要正确地选择备用柴油发电机组，了解负载的特性是非常重要的。负载类型一般分为电阻性（如电阻、电炉、白炽灯等）、电感性（如感应电动机、变压器等）、电容性（如电容器等）等线性负载和采用整流技术和SCR（晶闸管）技术的非线性负载（又称整流性负载）。
（1）UPS负荷。
UPS作为整流性设备，在采用单相或三相不控或相控整流时，因为整流器的输出端一般会配置直流母线滤波电容，所以输入电流呈瞬间脉动大电流特征，内部包含大量谐波电流，比如三相6脉冲整流器输入电流含有的较低次谐波（5次，7次，11次，13次），谐波电流总含量高达30%～35%。如果是电网，容量很大的电网输出等效内阻很低，电流的波动不会对输出电压造成影响。但是，对于柴油发电机组，其内阻远比电网大得多，UPS的输入谐波电流就会引起柴油机输出的谐波电压。尤其是当非线性负载较大而发电机组容量又较小时，这种危害就更明显。
（2）机房空调负荷。
HPC集群机房空调系统大致可以分为两类：定频空调和变频空调两类。
①定频空调实质上属于感性负载，感应电动机直接启动时，启动电流为正常电流的6～7倍，而且功率为0.8左右。对机房空调负荷容量的分析和对电机型负载的分析基本一致。
②变频空调实质上是非线性负载，对该型负载的分析可参考非线性负载的讨论。此外，由于电磁辐射兼容的考虑，一般在主机房很少采用变频空调。
（3）其他负荷。
其他负荷（如应急照明、消防负荷等）大都属于非线性负载，同时和UPS、空调负荷相比较小，在分析柴油机系统容量影响时基本可以忽略。
因此，就HPC集群机房的应用场地而言，分析柴油发电机组与其负荷的匹配，主要是指柴油发电机组与UPS系统的匹配。
4.4.4.2 HPC集群机房柴油发电机组的功率分配与调节
HPC集群机房柴油发电机组的功率分配大致可以分为有功和无功调节两个部分。
（1）系统功率分配。
机组与负载之间的功率传递如图4-6所示。
图4-6 柴油发电机组的功率分配
如图4-6所示，发动机的性质决定了发动机组与发电机之间只有有功功率的传递。柴油发动机发出功率P1通过同轴连接传递给发电机，P1的一小部分转化为轴承摩擦发热及风扇损耗，剩余部分传递给发电机，形成了电磁功率PM。发电机和负载之间传递的功率包含有功功率P、无功功率Q和谐波无功D三部分。其中，忽略发电机本身的损耗，有功功率P等于电磁功率PM。无功功率Q和谐波无功D根据负载的特性和谐波次数不同可在发电机与负载之间双向流动。
（2）系统有功功率调节。
在负载不变的情况下，发电机的电磁功率PM和发动机的机械输出功率P1保持平衡，表现为发电机以同步转速随发动机旋转，即输出频率恒定。随着负载的波动，如负载有功功率需求的突然增加，发电机电磁功率需求随之增加，从而大于上一平衡点处的柴油机输出功率，引起发动机转速下降，系统输出频率随之下降。为了保持输出频率恒定，发电机组必须有良好的有功功率的动态调节能力。柴油发电机组的有功功率调节如图4-7所示：
图4-7 柴油发电机组的有功功率调节
具体调节过程为：机组稳定运行，P1恒定。输出有功需求PM增大，转速N随之降低，机组通过反馈调节，调速器增大汽缸供油量，从而增大油机输出功率P1，保证转速N重新趋于平衡，实现了转速的闭环控制，即保持了输出电压频率的稳定。
（3）系统无功功率调节。
系统无功功率只在发电机和负载之间流动。对于同步发电机来说，若输出有功功率不变，通过控制励磁电流可以方便地使发电机吸收或发出无功功率。对于负载来说，无功功率不平衡会直接引起输出电压的波动。比如发电机输出无功功率不能满足负载额定功率需要时，负载输入电压自动降低，从而使系统无功功率趋于平衡。因此，有功功率不变，通过调节发电机励磁电流可使输出电压稳定。
柴油发电机组的无功功率调节如图4-8所示。
图4-8 柴油发电机组的无功功率调节
调节原理为：机组稳定运行，励磁电流不变，随负载无功需求的变化，如△I为正，无功电流增大，考虑电枢反应，输出电压随之降低。通过反馈调节，调节器增大励磁电流从而提高定子感应电压，使发电机无功输出增大，从而也使输出电压回到稳定值。
实际上，发电机的励磁调节是有范围的，超过此范围将引起发电机的不稳定运行。如发电机接低功率因数容性负载时，容性负载发出的无功电流反灌入发电机电枢绕组造成发电机过励磁出现输出过压。同样，当接感性负载过大时，过大无功电流会造成发电机欠励磁引起输出欠压。
此外，需注意的是，发电机的有功和无功调节并不是完全独立的两个过程。由于发电机的定子电势与频率成正比，因此发电机频率的下降会引起定子电势降低，从而减小无功输出，导致输出电压瞬间降低。同样，当输出电压变化时，会引起部分负载（主要是变压器、电机、灯类负载）有功需求变化，导致输出频率波动。
4.4.4.3 UPS系统对柴油发电机组的影响及对策
（1）负载的阶跃变化。
