IDC数据中心的功率标定及多机冗余控制技术

针对IDC数据中心动辄几万kW的功率要求，传统的低压发电机并机输出的额定电流之和已经突破了汇流铜排和断路器的额定电流极限（一般为6400A），在400～690V的低压系统无法满足要求的情况下，现代IDC数据中心对柴油发电机组的要求往高压、大容量和多机并机的方向发展，为了实现更高可靠性，往往在传统控制技术基础上，发展出了发电机组的冗余控制，甚至发电机的AVR自动电压调节器需要具备主备两套AVR，自动互为备用或者采用多通道智能数字化DVR配置运行，当机组控制器、AVR故障或DVR其中一个通道出现故障时，系统自动切换到备用机组控制器、AVR或DVR另一个通道运行，不影响系统的正常运行。

另外，针对IDC数据中心大容量空调压缩主机电动机首次单步突加负载的要求以及美国NFPA110等消防法规对首次单步突加负载能力（负载接受能力）的要求，发电机厂家都有针对性地推出了解决方案，像PMG和辅助绕组等传统技术的基础上，结合快速发展的数字技术，发展出了利莱森玛的负载接收模块（Load Acceptance Module，LAM）技术、康明斯发电机技术、CGT和巴斯勒BASLER的DWELL技术，以下以利莱森玛的LAM技术举例说明：

1.发电机的负载接收模块（LAM）技术

由于现代柴油机均采用涡轮增压技术，升功率越来越大，气缸的平均有效压力（BMEP）也越来越大，突然加大负载时，发动机转速会瞬间大幅度降低，每分钟几万转高速旋转的涡轮增压器的转速会降低更多，依靠涡轮增压器进行压气的发动机进气量会降低较多，即使调速系统快速反应，加大喷油量，但由于进气量不能及时跟上，喷入气缸的燃油不能完全燃烧，大部分燃油变成黑烟排放浪费了，导致发动机的输出功率增加有限，因而需要固有的恢复时间。与自然吸气发动机相比，柴油机恢复到额定转速需要更长的时间，如果在发电机的调压系统不考虑柴油机的这一特性，不考虑柴油机和发电机的反应时间存在较大差异这一因素，不考虑从优化机组整体电气指标，只片面追求发电机自身的电气指标，那么应通过瞬时增加励磁电流将输出电压快速恢复到额定值。如前所述，由于现代大功率柴油机普遍采用涡轮增压技术而存在的固有滞后效应，此时发动机的转速是无法像发电机那样快速恢复到额定值的，而柴油机的输出功率与转速是成比例的，瞬间就增加了励磁的发电机，输出电压也瞬间达到甚至超过额定值，实时功率需求基本等于甚至大于额定功率了，被拖慢的柴油机的输出功率肯定远远低于额定功率，在存在比较大的瞬间功率缺口的情况下，柴油机的瞬间转速会进一步拖低，严重时甚至会拖死、停机，发电机输出电压会再次跌落，形成几次反复，从而输出不稳定的电压，相对于快速稳定电压的初衷，可谓欲速则不达，LAM正是解决了柴油机和发电机协同工作，应对突加负载的一项技术。

当LAM检测到频率下降超过额定电压值的4%左右时（可设置），LAM会改变传统发电机的AVR，试图瞬间大幅增大励磁电流，提高输出电压到额定电压甚至输出电压过冲（超过额定输出电压），令增压柴油机的负载不减反升，导致柴油机不堪重负，最终死火或者转速崩溃，对此应针对增压型柴油机因高速增压器的转速下降较多，增压器进气量短时间严重不足，即使油门开到最大，柴油机输出功率也无法快速增加，导致提速较慢的机械特点，采取先逐步提高励磁电流，使电压保持在一个既对柴油机起到减载缓冲的效果，同时又不会影响负载正常工作的较低输出电压值。由于发电机输出功率（P=（UxU）/R），因此发动机的负载（即发电机的输出）相应成二次方地降低，从而帮助发动机能够在较低的负载水平下迅速恢复转速，增压器的转速恢复到正常额定转速之后，柴油机的进气量才能达到额定的设计水平，此时柴油机才有可能输出额定功率，等增压型柴油机的转速慢慢恢复到额定值之后，再次逐步增大励磁电流，从而恢复输出电压至额定值，从输出电压波形图中可以明显看到，有LAM功能的发电机的输出电压不会像没有LAM功能的发电机的输出电压那样，即电压有效值波形幅值在上下振荡多次之后慢慢收敛，而是在瞬间跌落之后，等转速接近或达到额定值之后，逐步恢复到额定电压值。

