數據中心的備用發(fā)電機組帶超前功率因數負載的能力很低，而現代IT設備是典型的超前功率因數負載，產(chǎn)生大量超前無(wú)功功率，可能導致發(fā)電機組運行不穩甚至關(guān)機。分析IT設備產(chǎn)生超前無(wú)功功率的根源，詳細解讀發(fā)電機容量曲線(xiàn)，說(shuō)明發(fā)電機吸收超前無(wú)功功率極限，提出解決發(fā)電機運行不穩問(wèn)題的策略和解決方案。
數據中心備用發(fā)電機組一般是直接為IT設備供電，而是經(jīng)UPS設備為IT設備供電的。雖然UPS一般具有滯后輸入因數，但是超前功率因數的IT設備的影響依然存在。因為UPS工作于旁路方式時(shí)，或者UPS 采用經(jīng)濟模式（Eco mode）時(shí)，超前功率因數的IT設備就是備用發(fā)電機的直接負載，必然對發(fā)電機造成嚴重不良影響。此外，市電直接為IT設備供電時(shí)，數據中心呈現超前輸入功率因數，雖然對市電不會(huì )產(chǎn)生嚴重影響，但電力部門(mén)還是要對此進(jìn)行罰款。因為備用發(fā)電機組允許帶小量的超前功率因數負載，當數據中心負載較小時(shí)備用發(fā)電機可能正常運行，但當IT設備逐漸增加時(shí)，就會(huì )出現問(wèn)題。因此，及時(shí)了解數據中心備用發(fā)電機組的安全運行范圍，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設備的功率因數特性及其對備用發(fā)電機組運行的影響，說(shuō)明備用發(fā)動(dòng)機組不能帶超前功率因數負載的機理，詳細解讀發(fā)電機容量曲線(xiàn)，說(shuō)明發(fā)電機吸收超前無(wú)功功率極限。給出評價(jià)現有數據中心備用發(fā)電機組潛在不穩定性的方法，以及避免數據中心備用發(fā)電機組不穩定性的策略和具體解決辦法。
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同步發(fā)電機相量圖 |
功率因數的概念
功率因數與負載性質(zhì)有關(guān)，負載分為線(xiàn)性負載和非線(xiàn)性負載。線(xiàn)性負載的阻抗是恒定不變的，當將正弦波電源電壓加到負載上時(shí)，負載電流波形也是正弦波。非線(xiàn)性負載的阻抗是隨電壓或時(shí)間變化的，當加上正弦波電壓時(shí)，負載電流不是正弦波。
線(xiàn)性負載又分為電阻負載、電感負載和電容負載。如果電源電壓波形是正弦波，這3種線(xiàn)性負載電流波形都是正弦波，但相位不同，電阻負載電流相位與電壓相同，電感負載電流滯后于電壓90°，電容負載電流超前電壓90°。因為電感負載電流和電容負載電流的相位與電壓的相位不同，故稱(chēng)為不同相電流或電抗電流。
實(shí)際負載大都是電阻-電感性，或電阻-電容性負載。假設負載電流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)電機功率因數角和計算公式 |
功率因數PF的定義為有功功率P對視在功率S的比值，即
PF=P/S=UIcosφ/UI=cosφ.......................（公式1）
功率因數cosφ是針對線(xiàn)性負載的，因為是由電流和電壓之間的相移引起的，稱(chēng)為位移功率因數。電阻負載的cosφ等于1。表示電源提供的功率全部是有功功率。電阻-電感性負載電流滯后于電壓，產(chǎn)生滯后功率因數。電阻-電容性負載電流超前于電壓，產(chǎn)生超前功率因數。
非線(xiàn)性負載電流波形是含有基波和許多諧波分量的非正弦波。因為式（1）只表示有功功率與基波電流相對于電壓的相移的關(guān)系，不能準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(xiàn)性負載的功率因數。
如前所述，電抗電流會(huì )產(chǎn)生位移功率因數（cosφ），同樣，諧波電流會(huì )產(chǎn)生失真功率因數（PF失真），兩者都會(huì )使功率因數下降。根據數學(xué)推導，總的功率因數（PF總）即真實(shí)功率因數（PF真）等于位移功率因數PF位移和失真功率因數PF失真的乘積，如式（2）所示。
..............................（公式2）
因為cosq不可能大于1，所以
由此可見(jiàn)，假設非線(xiàn)性負載的位移功率因數不是很低，但電流總諧波失真THD.很大，則會(huì )導致總功率因數變得很低。
例如，假如非線(xiàn)性負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（PF總）為：
為了限制非線(xiàn)性負載的諧波電流，需要裝設有源濾波器、功率因數校正器、靜態(tài)無(wú)功功率發(fā)生器（SVG）等。
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