柴油發(fā)電機(jī)和UPS 是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中的兩大核心設(shè)備，當(dāng)市電停電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)-UPS 系統(tǒng)將為數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施供電，二者的兼容性直接影響著整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的可用性。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中，UPS 和柴油發(fā)電機(jī)之間卻存在一些不兼容的問(wèn)題。

UPS 容性特性是導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)-UPS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障的重要原因。本文通過(guò)研究 UPS 的容性特性和柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)帶載能力，給出了 UPS容性特性導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)帶載失敗的原因，并提出了考慮 UPS 容性特性時(shí)的柴油發(fā)電機(jī)-UPS 容量配比依據(jù)。

諧波畸變是影響數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)-UPS 系統(tǒng)兼容性的重要因素。通過(guò)分析諧波畸變對(duì)整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)-UPS 系統(tǒng)的影響機(jī)理，本文推導(dǎo)得出了計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)-UPS 系統(tǒng)中總諧波電壓畸變的相關(guān)公式，以及考慮諧波畸變因素時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)與 UPS 之間的容量配比關(guān)系。從而為解決由諧波畸變導(dǎo)致的系統(tǒng)不兼容問(wèn)題提供了方法。

低頻振蕩也是影響柴油發(fā)電機(jī)-UPS 系統(tǒng)兼容性的關(guān)鍵因素。在某些情況下，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)給 UPS 供電時(shí)，在柴油發(fā)電機(jī)和 UPS 的系統(tǒng)接口處會(huì)出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象。

一、數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)及其可用性

數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中最重要的子系統(tǒng)，所有的IT設(shè)備以及基礎(chǔ)設(shè)施中的制冷、管理、安全等子系統(tǒng)都在供電系統(tǒng)的支持下運(yùn)行。保證連續(xù)不間斷的電力供應(yīng)已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)必不可少的功能，目前的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)如圖 1-1 所示，其主要構(gòu)成如下：

（1）備用電源為了保證數(shù)據(jù)中心供電可靠，在重要的數(shù)據(jù)中心都設(shè)置了雙電網(wǎng)供電系統(tǒng)，其中一路市電正常時(shí)由其給負(fù)載供電,另一路市電作為交流備用電源。此外發(fā)電機(jī)組也作為交流備用電源。而當(dāng)兩路市電和發(fā)電機(jī)全部停止供電時(shí)，蓄電池也可作為直流電源給負(fù)載供電。

（2）電源轉(zhuǎn)換設(shè)備供電系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備包含自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、UPS不間斷電源以及靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)。

（3）配電設(shè)備供電系統(tǒng)中的配電設(shè)備主要包括交流輸入配電、UPS輸入配電、負(fù)載機(jī)架排配電（列頭柜）以及機(jī)架配電等。無(wú)論是對(duì)政府部門(mén)、教育機(jī)構(gòu)、還是企業(yè)，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行都非常重要，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)故障會(huì)造成數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器，交換機(jī)等設(shè)備斷電，進(jìn)而引起企業(yè)數(shù)據(jù)中心信息資料的丟失和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的中斷并帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失。

二、當(dāng)前柴油發(fā)電機(jī)和UPS 配合運(yùn)行時(shí)存在的問(wèn)題

當(dāng)市電因意外情況中斷供電時(shí)，UPS 會(huì)自動(dòng)切換到電池模式即UPS整流器停止工作，UPS 逆變器把蓄電池儲(chǔ)存的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電源輸出給 IT 負(fù)載。與此同時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，在柴油發(fā)電機(jī)順利啟動(dòng)之后，即可將 UPS 接入到發(fā)電機(jī)輸出回路，由柴油發(fā)電機(jī)給 UPS 供電，如圖 2-1所示為柴油發(fā)電機(jī)給UPS 供電的結(jié)構(gòu)圖。

圖2-1柴油發(fā)電機(jī)給UPS供電結(jié)構(gòu)圖

然而，在將UPS 接入時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)和 UPS 之間卻存在如下問(wèn)題：

