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如何提高發電機組帶容性負載能力？
來源：www.skujabraden.com 發布時間：2021/8/16 13:59:45
為了實現數據中心的節能高效，越來越多的高頻模塊化UPS、高壓直流、48V通信電源，甚至市電直供服務器的PSU電源等開關電源類負載會直接掛在柴油發電機組輸出上。
理論上這些高頻開關電源類負載通常帶有功率因數校正電路，50%以上負載率情況下可以實現很高的功率因數和很小的諧波。
實際上因為2N的配置或者冗余的需求，在負載率不高情況下也會呈現一定的容性阻抗特性（比如典型服務器電源實測工作時PF值為-0.92）。帶容性負載能力強的發電機組將是項目備用電源建設的重要組成。
一、容性負載的影響
1、容性負載對發電機的影響
當發電機帶上容性負載時，通常會發生直軸增磁和交軸電樞反應兩種情況。直流增磁會導致發電機電壓升高，電壓不穩將會引起發電機組停機；而交軸電樞反應由于諧波的影響將增大發電機輻射熱量，提高發電機溫度，損壞發電機絕緣，降低發電機帶載能力（即通常所說的降載運行）。并可能觸發逆無功保護停機。
2、容性負載對調壓器的影響
如果發電機接上容性負載，容性的定子電流就會起到“助磁作用”，負荷越大，定子感應電勢及端電壓越高。要維持端電壓就要減小勵磁電流，直到勵磁電流為零時，仍不能調整發電機電壓，因此出現了電壓升高或電壓不穩的現象。并可能觸發失磁（欠勵）保護停機。
二、卡特彼勒3516E HV發電機帶容性負載能力介紹
卡特彼勒3516E HV主用2200KW發電機組發電機帶容性負載能力
根據以上發電機性能曲線可知：
1、 發電機在功率因數超前0.91時能在額定容量下運行。超前值小于0.91后發電機帶負載能力將下降；
2、 發電機組在功率因數超前0.88時能在額定功率下運行，超前值小于0.88后，發電機組帶負載能力將下降；
3、 發電機帶負載能力開始下降后，其帶載能力急劇下降；
4、 發電機最少可帶30%（額定容量）超前無功。
三、如何改善數據中心發電機組帶容性負載能力？
根據以上分析可知，提高發電機組帶容性負載能力可以從兩個方面進行：
提高發電機帶容性負載的能力；
對負載進行改造，使容性負載的超前功率因數變大。
1、提高發電機組帶容性負載能力
根據容性負載對發電機和調壓器產生的影響，我們可以從以下幾個方面來提高發電機組帶容性負載能力：
1.1 容量放大設計
對于同功率發電機組，發電機容量越大，其帶容性負載能力將更強。由于數據中心項目中容性負載存在，因此在選擇數據中心發電機組時，發電機容量將會是非常重要的參數之一。
注：發電機容量參數與發電機溫升息息相關，只有在相同溫升條件下比較發電機容量才有意義。不同溫升情況下將不能比較發電機容量的大小。
1.2 加強發電機散熱
一方面，從安裝和應用角度，在安裝發電機組時，保障充分的冷空氣冷卻發電機；另一方面，從發電機設計和生產的角度，發電機應通過提高空氣冷卻發電機散熱效率的通風結構和方法，使冷卻空氣從發電機的若干個進風口進入定子和轉子之間的氣隙，再經過由鐵芯與繞組的間隙形成的通風道,進入導流板與鐵芯背面之間形成的扁平流道，之后流入發電機內部空腔，再經由出風口流出。
冷卻空氣通過扁平流道時,能以較高速度橫掠鐵芯背面，從而加強了鐵芯背面的散熱,有效降低了鐵芯和繞組的溫度。使用導熱性良好的材料制成導流板,并增大了散熱面積，有效提升了散熱的效果。
1.3 智能式電壓調壓器
發電機在帶容性負載時，容性負載將會產生勵磁電流，容性負載越大，超前功率因數越小，其產生助磁電流越大。
即使在調壓器給出的勵磁電流為0時，發電機勵磁電流都足夠大，此時調壓器失去了調壓的功能，發電機電壓將上下波動，不受控制。因此智能式電壓調壓器將能優化發電機的調壓功能，并加強發電機的帶容性負載能力。
1.4 PM永磁勵磁機
永磁勵磁機將減小容性負載對勵磁電流和調壓的影響，從而加強發電機帶容性負載能力。
1.5、發電機組控制系統
由于數據中心備用電源的可靠性是非常重要的，為了提高發電機組的可靠性，避免因為逆無功保護或失磁保護停機，將控制系統中的逆無功保護或失磁保護設定為警報，而取消停機保護的功能。保證發電機組即使在逆無功或失磁情況下也不會出現停機現象。保證數據中心系統備用電源的可靠性。
2、負載改造
通過無功補償方案來調節容性負載功率因數，使之向功率因數1靠近。功率因數的提高，將大大提升發電機組帶載能力。
2.1 采用串聯電抗器（reactor）或者調相機（synchronous condenser）
在列頭柜內下部安裝有感性電抗器，用于抵消其市電直供服務器PSU電源的容性啟動沖擊，對PF和THDi都有一定提升。
2.2 采用SVG（Static Var Generator）靜止型無功發生器
傳統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，目前其他行業在用的SVG產品在成本和性能方面較為折中。
由于數據中心的不可斷電的要求，備用電源柴油發電機組配置至關重要。雖然中國的市電可靠性頗高，但各種自然災害或人為災難是不可控的，柴油發電機組也是不可或缺的。
