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数据中心的备用发电机组带超前功率因数负载的能力很低，而现代IT设备是典型的超前功率因数负载，产生大量超前无功功率，可能导致发电机组运行不稳甚至关机。分析IT设备产生超前无功功率的根源，详细解读发电机容量曲线，说明发电机吸收超前无功功率极限，提出解决发电机运行不稳问题的策略和解决方案。

 

数据中心备用发电机组一般是直接为IT设备供电，而是经UPS设备为IT设备供电的。虽然UPS一般具有滞后输入因数，但是超前功率因数的IT设备的影响依然存在。因为UPS工作于旁路方式时，或者UPS 采用经济模式（Eco mode）时，超前功率因数的IT设备就是备用发电机的直接负载，必然对发电机造成严重不良影响。此外，市电直接为IT设备供电时，数据中心呈现超前输入功率因数，虽然对市电不会产生严重影响，但电力部门还是要对此进行罚款。因为备用发电机组允许带小量的超前功率因数负载，当数据中心负载较小时备用发电机可能正常运行，但当IT设备逐渐增加时，就会出现问题。因此，及时了解数据中心备用发电机组的安全运行范围，并在上述问题发生前采取措施是非常重要的。

 

本文分析IT设备的功率因数特性及其对备用发电机组运行的影响，说明备用发动机组不能带超前功率因数负载的机理，详细解读发电机容量曲线，说明发电机吸收超前无功功率极限。给出评价现有数据中心备用发电机组潜在不稳定性的方法，以及避免数据中心备用发电机组不稳定性的策略和具体解决办法。

 

同步发电机相量图

 

 

功率因数的概念

 

功率因数与负载性质有关，负载分为线性负载和非线性负载。线性负载的阻抗是恒定不变的，当将正弦波电源电压加到负载上时，负载电流波形也是正弦波。非线性负载的阻抗是随电压或时间变化的，当加上正弦波电压时，负载电流不是正弦波。

线性负载又分为电阻负载、电感负载和电容负载。如果电源电压波形是正弦波，这3种线性负载电流波形都是正弦波，但相位不同，电阻负载电流相位与电压相同，电感负载电流滞后于电压90°，电容负载电流超前电压90°。因为电感负载电流和电容负载电流的相位与电压的相位不同，故称为不同相电流或电抗电流。

实际负载大都是电阻-电感性，或电阻-电容性负载。假设负载电流I与电压U的相位差为φ，则有功功率P=Ulcosq；视在功率S=Ul。

 

发电机功率因数角和计算公式

 

 

功率因数PF的定义为有功功率P对视在功率S的比值，即

PF=P/S=UIcosφ/UI=cosφ.......................（公式1）

功率因数cosφ是针对线性负载的，因为是由电流和电压之间的相移引起的，称为位移功率因数。电阻负载的cosφ等于1。表示电源提供的功率全部是有功功率。电阻-电感性负载电流滞后于电压，产生滞后功率因数。电阻-电容性负载电流超前于电压，产生超前功率因数。

非线性负载电流波形是含有基波和许多谐波分量的非正弦波。因为式（1）只表示有功功率与基波电流相对于电压的相移的关系，不能准确地表示有功功率与谐波电流之间的关系。故式（1）不适用于非线性负载的功率因数。

如前所述，电抗电流会产生位移功率因数（cosφ），同样，谐波电流会产生失真功率因数（PF_失真），两者都会使功率因数下降。根据数学推导，总的功率因数（PF_总）即真实功率因数（PF_真）等于位移功率因数PF_位移和失真功率因数PF_失真的乘积，如式（2）所示。

 ..............................（公式2）

因为cosq不可能大于1，所以

 

由此可见，假设非线性负载的位移功率因数不是很低，但电流总谐波失真THD.很大，则会导致总功率因数变得很低。

例如，假如非线性负载基波电流和电压的相角φ=18°（cosφ=0.95），电流总谐波失真THDi=90%，则总功率因数（PF_总）为：

为了限制非线性负载的谐波电流，需要装设有源滤波器、功率因数校正器、静态无功功率发生器（SVG）等。

 

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