（1）柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形也即 UPS 的輸入電壓波形畸變嚴(yán)重，UPS 整流器無(wú)法正常工作，發(fā)電機(jī)繞組出現(xiàn)劇烈發(fā)熱現(xiàn)象。

（2）當(dāng) UPS 以輕載狀態(tài)接入發(fā)電機(jī)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)電壓突然升高，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)因過(guò)壓保護(hù)和欠勵(lì)磁保護(hù)而停機(jī)。

（3）在 UPS 輸出側(cè)所接負(fù)載不變的情況下，UPS 的輸入電壓、輸入電流及母線電壓均出現(xiàn)振蕩。（本次不做介紹）

三、UPS 容性特性對(duì)兼容性的影響及解決方法

在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)市電給UPS 供電時(shí)，UPS 能夠正常工作，而當(dāng)市電斷開(kāi)并由柴油發(fā)電機(jī)給 UPS 供電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)和 UPS 均出現(xiàn)工作異常的情況。如柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓突然升高，勵(lì)磁丟失，進(jìn)而引起系統(tǒng)因過(guò)壓保護(hù)和欠勵(lì)磁保護(hù)而停機(jī)；并最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心停電宕機(jī)事故。

必須采取有效的措施，避免柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)容性功率過(guò)載現(xiàn)象。為此，在數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)UPS 容量配比設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮 UPS 的容性特性。為避免柴油發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載時(shí)出現(xiàn)過(guò)載，本文提出 2 種方法：

（1）合理設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)與UPS 之間的容量配比關(guān)系

帶濾波器的工頻UPS 在空載時(shí)容性無(wú)功最大，隨著負(fù)載率的上升，輸入容性無(wú)功逐漸減小。高頻 UPS 隨著帶載率的上升，輸入容性無(wú)功功率變化不大。在有功功率為零時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)能夠輸出的容性無(wú)功功率的最大值為S 。設(shè)工頻 UPS的在空載時(shí)的容性無(wú)功功率為 Q 1 ，高頻 UPS 最大的容性無(wú)功功率為 Q 2 ，則在設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)和 UPS 容量配比時(shí)，必須分別滿足條件：

Q1＜S Q2＜S

（2）改變供電系統(tǒng)架構(gòu)

柴油發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載的能力要明顯強(qiáng)于帶容性負(fù)載的能力。有鑒于此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該創(chuàng)造必要的應(yīng)用條件，讓柴油發(fā)電機(jī)后端所接負(fù)載的總輸入功率因數(shù)值處于柴油發(fā)電機(jī)的感性工作區(qū)內(nèi)，盡可能地避免或者減少使得它的后端所接負(fù)載的總輸入功率因數(shù)處于容性工作區(qū)的幾率，這樣的設(shè)計(jì)策略也可以解決由UPS 容性而導(dǎo)致的系統(tǒng)不兼容問(wèn)題。

在各方面條件允許的情況下，應(yīng)該改變柴油發(fā)電機(jī)只給UPS供電的供電系統(tǒng)架構(gòu)，而應(yīng)該采用讓柴油發(fā)電機(jī)給數(shù)據(jù)中心的一些感性負(fù)載如空調(diào)、風(fēng)機(jī)等一起供電的方式。從而使得柴油發(fā)電機(jī)后端所接負(fù)載的總輸入功率特性曲線進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)的感性工作區(qū)，其原理如圖3-1所示。

3-1供電系統(tǒng)架構(gòu)改變負(fù)載輸入功率特性原理圖

四、諧波畸變對(duì)兼容性的影響及解決方法

諧波畸變是影響數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)和UPS 兼容性的重要原因，當(dāng)供電系統(tǒng)中的 UPS 諧波電流過(guò)大時(shí)，經(jīng)常會(huì)引起柴油發(fā)電機(jī)-UPS系統(tǒng)工作異常，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓發(fā)生畸變，電樞繞組發(fā)熱嚴(yán)重，以及 UPS 整流器異常關(guān)機(jī)等故障。

