柴油發電機其實不是個理想的電壓源，其內阻遠比市政電力電網的內阻大，隨著柴油發電機機組的額定輸出的功率容量的減少，其內阻增大的矛盾顯得更加突出。當我們用柴油發電機帶電阻性負載時，其影響不易察覺，但如果采用柴油發電機來帶整流濾波型負載（例如：計算機和通訊設備、日光燈、各種可控硅相移調速和調控設備）時，往往會遇到很大的麻煩。其原因是上述非線性負載會向柴油發電機組反射大量的高次諧波電流，比如傳統UPS的5次和11次諧波等對柴油發電機的運行危害較為嚴重，輕則導致柴油發電機帶載異常，重則甚至會損傷到柴油發電機。目前業界為了提高柴油發電機帶非線性負載的成功率通常的辦法是采用容量放大設計，通常的選型放大是1.5-2.0倍，少的也有1.2-1.5倍。
一、降低柴發諧波影響
為了減少諧波對柴油發電機的影響，目前行業通常解決辦法是采用濾波器，比如有采用價格昂貴的有源濾波器，或者采用價格較低的電容補償柜等辦法。
而傳統UPS在不同的負載率下阻抗特性還不一樣，比如在輕載下呈現容性，而在較重載下呈現感性（比如某款UPS產品三相負載分別為7、9、8KW時呈強容性，功率因數為-0.85、-0.87、-0.86；三相負載為12、13、13KW時呈弱感性，功率因數為0.96、0.97、0.95；三相負載為30KW時呈強感性，功率因數為0.92）。
因此在串聯諧振中，柴油發電機很容易在輕載下和容性負載振蕩輸出高電壓而發生保護，所以采用傳統電容補償柜的設計中，輕載下不能投入電容補償柜防止柴油發電機過補償而振蕩保護，而在較重載下才考慮投入電容柜來補償感性負載帶來的諧波。
但是，隨著目前數據中心追求節能高效的發展需求，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，但實際上因為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）。
如果此時仍然采用電容補償柜來補償，那么電容會越并越大，不但不會減少諧波，甚至還惡化了柴油發電機的帶載能力。前面我們介紹了柴油發電機正常帶載情況下的情況，那么在市電停電柴油發電機啟動帶載瞬間又將會發生什么呢？
此時這些高壓直流等開關電源類負載不再處于正常工作狀態，而是處于市電停電柴油發電機啟動帶來的開關電源重新啟動過程（通常幾十毫秒以上停電就會導致開關電源重啟），開關電源重啟過程中基本是電容充電的過程，而這個時候柴油發電機所帶的負載會呈現很強的容性負載特性。負載大電流沖擊很容易直接拉跨柴油發電機，導致柴油發電機帶不起負載，后級開關失壓輸出脫扣，從而電池放電直到設備掉電。
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圖1 輕載下柴油發電機容易和容性負載發生振蕩導致過壓保護 |
二、柴發帶載特性
我們再來看柴油發電機的典型帶載特性曲線，從圖2看，通常柴油發電機帶容性負載能力其實較弱，而且呈快速衰減回縮。因此結合圖1，在輕載模式下，要盡量減少發電機的輸入帶容性負載，當容性負載小于20%時，上升速率較為平穩，在發電機的處理能力之內，如果大于30%，則面臨較大的過電壓的風險。
滿載時，還要考慮功率角避免大于90°，增加容性負載也會增大功率角，減弱系統動態響應特性。目前廠家建議容性負載的百分比盡量要小于20%，當系統沒有較大的負載波動時可考慮適當放大到30%。
那么在市電停電柴油發電機啟動瞬間帶容性很高的開關電源類負載情況下，又如何解決柴油發電機瞬間帶載不保護問題呢？
目前行業的通常做法是選擇瞬態響應能力好的柴油發電機，并對發電機做適當放大選型也許可以部分減輕這一問題的嚴重性。
