柴油發(fā)電機(jī)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(jī)成功帶載的測試看，只要錯(cuò)開每套高壓直流的啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)優(yōu)化高壓直流的功率walk in緩啟動(dòng)特性，延長ATS1和ATS2投切開關(guān)之間的間隔時(shí)間，避免柴油發(fā)電機(jī)帶載啟動(dòng)過程的所有高壓直流系統(tǒng)同時(shí)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(gè)方面進(jìn)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(dòng)方式（增加功率walk in功能）：讓每個(gè)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(shí)間，最后增加到額定輸出電流。通過這種模式設(shè)計(jì)，解決了模塊通電啟動(dòng)瞬間直接滿載輸出的情況，使整個(gè)啟動(dòng)過程緩慢加載，避免了對(duì)后級(jí)電池過電流充電的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少柴油發(fā)電機(jī)的直接沖擊。該修改只要對(duì)模塊出廠前設(shè)計(jì)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(dòng)時(shí)間：目前整流模塊的啟動(dòng)時(shí)間是固定的一個(gè)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(duì)整流模塊啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置功能。即可以對(duì)每套高壓直流系統(tǒng)設(shè)置不同的來電后啟動(dòng)時(shí)間，該啟動(dòng)時(shí)間值會(huì)寫入所有整流模塊，模塊來電自啟動(dòng)后，待延時(shí)至預(yù)設(shè)置的時(shí)間后，才啟動(dòng)輸出。根據(jù)現(xiàn)場情況，可以設(shè)置每套不同的啟動(dòng)時(shí)間，錯(cuò)開每套啟動(dòng)的時(shí)間。該修改需要在現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

 

修改發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)后的啟動(dòng)波形

 

2、低壓配電系統(tǒng)方面

（1）通過錯(cuò)開ATS1和ATS2的自動(dòng)切換時(shí)間，避免兩個(gè)ATS在同一時(shí)刻切換，減少對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的同時(shí)大電流沖擊。同時(shí)適當(dāng)延長ATS1和ATS2之間的時(shí)間間隔，適當(dāng)減少兩者負(fù)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(jī)構(gòu)，逐個(gè)合閘高壓直流系統(tǒng)輸入開關(guān)，避免同時(shí)啟動(dòng)。以案例為例，可以對(duì)每套高壓直流的整流屏的輸入開關(guān)換成帶延時(shí)功能的接觸器，通過設(shè)置不同的來電合閘時(shí)間，也可以實(shí)現(xiàn)每套系統(tǒng)分別啟動(dòng)。

 

二、方案解決及重新帶載測試驗(yàn)證

 

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

1）修改了每套系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，每套錯(cuò)開數(shù)秒，避免所有系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)；

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

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(dòng)時(shí)輸出直流電壓比蓄電池低5V，后續(xù)輸出電壓按1V/秒進(jìn)行調(diào)壓，避免了系統(tǒng)啟動(dòng)輸出瞬間產(chǎn)生大電流。修改后的啟動(dòng)波形如圖15所示。在機(jī)房配電側(cè)則延長ATS1和ATS2切換時(shí)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(jìn)行了柴油發(fā)電機(jī)帶載切換測試，柴油發(fā)電機(jī)采用自動(dòng)投入模式，柴油發(fā)電機(jī)加載過程如圖16所示。從圖中可以看出，柴油發(fā)電機(jī)輸出功率不會(huì)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(jī)帶載至約2MW都正常運(yùn)行。這個(gè)啟動(dòng)過程也和圖14的測試也類似，區(qū)別是當(dāng)時(shí)采用的是手動(dòng)控制每套系統(tǒng)間隔投入，此次是系統(tǒng)自動(dòng)間隔投入。

我們還可以柴油發(fā)電機(jī)每相功率和PF值曲線可以看出，柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)過程中的確出現(xiàn)了前面分析的帶容性負(fù)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(yùn)行的高壓直流PF值達(dá)到1），柴油發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載的總PF值也逐步轉(zhuǎn)為正值，最后全部高壓直流負(fù)載帶上后柴油發(fā)電機(jī)PF值達(dá)到1的優(yōu)秀水平。隨著總負(fù)載特性由容性轉(zhuǎn)為感性再到阻性，柴油發(fā)電機(jī)帶載能力逐步增強(qiáng)，更進(jìn)一步解決了柴油發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載問題。

 

三、總結(jié)

 

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

1）開關(guān)電源類負(fù)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(shí)由于有PFC電路，基本呈現(xiàn)阻性負(fù)載特性，PF值接近1。但是在市電轉(zhuǎn)柴油發(fā)電機(jī)供電的啟動(dòng)瞬間則呈現(xiàn)很強(qiáng)的容性負(fù)載特性，柴油發(fā)電機(jī)需要對(duì)這些開關(guān)電源內(nèi)部的電容進(jìn)行充電，易導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)受容性大電流沖擊而被拉跨。

2）典型柴油發(fā)電機(jī)帶載特性曲線上看，在容性負(fù)載下帶載能力快速回縮，如果直接一步帶容性負(fù)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(jí)分時(shí)逐個(gè)投入，則柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)成功的概率大大增加。

3）此外，電源系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)整流模塊輸出功率walk-in功能對(duì)電池電流過充，以及柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)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(shí)際需要決定是否啟用。

4）如果高壓直流系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控?zé)o法實(shí)現(xiàn)每套電源逐個(gè)開機(jī)功能，則可以在設(shè)計(jì)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(shí)接觸器來進(jìn)行延時(shí)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(fù)載優(yōu)先排列模式，將重要負(fù)載優(yōu)先投入，再投入次級(jí)優(yōu)先性負(fù)載，直到所有負(fù)載都全部實(shí)現(xiàn)投入。同時(shí)建議先加最大的負(fù)載(盡量不要超過20%到30%的柴油發(fā)電機(jī)容量)，這樣大負(fù)載的影響在系統(tǒng)加至重載前，減少對(duì)于系統(tǒng)其他負(fù)載的影響。卸載過程剛好相反處理。

6)高壓直流系統(tǒng)啟動(dòng)模式修改后，整體的帶載時(shí)間加長，對(duì)于延后啟動(dòng)時(shí)間長的系統(tǒng)，對(duì)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(hù)工作，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

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

 

四、其他解決柴油發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載的辦法

 

1、可采用串聯(lián)電抗器(reactor)或者調(diào)相機(jī)(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(dòng)沖擊，對(duì)PF和THDi都有一定提升，但帶來了360W的功耗。對(duì)于普通用戶，因?qū)ω?fù)載不清，不太容易設(shè)計(jì)實(shí)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(bǔ)償器STATCOM(Static Synchronous Compensator)。

傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償柜方式不適合于容性負(fù)載場合，采用有源濾波器(APFC)和靜止同步補(bǔ)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(jìn)。

 

發(fā)電機(jī)SVG無功補(bǔ)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(duì)柴油發(fā)電機(jī)的滿功率瞬態(tài)沖擊(此過程的IT負(fù)載部分由PSU內(nèi)置的電池來承擔(dān))，而且這個(gè)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(jī)不會(huì)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(fù)載，保證了ATS切換的可靠性，減少了對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的沖擊振蕩傷害，提高了總系統(tǒng)可靠性。

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