LAM电位器一般有两档设置，即8%和15%。当设置8%时，若瞬间突加大负载，柴油机承受的负载减少值大约是额定值的（100%-8%）的二次方，即84.64%，相当于实际加载到柴油机的负载减少值相当于负载铭牌容量的15%；若设置15%，若瞬间突加大负载，柴油机承受的负载减少值大约是额定值的（100%-15%）的二次方，即72.25%，相当于实际加载到柴油机的负载减少值为负载铭牌容量的28%，通过发电机的LAM值的优化设定，找到发电机电压快速恢复和发动机转速快速恢复的最佳平衡点，柴油机的性能和发电机的性能才能完全匹配，达到机组的最佳输出性能。

L公司的LAM的专利技术，能帮助发动机在突加负载时快速恢复转速，从而满足电压降和频率降幅值和恢复时间的要求，轻松应对GB2820标准中G3性能等级要求。

2.发电机带超前负载能力

针对数据中心的容性负载，通过采用较大的定子绕组线圈的截面积，以成型绕组代替散嵌绕组等技术工艺，降低发电机的次暂态电抗，降低发电机的PQ运行特性曲线的粗实线拐点的功率因数，即提高发电机能够承担的最高容性负载比例，例如通过采用各种工艺，使发电机的次暂态电抗由2.5P.U.降低到2.0P.U.，发电机的PQ运行特性曲线粗实线拐点的功率因数由超前0.97降低到超前0.92。

柴油发电机的典型带载特性曲线（发电机的PQ运行特性曲线）如图3-2所示。

图3-2 发电机的PQ运行特性曲线

通常柴油发电机组带容性负载能力较弱，而且呈快速衰减回缩。在轻载模式下，要尽量减少发电机组的带容性负载，当容性负载小于20%时，上升速率较为平稳，在发电机的处理能力之内。如果大于30%，则面临较大的过电压的风险。

3.交流发电机绕组节距和电力系统的设计

2/3节距交流发电机能抑制3次谐波电流在中性线流过，现代发电机四线配电系统（即配置中性线或零线的配电系统）基本上都采用2/3节距。

5/6节距交流发电机在无中性线的三线配电系统中采用，包括大多数中压/高压系统。

如果采取措施消除或减轻谐波电流在中性线中流动的风险，可以并联不同节距的交流发电机。

绕组节距和谐波，当交流发电机空载或带线性负载运行时，产生的电压波形形状根据其工频基波频率和电压幅度，以及谐波的电压幅度及其频率来描述。因为所有交流发电机都表现出一定程度的谐波电压失真，因此上述描述是必要的，即使这些失真相对于可能由非线性负载引起的失真非常小，但在并联应用中，它们可能仍然相当可观。谐波电压与工频基波波形叠加，导致纯正弦波的工频基波形状有些失真。在任何时间点所得到的电压都将是工频基波和所有的谐波之和。

绕组节距是影响发电机输出电压波形谐波含量的几个因素之一。称为短距系数（K_p）的参数定义了由于使用短节距（即小于全节距）绕组而导致谐波含量减少的比例。

K_p=cos[N_x180（1～节距）/2]

式中 N为谐波次数；节距为分数（如2/3，5/6等）。

对于全距绕组（节距=1τ，τ为极距），短距系数对所有谐波为1，即没有减少工频基波或任何谐波的电压幅值。

2/3和5/6节距交流发电机的主要优缺点见表3-3。

表3-3 2/3和5/6节距交流发电机的绕组短距系数

对于5/6和2/3节距的交流发电机，工频基波的短距系数分别为0.97和0.87。这意味着5/6节距交流发电机产生的基波电压等于相同的全距交流发电机以相同的励磁水平产生的基波电压的97%。对于2/3节距交流发电机，这一比例由97%下降到87%。这表明具有5/6节距定子线圈的交流发电机比在相同的励磁水平的2/3节距线圈能够产生更高的基波电压。

同一交流发电机，用5/6节距线圈能够比用2/3节距线圈输出更大的功率，即使用相同量的材料可以产生更大的kVA输出，因此更有效地利用了铜和钢，这是5/6节距相比2/3节距交流发电机的主要优点。

从表3-3可以看出，2/3节距交流发电机的主要优点是它没有3次谐波含量，事实上，2/3节距的交流发电机不产生3次谐波。（术语3次谐波是指所有3次谐波的奇数倍，所以3，9.15和21次等属于3次谐波。）

重要的是尽量减少所有频率的谐波电压。总谐波失真（THD）为所有频率的谐波电压的总和与工频基波的百分比，是一个经常应用的交流发电机参数。好的交流发电机设计可以实现2/3或5/6节距交流发电机均具有类似的较小THD值。