当电气系统连接到发电机组时，沉重的负载将在发电机组上形成较大的冲击电流，严重时将引起发电机组停止工作。为了避免这种现象的发生，由发电机供电的主要负载UPS必须配备保证整流器渐进启动的装置，电流的爬升过程会持续一段时间（s或10s级时间，厂家不一样，时间设置不一样）。当市电恢复正常时，整流器可以逐次开机，以便避免发电机组的“飞车”，骚扰发电机组上的其他负载（机房空调、应急照明等）。整流器/充电器渐进启动如图4-9所示。
（2）容性电流。
当UPS输入侧安装有LC谐波滤波器时，由于UPS处于启动延时，有功功率等于零，则发电机组只为UPS前端的滤波器提供容性电流，但是发电机组只能提供相当于10%～30%，In的容性电流。
图4-10所示为发电机组的系统简化原理图。(www.xing528.com)
图4-9 整流器/充电器渐进启动
图4-10 发电机组的系统简化原理图
V1是发电机的电势，V1的大小取决于发电机的激磁电流。
Zs是发电机定子阻抗（由电阻和电感元件组成）。
ZL是负载阻抗。
Vs是发电机输出电压。
I是发电机总输出电流。
依据计算公式及绘制的矢量图（如图4-11所示），不难看出V1比VS小，也就是说，较小的发电机电势将产生较大的输出电压。
此时，为了维持输出电压稳定，发电机电压调节器必须减小转子的激磁电流以减小发电机电势V1，但是电压调节器可能没有足够的调节范围完全控制输出电压，由于转子都有一定的剩磁，可能即使完全关闭发电机电压调节器，仍有足够的磁场产生输出电压。这些都是导致输出过压或者发电机关闭的原因。
图4-11 发电机给容性负载供电的矢量图
因此，使用LC滤波器时必须正确分析，以保证发电机组的安全运行，使用带接触器的滤波器或补偿式LC滤波器就可解决这个问题。当使用有源脉冲滤波器或有源功率因数校正（PFC）整流器时，则与发电机组完全兼容。首先，除了合理选择具有良好输入特性的UPS之外，应该尽量避免让UPS处于空载或者低载的工作状态；其次，在机组投入时，应考虑优先投入感性负载（如机房空调），然后再逐台投入UPS系统。
（3）谐波。
谐波电流除了在定子绕组产生铜损外，电流形成的高频磁场在转子绕组上感应出高频电流，由于趋肤效应，高频电流使转子严重发热。此外，高频的谐波电流产生的磁场与转子的磁场不同步，产生高频振动影响发电机寿命。发电机更容易受到非线性负载的影响是因为发电机的亚瞬态电抗（12%～20%）通常大于电力变压器的短路阻抗（4%～6%）。
实践中，机组带UPS时，谐波干扰主要表现为以下几种现象。
①发电机组输出频率为50～60Hz，致使直流电源、UPS保护动作。
②发电机组在出现频率或电压异常的同时出现严重的机械共振现象，柴油机出现有节奏的摇摆和声音起伏，严重时还出现损坏发电机的励磁回路和AVR（自动电压调节器）。
③UPS因检测到过电压或过频率而自动关断整流器，由后备电池组向负载放电或从旁路直接向负载供电。
④柴油发电机组超转速引起停机保护，导致市电停电后机组无法正常工作输出备用电源，机楼配置的柴油发电机组形同虚设。
解决谐波问题大致可以从改善负载特性和优化柴油机组两个方面来处理。
改善负载特性的技术如下所述。
建议选择具有良好的交流输入谐波抑制技术的UPS。UPS和油机匹配较好、运行较稳定的整流和谐波治理技术包括ICBT整流、12脉冲整流+11次谐波滤波器、有源滤波器+无源滤波器+相控整流、6脉冲整流+5次谐波滤波器等。从源头治理谐波源可极大地减轻柴油发电机组的运行压力，性价比好，可靠性高。
业界一般会有如表4-6所示的柴油发电机和UPS容量之间的关系。
表4-6 柴油发电机和UPS容量之间的关系
注：Sg表示发电机的标称功率（kV·A），Su表示UPS的标称功率（kV·A）
优化柴油机组的措施如下所述：
（1）采用无刷永磁式励磁交流发电机。永磁励磁系统由五部分组成：发电机主励磁绕组（转子）、永磁式发电机（PMG）、自动电压调节器（AVR）、励磁机和旋转二极管。图4-12是无刷永磁式励磁交流发电机的工作原理图。在这个系统中有以下几个特点。
①由于PMC系统提供一个与定子输出电压波形畸变及大小无关的恒定的励磁电源，因而能提供较高的电动机启动承受能力，并对非线性负载产生的主机定子输出电压的波形畸变具有抗干扰性，可提高发电机带非线性负载能力。
②AVR检测三相输出电压（三相方均根检测），具有精度极高的稳态电压调整率（通常可达±0.5%）。
③更强的抗无线电干扰能力。
④更强的承受短路电流能力（通常可达3倍额定电流，持续10s）。
图4-12 无刷永磁式励磁交流发电机的工作原理图
（2）在不增加柴油机功率的条件下配置一台较大容量的发电机，以提高机组带非线性负载的能力。增大容量的实质是通过降低发电机的内阻，从而弱化谐波电流的不利影响。
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