柴油發(fā)電機和UPS 是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中的兩大核心設備，當市電停電時，柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)將為數(shù)據(jù)中心的基礎設施供電，二者的兼容性直接影響著整個數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的可用性。然而，當前國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中，UPS 和柴油發(fā)電機之間卻存在一些不兼容的問題。

UPS 容性特性是導致數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障的重要原因。本文通過研究 UPS 的容性特性和柴油發(fā)電機穩(wěn)態(tài)帶載能力，給出了 UPS容性特性導致柴油發(fā)電機帶載失敗的原因，并提出了考慮 UPS 容性特性時的柴油發(fā)電機-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-UPS 系統(tǒng)兼容性的重要因素。通過分析諧波畸變對整個柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)的影響機理，本文推導得出了計算柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)中總諧波電壓畸變的相關公式，以及考慮諧波畸變因素時，柴油發(fā)電機與 UPS 之間的容量配比關系。從而為解決由諧波畸變導致的系統(tǒng)不兼容問題提供了方法。

低頻振蕩也是影響柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)兼容性的關鍵因素。在某些情況下，當柴油發(fā)電機給 UPS 供電時，在柴油發(fā)電機和 UPS 的系統(tǒng)接口處會出現(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)中心基礎設施中最重要的子系統(tǒng)，所有的IT設備以及基礎設施中的制冷、管理、安全等子系統(tǒng)都在供電系統(tǒng)的支持下運行。保證連續(xù)不間斷的電力供應已經(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)中心都設置了雙電網(wǎng)供電系統(tǒng)，其中一路市電正常時由其給負載供電,另一路市電作為交流備用電源。此外發(fā)電機組也作為交流備用電源。而當兩路市電和發(fā)電機全部停止供電時，蓄電池也可作為直流電源給負載供電。

（2）電源轉換設備供電系統(tǒng)中的電源轉換設備包含自動轉換開關、UPS不間斷電源以及靜態(tài)旁路開關。

（3）配電設備供電系統(tǒng)中的配電設備主要包括交流輸入配電、UPS輸入配電、負載機架排配電（列頭柜）以及機架配電等。無論是對政府部門、教育機構、還是企業(yè)，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行都非常重要，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)故障會造成數(shù)據(jù)中心的服務器，交換機等設備斷電，進而引起企業(yè)數(shù)據(jù)中心信息資料的丟失和數(shù)據(jù)業(yè)務的中斷并帶來重大的經(jīng)濟損失。

二、當前柴油發(fā)電機和UPS 配合運行時存在的問題

當市電因意外情況中斷供電時，UPS 會自動切換到電池模式即UPS整流器停止工作，UPS 逆變器把蓄電池儲存的直流電能轉換為交流電源輸出給 IT 負載。與此同時，柴油發(fā)電機開始啟動，在柴油發(fā)電機順利啟動之后，即可將 UPS 接入到發(fā)電機輸出回路，由柴油發(fā)電機給 UPS 供電，如圖 2-1所示為柴油發(fā)電機給UPS 供電的結構圖。

圖2-1柴油發(fā)電機給UPS供電結構圖

然而，在將UPS 接入時，柴油發(fā)電機和 UPS 之間卻存在如下問題：

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

（2）當 UPS 以輕載狀態(tài)接入發(fā)電機時，柴油發(fā)電機電壓突然升高，并最終導致系統(tǒng)因過壓保護和欠勵磁保護而停機。

（3）在 UPS 輸出側所接負載不變的情況下，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)常會出現(xiàn)市電給UPS 供電時，UPS 能夠正常工作，而當市電斷開并由柴油發(fā)電機給 UPS 供電時，柴油發(fā)電機和 UPS 均出現(xiàn)工作異常的情況。如柴油發(fā)電機輸出電壓突然升高，勵磁丟失，進而引起系統(tǒng)因過壓保護和欠勵磁保護而停機；并最終導致數(shù)據(jù)中心停電宕機事故。

必須采取有效的措施，避免柴油發(fā)電機出現(xiàn)容性功率過載現(xiàn)象。為此，在數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機UPS 容量配比設計時必須考慮 UPS 的容性特性。為避免柴油發(fā)電機帶容性負載時出現(xiàn)過載，本文提出 2 種方法：

（1）合理設計柴油發(fā)電機與UPS 之間的容量配比關系

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

Q1＜S Q2＜S

（2）改變供電系統(tǒng)架構

柴油發(fā)電機帶感性負載的能力要明顯強于帶容性負載的能力。有鑒于此，在進行數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設計時，應該創(chuàng)造必要的應用條件，讓柴油發(fā)電機后端所接負載的總輸入功率因數(shù)值處于柴油發(fā)電機的感性工作區(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，這樣的設計策略也可以解決由UPS 容性而導致的系統(tǒng)不兼容問題。

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

3-1供電系統(tǒng)架構改變負載輸入功率特性原理圖

四、諧波畸變對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)電機和UPS 兼容性的重要原因，當供電系統(tǒng)中的 UPS 諧波電流過大時，經(jīng)常會引起柴油發(fā)電機-UPS系統(tǒng)工作異常，導致柴油發(fā)電機輸出電壓發(fā)生畸變，電樞繞組發(fā)熱嚴重，以及 UPS 整流器異常關機等故障。

（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 的主電路拓撲圖，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。在整個系統(tǒng)結構中，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。但在整個系統(tǒng)中，由前端晶閘管整流器所引起的諧波畸變遠高于后者，所以通常認為，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主電路拓撲圖

由于晶閘管屬于半控器件，即只能控制其開通，不能控制其關斷，故采用晶閘管整流器的工頻UPS 只能對母線電壓進行控制，而不能對輸入電流進行調節(jié)，因此導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，只不過其整流器由兩個六脈沖工頻晶閘管整流器并聯(lián)工作，構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 主電路結構，由于三相 PWM 整流器采用基于 dq旋轉坐標系的矢量控策略，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 分別進行控制，并且通?？刂平惠S電流 i q 為 0，以實現(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 輸入電流波形質量通常較好,當其接入柴油發(fā)電機輸出回路，由柴油發(fā)電機供電時，其輸入電流諧波畸變對柴油發(fā)電機輸出電壓波形畸變的影響較小。

圖4-2高頻UPS主電路拓撲圖

為避免因UPS 諧波電流畸變而導致的柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)不能正常工作，在設計柴油發(fā)電機機和 UPS 的容量配比關系時必須考慮 UPS 的諧波電流畸變因素，才能保證柴油發(fā)電機 UPS 系統(tǒng)之間的兼容性。對于 UPS 來說，采用不同拓撲結構，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 不同拓撲結構 UPS 滿載時輸入諧波電流畸變率典型值

（3）UPS與發(fā)電機的容量搭配（經(jīng)驗表）

因為柴油發(fā)電機的內(nèi)阻抗要比電網(wǎng)的阻抗大很多，因此當柴油發(fā)電機給UPS 供電時，系統(tǒng)中的諧波電流畸變疊加在發(fā)電機輸出阻抗上而引起柴油發(fā)電機輸出電壓產(chǎn)生較大的諧波畸變，從而影響 UPS 整流器和發(fā)電機 AVR 的正常工作。所以，諧波電流畸變也應該是設計容量配比時需要考慮到因素，必須保證在此容量配比下柴油發(fā)電機輸出電壓畸變不超過柴油發(fā)電機-UPS 系統(tǒng)正常工作允許的最大 THDU 值，柴油發(fā)電機容量才能滿足要求。

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

審核編輯：湯梓紅