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超前功率因数对数据中心 发电机系统的影响 第 200 号白皮书 版本 0 作者 Neil Rasmussen 摘要 IT 设备的输入电流有可能具有“功率因数超前”的特 性。该特性可能会导致备用发电机组运行不稳定或关 停。此外当 IT 负载变化，或突发异常事件时，长期正 常运行的数据中心也有可能出现问题。因此了解数据 中心运行安全范围，防患于未然是非常重要的。本白 皮书将详细剖析问题的根源，介绍其成因和表现形 式，以及如何检测和纠正这个问题。 施耐德电气旗下 的白皮书现收录于施耐德电气白皮书资料库 由施耐德电气数据中心科研中心发表 DCSC@Schneider-E 超前功率因数对数据中心发电机系统的影响 简介 柴油或燃气式备用发电机组通常是在主电源断电或执行某些维护或检修工作时，确保数据中心能 够在一定的时间内正常运行。尽管这些设备安全可靠，一般能够承受阶跃性负载变化、过载和其 它异常状况，但在数据中心应用中，曾经碰到这样的情况：即使负载条件看似满足发电机额定值 要求，发电机却仍然跳闸。这种情况发生在 IT 负载直接由发电机供电，UPS 运行在旁路状态。 发生这种情况时 UPS 处于旁路模式，或者系统采用 Tier 3 或其它设计使得 IT 负载某路配电线路 没有 UPS 保护。 所有发电机在应对 IT 负载的 “超前功率因数”特性时，运行效果都非常差。如果在发电机与 IT 负载之间的电源通路中始终有一台正常运行的 UPS ，那么数据中心可能永远不会出现这样的问 题，因为新型 UPS 通常不会呈现超前功率因数，能够有效保护发电机不受这种状况的影响。然 而，当 UPS 自动或手动地切换到静态或维修旁路时，发电机将被迫向具有超前功率因数的 IT 负 载供电，从而导致发电机关停，而此时恰恰往往是在最不利、最需要发电机维持正常运行的时 刻。 发电机可以承受少量的超前功率因数，因此在数据中心可能一开始会正常运行，但随着 IT 负载 的不断慢慢变化，随之带来的功率因数变化，最终将导致异常状况发生。 遗憾的是，对于如何评估该情况带来的风险，目前仍有很大的困惑；对某特定设计或设备安装的 肤浅的分析又有可能过于夸大这一风险。因此即使知晓风险时，也很难确定最佳解决方案。 本白皮书首先剖析这种问题的根源，然后介绍该问题发生的时机和过程，接着阐述对已有基础设 施针对该问题敏感性的评估方法，最后提出用于纠正该问题的技术和设备。 数据中心的 为了解功率因数特性及其所造成的各种影响，理解其如何对发电机产生影响，我们需要了解一些 有关功率因数问题的背景知识。 功率因数 在交流系统中，发电设备提供正弦电压波形，负载则主导电流波形。在加热器或白炽灯泡等最简 单的 “阻性”负载中，电流波形与电压波形形状一致，并且相位（时间轴）也精准的保持一致 （如图 1 所示）。在图 1 中的每一时间节点上，电压与电流的乘积始终为正。阻性负载的功率因 数被定义为 1，这意味着 100%的负载电流消耗成以瓦特为单位的负载功率 （有功功率）。在理 想情况下，所有负载的功率因数都应为 1。