重康动力（深圳）有限公司

摘要： 针对柴油发电机组在数据中心场景下遇到的容性带载能力弱及突加重载易“拉垮”难题，本文提出一套系统性解决方案。通过优化高压直流系统的缓启动（walk-in）功能、错开系统级启动时序、调整ATS切换间隔等改造措施，并结合实际测试验证，证明了该方案能够有效实现发电机平滑带载，为数据中心备用电源系统设计提供参考。

 

一、难题分析：容性负载与突加重载的双重挑战

 

      在数据中心行业，柴油发电机组作为备用电源的核心设备，其容性带载能力及突加重载能力一直是应用中的技术痛点。当市电中断、柴油发电机启动并投入带载时，整个切换过程面临严峻考验。开关电源类负载（如高频模块化UPS、高压直流系统、服务器PSU等）在正常工作时因具备PFC电路，基本呈现阻性负载特性，功率因数接近1。然而，在市电转柴油发电机供电的启动瞬间，这些负载内部的大量电容处于未充电状态，呈现极强的容性负载特性，发电机需要对电容进行快速充电，易受到容性大电流冲击。

      从典型柴油发电机带载特性来看，其在容性负载下的带载能力快速回缩。如果要求发电机一步到位带容性负载至重载工况，极易被“拉垮”，导致电压振荡、频率跌落甚至停机。这是数据中心备用电源系统设计中必须正视和解决的核心矛盾。

      为了减少谐波对柴油发电机的影响，目前行业通常解决办法是采用滤波器，比如有采用价格昂贵的有源滤波器，或者采用价格较低的电容补偿柜等办法。

      而传统UPS在不同的负载率下阻抗特性还不一样，比如在轻载下呈现容性，而在较重载下呈现感性（比如某款UPS产品三相负载分别为7、9、8KW时呈强容性，功率因数为-0.85、-0.87、-0.86；三相负载为12、13、13KW时呈弱感性，功率因数为0.96、0.97、0.95；三相负载为30KW时呈强感性，功率因数为0.92）。

      以2500KVA康明斯发电机组为例，在图1的串联谐振模型中，柴油发电机很容易在轻载下和容性负载振荡输出高电压而发生保护，所以采用传统电容补偿柜的设计中，轻载下不能投入电容补偿柜防止柴油发电机过补偿而振荡保护，而在较重载下才考虑投入电容柜来补偿感性负载带来的谐波。

图1  柴油发电机带载特性曲线

 

二、解决方案思路：分时错峰与缓启动优化

 

      针对上述难题，国科数据中心从测试和技术研究角度提出了一套经过验证的解决思路。核心逻辑在于：避免所有负载在切换瞬间同时加载，通过分时错峰和缓启动技术，将瞬态冲击转化为平滑爬坡过程，使柴油发电机有充足的时间逐级恢复转速和电压。

1、高压直流系统侧改造

（1）修改模块启动方式，增加功率walk-in功能。通过修改高压直流模块软件，使每个整流模块的输出电流不是瞬间跳变到额定值，而是经过数秒至数十秒的爬坡时间逐步增加至额定输出电流（波形如图2所示）。此设计解决了模块通电启动瞬间直接满载输出的问题，使启动过程趋于平缓，既降低了对后级电池过电流充电的风险，也显著减少了柴油发电机的瞬时冲击。

（2）通过监控模块修改系统启动时间。在整流模块启动时间为固定值的基础上，修改监控软件增加启动时间设置功能。每套高压直流系统可设置不同的来电后启动延时，模块来电自启动后，待延时到达预设时间才开始输出。通过现场按需设置，实现多套系统的启动时间错开，避免同时加载。

 

图2  修改发电机整流系统后的启动波形

2、低压配电侧改造

（1）错开ATS1和ATS2的自动切换时间，避免两个ATS在同一时刻切换，减少对柴油发电机的同时大电流冲击。适当延长两者之间的时间间隔，减少负载增加过程的重叠部分，但需注意间隔不宜过长，以免蓄电池过度放电。