（一）工頻UPS 輸入電流諧波特性分析

如圖4-1 所示為典型的工頻 6 脈沖 UPS 的主電路拓?fù)鋱D，其主要由輸入整流電路、輸出逆變電路、輸出濾波電路所組成。在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，前端的三相全橋晶閘管整流裝置，中間的高頻逆變裝置，以及后端的輸出變壓器均可以引起系統(tǒng)中諧波電流畸變。但在整個(gè)系統(tǒng)中，由前端晶閘管整流器所引起的諧波畸變遠(yuǎn)高于后者，所以通常認(rèn)為，由前者產(chǎn)生諧波電流是引起工頻 UPS 輸入電流諧波畸變的最主要的原因。

圖4-1工頻六脈沖UPS主電路拓?fù)鋱D

由于晶閘管屬于半控器件，即只能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷，故采用晶閘管整流器的工頻UPS 只能對(duì)母線電壓進(jìn)行控制，而不能對(duì)輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此導(dǎo)致了工頻晶閘管整流電路輸入電流存在較高的諧波電流成分。

工頻十二脈沖UPS 原理與工頻六脈沖 UPS 相同，只不過(guò)其整流器由兩個(gè)六脈沖工頻晶閘管整流器并聯(lián)工作，構(gòu)成了十二脈沖整流器,且在整流器前端增加了三相三繞組變壓器。

（二）高頻UPS 輸入電流諧波特性分析

對(duì)于高頻UPS 而言，其輸入整流器通常為三相 Boost 型 PWM 整流器。如圖 4-2 所示為高頻 UPS 主電路結(jié)構(gòu)，由于三相 PWM 整流器采用基于 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的矢量控策略，即把三相 PWM 整流器的交流輸入電流分解為直軸電流 i d 和交軸電流 i q 分別進(jìn)行控制，并且通?？刂平惠S電流 i q 為 0，以實(shí)現(xiàn)輸入電流能夠完全跟蹤輸入電壓，并獲得較高的功率因數(shù)。從而使得三相PWM 整流器輸入電流通常比較平滑，輸入電流波形接近正弦波，輸入電流諧波含量較低 。因此，采用三相 PWM 整流器的高頻 UPS 輸入電流波形質(zhì)量通常較好,當(dāng)其接入柴油發(fā)電機(jī)輸出回路，由柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)，其輸入電流諧波畸變對(duì)柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓波形畸變的影響較小。

圖4-2高頻UPS主電路拓?fù)鋱D

為避免因UPS 諧波電流畸變而導(dǎo)致的柴油發(fā)電機(jī)-UPS 系統(tǒng)不能正常工作，在設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)機(jī)和 UPS 的容量配比關(guān)系時(shí)必須考慮 UPS 的諧波電流畸變因素，才能保證柴油發(fā)電機(jī) UPS 系統(tǒng)之間的兼容性。對(duì)于 UPS 來(lái)說(shuō)，采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其輸入諧波電流含量各不相同，如表 4-3 所示，且通常存在如下關(guān)系：6 脈沖整流（不帶濾波器）>12 脈沖整流(不帶濾波器)>6 脈沖整流(帶濾波器)>12 脈沖整流(帶濾波器)≈高頻整流。

表4-3 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) UPS 滿載時(shí)輸入諧波電流畸變率典型值

（3）UPS與發(fā)電機(jī)的容量搭配（經(jīng)驗(yàn)表）

因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗要比電網(wǎng)的阻抗大很多，因此當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)給UPS 供電時(shí)，系統(tǒng)中的諧波電流畸變疊加在發(fā)電機(jī)輸出阻抗上而引起柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓產(chǎn)生較大的諧波畸變，從而影響 UPS 整流器和發(fā)電機(jī) AVR 的正常工作。所以，諧波電流畸變也應(yīng)該是設(shè)計(jì)容量配比時(shí)需要考慮到因素，必須保證在此容量配比下柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓畸變不超過(guò)柴油發(fā)電機(jī)-UPS 系統(tǒng)正常工作允許的最大 THDU 值，柴油發(fā)電機(jī)容量才能滿足要求。

綜上所述，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)與UPS 兼容性問(wèn)題的討論，本文得出了數(shù)據(jù)中心油機(jī)-UPS 容量配比選型的依據(jù)。

審核編輯：湯梓紅