降低所有频率的谐波电压均是同等重要，四线的低压电压配电系统需要特别考虑3次谐波。（注意，术语“低电压”在本文中是指其线电压低于1000V。因为不同的地区有不同的中高压定义，我们将使用术语“中压或高电压”或简称“MV/HV”表示线路电压超过1000V），其中原因是在四线系统中，三相的所有3次谐波电流（实际上所有3次谐波的3倍电流）直接流经中性线，这可以导致高水平的谐波失真和潜在中性线过热风险。单相负载特别是产生3次谐波的单相整流或开关电源负载的电流总是需要流经中性线。

低压三相整流（非线性）负载也产生3次谐波电流。正是由于这些原因，绝大部分低压发电机组采用2/3节距。虽然5/6节距绕组能够消除更多的5和7次谐波，但2/3节距交流发电机能够消除低压系统中的3次谐波更胜一筹。

在中压或高压下，由于通常不使用中性线，所以较少考虑3次谐波的影响。对于MV/HV发电机组，通常使用变压器进行降压。为了给单相负载提供中性线，变压器的低压绕组一般采用星形（）联结。与发电机绕组直接连接变压器的高压绕组一般采用三角形（DELTA）（△）联结。3次谐波电流将在三角形联结的高压绕组中循环，并保持在变压器的高压侧。虽然这些3次谐波电流也会产生涡流从而产生热量（如所有谐波电流一样），但远远不如直接流经中性线中的3次谐波电流产生的发热量那么大。

对于大多数中压和高压系统，当负载性质决定不需要中性线时，产生的3次谐波电压基本可以忽略。在这些应用中，只要保持较低的总谐波失真，并且注意减少或消除并联发电机组的中性点和接地点之间的环流，则通常适合使用5/6节距交流发电机。(www.xing528.com)

4.并联不同节距的交流发电机

当发电机并联时，两个发电机的瞬时电压幅值和频率在它们连接到公共母排处被迫达到完全相同。由交流发电机产生的电动势（emf）的差异将导致电流从具有较高瞬时电动势的发电机流到具有较低瞬时电动势的发电机。

以纯正基波电压波形和具有3次谐波的失真电压波形彼此叠加为例说明，即使这两个波形可能具有完全相同的电压有效值幅值（RMS均方根值），但在不同的时间点，一个电压波形的瞬时值会高于另一个电压波形的瞬时值，反之亦然。当发电机在公共母排上连接在一起时，瞬时电压的差异将导致发电机之间的瞬时电流流动即产生3次谐波电流环流。因此，在并联之前，在发电机之间存在瞬时电压差的任何时间点处，被称为中性线环流的电流将在发电机之间循环流动，当存在可作为电流流经路径的系统中性线时更为明显。

不同节距的交流发电机并联时的不兼容的影响可以通过包括常规的交流电流测量在内的适当的测量装置清楚地看出。在系统空载运行时，观察从每个发电机流出的电流显示，环流将是最明显的。存在几种用于并联5/6节距交流发电机或不同节距的交流发电机的方法，并且这些方法中的最常见的将在这里描述。

（1）中压/高电压示例

中压/高压发电机并联的最常见方法在全球各地有所不同。我们将介绍两种不同的方法，一种常用于北美，另一种常用于北美以外。

在北美使用的中压系统中，每个发电机的中性点通过中性接地电阻器接地。并联的中压发电机通过三角形（△）/星形（）接法的降压变压器所带实际负载，由发电机产生的任何谐波失真保持在电力变压器的高压侧，并且与实际负载隔离。可以看出，当在中压下，来自电源的谐波失真可以忽略，因为它不会增加由负载产生的谐波失真。此外，发电机产生的任何3次谐波电压将保持在变压器的中压侧，并且不通过低压配电系统中的中性点。

在该示例中，通常使用2/3节距或5/6节距的中压交流发电机。使用5/6节距的交流发电机是由于还有一个额外的考虑。如前所述，5/6节距的交流发电机将产生一些3次谐波电压。如果发电机之间存在阻抗差异，则会有一定量的谐波电流通过电阻器和接地连接在它们之间循环。这些阻抗差异可能是由于轻微的交流发电机工艺差异，不同的电缆长度或不同的电阻值。在大多数情况下，阻抗差不足以大到对于该环流导致任何问题。交流发电机和电阻规格应考虑这一电流。很多时候，选择不受该电流影响的交流发电机和电阻器是最简单和最具成本效益的。

当需要减少环流时，可以使用可选的接地方法。这些方法包括使用电抗器代替电阻器或使用中性线切换方案。可以使用适配装置代替相同配置的电阻器。需要对适配装置进行适当选型和调整。另一种适配装置方法在以下关于“用于并联不同节距的发电机的策略”的部分中描述。下面描述中性线切换方法。