（2）采用PLC硬件控制电操机构，逐个合闸高压直流系统输入开关，实现系统间依次启动。对于每套高压直流的整流屏输入开关，可更换为带延时功能的接触器，设置不同的来电合闸时间，同样可实现分时启动。

 

三、方案实施与带载测试验证

 

      经与高压直流厂家沟通协调，对系统及模块的运行方式进行了以下核心修改：

（1）每套系统的启动时间错开数秒，实现系统级时序间隔。

（2）开启模块walk-in功能，使同一系统内的每个模块按每秒一个的顺序逐个启动，避免系统内所有模块同时加载。

（3）调整模块输出电压模式，采用跟踪直流母线电压方式。启动时输出电压设定为比蓄电池电压低5V，后续按1V/秒速率升压，彻底消除了启动输出瞬间的大电流冲击。修改后的启动波形显示启动过程平稳。

      在配电侧，ATS1和ATS2的切换时间间隔延长至数十秒，进一步拉长了负载爬坡窗口。

      完成优化后重新进行柴油发电机带载切换测试（自动投入模式），测试结果显示：发电机输出功率不再瞬间突加，带载过程极为平滑，电压无振荡，与优化前存在明显大电流冲击的情形形成鲜明对比。输出功率缓慢爬升，机组带载至约2MW仍稳定运行，未出现失压或振荡现象。

      从发电机每相功率和PF值曲线观察，启动过程中确实出现了带容性负载的现象，PF值在-1到+1之间振荡。随着更多高压直流系统投入运行（已投入系统的PF值趋近1），总负载PF值逐步转为正值，最终全部负载投入后PF值达到接近1的优异水平。这一过程表明，随着总负载特性由容性转为感性再到阻性，发电机带载能力逐步增强，容性负载问题在分步投入策略下得到有效解决。

 

四、其他可行方案与设计建议

 

      除上述已验证的优化路径外，以下技术手段同样值得研究和选用。

1、串联电抗器或调相机

      在负载侧串联感性电抗器可抵消开关电源容性启动冲击，对功率因数和总谐波畸变率均有一定改善。例如部分数据中心在列头柜内安装感性电抗器，取得了良好效果，但需注意此类方案会增加额外功耗。对于普通用户而言，因对负载特性掌握不清，实施难度较大。

2、SVG或STATCOM无功补偿装置

      传统电容补偿柜不适用于容性负载场合。而有源滤波器（APFC）和静止同步补偿器（STATCOM）虽然效果显著，但成本较高且存在故障风险。目前其他行业在用的SVG产品（原理如图3所示）在成本和性能方面较为折衷，值得在数据中心场景下研究跟进，其动态无功调节能力可有效补偿容性电流，维持发电机端电压稳定。

 

图3  发电机SVG无功补偿装置

3、定制walk-in功能服务器电源

      对于市电直供的完全分布式供电架构，可在服务器电源内部设置10～15秒的功率逐步放开功能（如微软LES定制PSU电源，效果见图4）。该方式减少了ATS切换瞬间对柴油发电机的满功率瞬态冲击，此过程中的IT负载由PSU内置电池临时承担。功率爬坡由分布式电源可控实现，发电机不受满载瞬态冲击，在10～15秒内逐步带起全部负载，显著提升ATS切换可靠性并减少对发电机的冲击振荡。

 

图4  服务器电源PSU的功率软启动，减少对柴油发电机的负载冲击

 

总结

综合测试验证表明，通过修改高压直流系统启动方式、增加模块walk-in功能、错开系统级启动时序并延长ATS切换间隔，柴油发电机能够在市电中断后自动带满载平稳启动。从市电停电至发电机带载全部完成，整个过程控制在数分钟之内，而高压直流蓄电池后备时间超过15分钟，总体风险可控。

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