因數(shù)變得很低。
例如，假如非線性負(fù)載基波電流和電壓的相角φ=18°（cosφ=0.95），電流總諧波失真THDi=90%，則總功率因數(shù)（PF總）為：
為了限制非線性負(fù)載的諧波電流，需要裝設(shè)有源濾波器、功率因數(shù)校正器、靜態(tài)無(wú)功功率發(fā)生器（SVG）等。
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