根據數據中心容性負載特征，為了提高柴油發電機組的可靠性，本文對發電機帶容性負載能力進行了分析和研究，希望對廣大數據中心項目柴油發電機組的選型能提供幫助。也歡迎廣大用戶對容性負載方面的議題進行垂詢和交流。
理論上這些高頻開關電源類負載通常帶有功率因數校正電路，50%以上負載率情況下可以實現很高的功率因數和很小的諧波。
實際上因為2N的配置或者冗余的需求，在負載率不高情況下也會呈現一定的容性阻抗特性（比如典型服務器電源實測工作時PF值為-0.92）。帶容性負載能力強的發電機組將是項目備用電源建設的重要組成。
一、容性負載的影響
1、容性負載對發電機的影響
當發電機帶上容性負載時，通常會發生直軸增磁和交軸電樞反應兩種情況。直流增磁會導致發電機電壓升高，電壓不穩將會引起發電機組停機；而交軸電樞反應由于諧波的影響將增大發電機輻射熱量，提高發電機溫度，損壞發電機絕緣，降低發電機帶載能力（即通常所說的降載運行）。并可能觸發逆無功保護停機。
2、容性負載對調壓器的影響
如果發電機接上容性負載，容性的定子電流就會起到“助磁作用”，負荷越大，定子感應電勢及端電壓越高。要維持端電壓就要減小勵磁電流，直到勵磁電流為零時，仍不能調整發電機電壓，因此出現了電壓升高或電壓不穩的現象。并可能觸發失磁（欠勵）保護停機。
二、卡特彼勒3516E HV發電機帶容性負載能力介紹
卡特彼勒3516E HV主用2200KW發電機組發電機帶容性負載能力
根據以上發電機性能曲線可知：
1、 發電機在功率因數超前0.91時能在額定容量下運行。超前值小于0.91后發電機帶負載能力將下降；
2、 發電機組在功率因數超前0.88時能在額定功率下運行，超前值小于0.88后，發電機組帶負載能力將下降；
3、 發電機帶負載能力開始下降后，其帶載能力急劇下降；
4、 發電機最少可帶30%（額定容量）超前無功。
三、如何改善數據中心發電機組帶容性負載能力？
根據以上分析可知，提高發電機組帶容性負載能力可以從兩個方面進行：
提高發電機帶容性負載的能力；
對負載進行改造，使容性負載的超前功率因數變大。
1、提高發電機組帶容性負載能力
根據容性負載對發電機和調壓器產生的影響，我們可以從以下幾個方面來提高發電機組帶容性負載能力：
1.1 容量放大設計
對于同功率發電機組，發電機容量越大，其帶容性負載能力將更強。由于數據中心項目中容性負載存在，因此在選擇數據中心發電機組時，發電機容量將會是非常重要的參數之一。
注：發電機容量參數與發電機溫升息息相關，只有在相同溫升條件下比較發電機容量才有意義。不同溫升情況下將不能比較發電機容量的大小。
1.2 加強發電機散熱
一方面，從安裝和應用角度，在安裝發電機組時，保障充分的冷空氣冷卻發電機；另一方面，從發電機設計和生產的角度，發電機應通過提高空氣冷卻發電機散熱效率的通風結構和方法，使冷卻空氣從發電機的若干個進風口進入定子和轉子之間的氣隙，再經過由鐵芯與繞組的間隙形成的通風道,進入導流板與鐵芯背面之間形成的扁平流道，之后流入發電機內部空腔，再經由出風口流出。
冷卻空氣通過扁平流道時,能以較高速度橫掠鐵芯背面，從而加強了鐵芯背面的散熱,有效降低了鐵芯和繞組的溫度。使用導熱性良好的材料制成導流板,并增大了散熱面積，有效提升了散熱的效果。
1.3 智能式電壓調壓器
發電機在帶容性負載時，容性負載將會產生勵磁電流，容性負載越大，超前功率因數越小，其產生助磁電流越大。
即使在調壓器給出的勵磁電流為0時，發電機勵磁電流都足夠大，此時調壓器失去了調壓的功能，發電機電壓將上下波動，不受控制。因此智能式電壓調壓器將能優化發電機的調壓功能，并加強發電機的帶容性負載能力。
1.4 PM永磁勵磁機
永磁勵磁機將減小容性負載對勵磁電流和調壓的影響，從而加強發電機帶容性負載能力。
1.5、發電機組控制系統
由于數據中心備用電源的可靠性是非常重要的，為了提高發電機組的可靠性，避免因為逆無功保護或失磁保護停機，將控制系統中的逆無功保護或失磁保護設定為警報，而取消停機保護的功能。保證發電機組即使在逆無功或失磁情況下也不會出現停機現象。保證數據中心系統備用電源的可靠性。
2、負載改造
通過無功補償方案來調節容性負載功率因數，使之向功率因數1靠近。功率因數的提高，將大大提升發電機組帶載能力。
2.1 采用串聯電抗器（reactor）或者調相機（synchronous condenser）
在列頭柜內下部安裝有感性電抗器，用于抵消其市電直供服務器PSU電源的容性啟動沖擊，對PF和THDi都有一定提升。
2.2 采用SVG（Static Var Generator）靜止型無功發生器
傳統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，目前其他行業在用的SVG產品在成本和性能方面較為折中。
由于數據中心的不可斷電的要求，備用電源柴油發電機組配置至關重要。雖然中國的市電可靠性頗高，但各種自然災害或人為災難是不可控的，柴油發電機組也是不可或缺的。
根據數據中心容性負載特征，為了提高柴油發電機組的可靠性，本文對發電機帶容性負載能力進行了分析和研究，希望對廣大數據中心項目柴油發電機組的選型能提供幫助。也歡迎廣大用戶對容性負載方面的議題進行垂詢和交流。
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