但是系統的成本難免會增加，而且系統效率將下降，因此不能把所有希望放在這種增加較大投資的大馬拉小車方案上，而且還不能保證可以實現一步直接帶重載成功（數據中心往往要求一步帶重載，特別在低壓柴油發電機應用場合）。因此除了柴油發電機設備本身，我們需要在數據中心配電及IT負載側想些其他辦法。
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圖2 典型柴油發電機的帶載特性曲線 |
三、柴發供配電系統
對于典型的集中式中壓柴油發電機供電架構，其原理是多臺中壓柴油發電機并機成功后再分別和1、2段中壓母線做投切。正常情況下任何一路外電停電，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，但實際上因為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）。
如果此時仍然采用電容補償柜來補償，那么電容會越并越大，不但不會減少諧波，甚至還惡化了柴油發電機的帶載能力。前面我們介紹了柴油發電機正常帶載情況下的情況，那么在市電停電柴油發電機啟動帶載瞬間又將會發生什么呢？
此時這些高壓直流等開關電源類負載不再處于正常工作狀態，而是處于市電停電柴油發電機啟動帶來的開關電源重新啟動過程（通常幾十毫秒以上停電就會導致開關電源重啟），開關電源重啟過程中基本是電容充電的過程，而這個時候柴油發電機所帶的負載會呈現很強的容性負載特性。負載大電流沖擊很容易直接拉跨柴油發電機，導致柴油發電機帶不起負載，后級開關失壓輸出脫扣，從而電池放電直到設備掉電。
由于開關電源的X電容和Y電容是皮法（pF）級充電基本可以忽略，所以實測開關電源啟動會出現如圖3左側的軟啟動電阻沖擊、中間的軟啟動繼電器合閘沖擊，以及右側的負載電流啟動沖擊三個主要沖擊電流。除了開關電源模塊級外，還需向上繼續從電源系統級，ATS切換開關配電級，到整個供電系統級查找分析。
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圖3 柴油發電機開關電源電路拓撲圖 |
四、負載實驗步驟
我們通過了如下步驟，逐個分析查找哪個負載沖擊拉跨了柴油發電機系統：
1、單套高壓直流系統啟動測試
為了查找油機帶載能力不足的問題，我們測試了該項目中柴油發電機所帶不同廠家的兩款高壓直流產品（單套均200KW左右容量）的啟動特性，其中A廠家的高壓直流啟動沖擊電流較大（不帶功率walk in功能），經過一定時間后較大沖擊電流才回縮到正常穩定值。
而B廠家的高壓直流系統啟動沖擊電流則較為平滑（帶有功率walk in功能），逐步緩慢增加到正常穩定值，因此B廠家高壓直流產品的啟動特性會對柴油發電機的啟動沖擊有益，故需要優化A廠家的高壓直流啟動電流，以減少電源系統啟動帶來的柴油發電機負載沖擊。
2、T1、T2所有高壓直流系統空載油機啟動測試
理論上軟啟動電阻和軟啟動繼電器合閘過程中的沖擊電流和開關電源帶載與否關系不大，即不管是否帶載，這個啟動瞬間沖擊電流基本不變。基于此原理，為了排除軟啟動瞬間沖擊這個因素的影響，我們開展了單臺低壓柴油發電機帶全部高壓直流的空載啟動測試，看柴油發電機能否順利帶載。如果可以順利啟動，則說明柴油發電機保護不是受此軟啟動電阻對PFC電容充電和軟啟動繼電器合閘沖擊電流導致關機的。
實際的測試結果，低壓柴油發電機可以順利帶動全部高壓直流系統空載啟動，這結果說明真正影響油機并不是模塊通電瞬間的軟啟動尖峰大電流（兩個沖擊均為毫秒級別），因此確定下來柴油發電機保護原因是由于高壓直流輸出側的負載加載過程導致的。
3、全部高壓直流分兩次加到接近半載情況下，油機帶載正常