当发电机停止时，所有中性点接地开关均处于合闸状态。当发电机启动时，第一台成功合闸的机组，将保持其中性点接地开关的合闸状态，而所有其他机组的中性点接地开关则分闸。由于始终只有一台运行中的发电机的中性点连接到接地电阻器，发电机之间的所有环流无法形成通路。如果发电机系统需要与市电并联，则应断开已合闸的中性点接地开关。与所有接地方案一样，中性点接地电阻大小必须适当。该方法具有将由发电机产生的所有谐波电流保持在变压器的高压侧并且不增加负载的谐波含量的相同优点。

（2）低电压示例

在北美，大多数低压系统以480V线电压运行，一些系统以416V或600V线电压运行。在低压系统和MV/HV系统之间存在两个主要差异，其需要更仔细地选择交流发电机绕组节距。第一，许多低压系统包括连接在发电机和并联开关装置之间的中性线，该中性线也可以连接到各种低压负载。第二，许多低压负载是非线性的，并且在电力系统运行时在其上产生谐波。这些负载包括变频器（VFD），不间断电源（UPS）和开关电源（SMPS）。如前所述，选择使其产生的总谐波失真最小的交流发电机对于低电压系统是重要的。

2/3节距的交流发电机不会向总系统增加任何3次谐波。因此，2/3节距交流发电机是低压四线系统的最佳选择。

（3）具有不同节距的发电机的并联

当并联不同节距的交流发电机时，使用三线配电系统。通过减配发电机组母排和负载之间的中性线，去除最具破坏性的谐波电流赖以流经的路径，谐波问题的最常见原因被最小化。（谐波电流仍然会在发电机中产生热量，但消除了谐波电流流经中性线产生发热的破坏性影响。）

（4）四线系统中的并联不同节距的交流发电机

当需要并联发电机组直接为单相负载供电时（电路中没有三角形/星形接法的变压器为负载提供中性线），有3种方法可以降低流经中性线的谐波电流的破坏性风险：仅连接类似节距电机的中性点（不同节距发电机中性点不连接），在不同节距交流发电机之间安装电抗器，或考虑到中性线谐波电流占用了部分中性线额定载流量，对交流发电机进行降额使用。

（5）只连接类似节距的中性点

低压系统通常需要具有接地的中性线。在并联应用中，为了使系统只有一个中性线接地点，该接地点的理想位置在系统开关装置中。同时必须考虑需要中性线连接的单相负载的大小与不需要中性线连接的三相负载的大小。只要系统中有足够的线对中性容量，系统负载将自然平衡。在这种情况下必须小心，以确保没有中性线接地点的发电机不是第一个接入母排的，否则系统将没有中性线接地点。如果存在任何发电机必须被允许作为连接到母排的唯一发电机（例如在所有其他发电机组已经失效的故障情况下）的情况，则使用中性线接触器以确保仅类似节距的发电机的中性点之间进行连接，类似于北美以外中压/高压系统最常见的发电机并联配置。在该设计中，对于考虑中性点接触器的故障模式尤其关键。不管是在合闸还是在分闸模式下，中性线接触器的合闸故障，都应该发出警报。中性线接触器应使用具有位置反馈信号错误自诊断功能的双位置指示触点（来自不同开关的一个“a”合闸状态和一个“b”分闸状态），以更确定中性线接触器的合分闸状态。

（6）在不同节距发电机之间的中性支路中安装电抗器

可以将适配装置安装在不同节距发电机之间的中性点之间，以降低中性线环流。适配装置可以调谐到产生最大问题的特定谐波频率，即150/180Hz。

使用适配装置的主要问题是其成本和其设计的定制性质，使得它们难以快速到货和安装。此外，适配装置的故障可能长时间未被检测到，导致系统中性线有效连接的改变和潜在的意外危险。

（7）环流导致的交流发电机降额使用

环流对交流发电机损坏程度取决于电流的大小、系统中发电机的额定值以及系统中的保护装置对中性线或谐波电流的灵敏度。因为发电机输出电压波形的谐波含量随负载变化，所以不同节距发电机并联工作的负面影响可能在随负载水平变化而变化，但通常主要关注的是在额定负载下的电流大小，因为此时交流发电机的内部温度通常将最高，并且最易于发生故障。

在使用不同节距发电机并联的四线系统中，应测量发电机中性线电流，以验证不同节距发电机的并联运行不会导致系统运行问题或发电机过早故障。如果系统中没有其他相关问题，则设计者可以允许系统中存在一定量的中性线电流，并且通过交流发电机降额使用来补偿。

降额因数计算如下：

交流发电机的最大允许负载

式中 I_R——发电机在满载和额定功率因数时的输出电流；

I_N——发电机并联且带三相对称平衡满负载运行时的中性点电流；

kVA gen——交流发电机在最大温升的额定kVA。