我們再繼續將高壓直流帶載增加到50%，并將ATS1和ATS2之間的時間間隔增加十倍，減少同時啟動帶來的沖擊疊加，經測試系統在帶半載情況下柴油發電機可以正常帶載IT負荷。還說明該型號柴油發電機可以單步成功帶上25%以上的T1容性負載，柴發輸出沒振蕩，這有助于確定最小在線容量及加載優先等。
4、全部高壓直流分兩次加載到1.5MW情況下，油機帶載失敗
但是繼續增加T1滿載和T2滿載變壓器所帶高壓直流輸出負載后，柴油發電機可以扛起T2負載，但繼續帶T1負載時被拉跨導致帶載失敗。第一次投入T2所帶負載投入瞬間，油機輸出從230V被拉低至210V（相電壓有效值），電壓降低了約20V，但尚在配電開關的失壓線圈動作門限以上，經2s動態調整后油機電壓恢復正常；滯后數十秒后，第二次投入T1所帶高壓直流負載，投入后，油機電壓立即迅速往下降。由于油機不能在短時間內做出足夠的回調，油機輸出功率沒來得及提高，加上所帶負載全是恒功率開關電源，隨著電壓降低，電流反而必須繼續增大，進入了惡性循環狀態。電流的大幅度上升進一步拉低了油機電壓，電壓跌落至約161V（此時負載電流已經是額定電流的2-3倍），配電開關的失壓線圈動作，導致負載掉電柴油發電機卸載。
5、高壓直流逐臺加載情況下，油機帶載運行穩定
從啟動失敗的波形圖上看，左側T2變壓器負載投入瞬間，T2負載電流啟動較快，柴油發電機電壓有一定跌落，但通過自身AVR動態調節穩定了輸出電壓，但在T1變壓器負載繼續投入瞬間，柴油發電機電壓出現了明顯跌落，低至失壓線圈動作切斷負載開關，負載失壓掉電。說明柴油發電機在帶上T2負載的基礎上，受到更大負載的T1變壓器瞬間大電流沖擊直接拉跨了柴油發電機。那么如果將T1所帶的多臺高壓直流負載逐個分時投入，通過減少瞬時負載沖擊是否可以實現柴油發電機成功帶載呢？于是現場通過人工模擬高壓直流間隔逐套投入，柴油發電機成功帶載到滿載額定功率，油機輸出電壓基本穩定，可以成功帶載，因此找到了實現柴油發電機成功帶載的解決辦法。
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柴油發電機開關電源啟動沖擊電流波形 |
五、初步結論
1、所有高壓直流模塊在上電瞬間均有較大的沖擊電流，但該電流為高壓直流模塊內的軟啟動電阻和軟啟動繼電器合閘引起，和系統是否帶載沒有關系，該電流峰值超過額定電流，但持續時間非常短，約ms級別，經測試，該沖擊電流不會引起油機電壓波動、運行困難，也不會影響油機輸出電壓造成開關失壓線圈動作。
2、從高壓直流側可以看，如果高壓直流模塊及系統增加了功率walk in緩啟功能，則對柴油發電機的帶載啟動沖擊會少很多；如果不加功率walk in功能的話，全部負載同時大電流啟動的容性負載沖擊容易拉跨柴油發電機。
3、從油機突加負載的測試情況看，引起輸出空開跳閘的原因是在油機帶載時。如果突加較重負載，特別是容性類型負載，由于油機的輸出電壓調整能力不足，以及容性負載功率回縮，需調整的時間較長。輸出電壓將被拉低，突然增加的負載越重，瞬間拉低的電壓越多，在恒功率負載作用下，電壓越低，需要的電流進一步加大，呈惡性循環之勢，從而導致配電空開的失壓線圈動作，造成開關跳閘。
4、采用每套高壓直流分時逐個投入的辦法，以及延長ATS1和ATS2時間間隔可以減少全部系統同時啟動對柴油發電機的沖擊疊加，柴油發電機可以成功帶載。
5、傳統的柴發是按感性0.8的功率因數負載來設計的，對單步帶滿載能力多沒有嚴格要求，且對容性負載多沒有相應測試標準規范。隨著數據中心容性負載的不斷增加，在低壓柴發應用場合會帶來更大挑戰，值得深入研究和不斷完善標準。
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