柴油發電機和UPS 是數據中心供電系統中的兩大核心設備，當市電停電時，柴油發電機-UPS 系統將為數據中心的基礎設施供電，二者的兼容性直接影響著整個數據中心供電系統的可用性。然而，當前國內外數據中心供電系統中，UPS 和柴油發電機之間卻存在一些不兼容的問題。

UPS 容性特性是導致數據中心柴油發電機-UPS 系統出現故障的重要原因。本文通過研究 UPS 的容性特性和柴油發電機穩態帶載能力，給出了 UPS容性特性導致柴油發電機帶載失敗的原因，并提出了考慮 UPS 容性特性時的柴油發電機-UPS 容量配比依據。

諧波畸變是影響數據中心柴油發電機-UPS 系統兼容性的重要因素。通過分析諧波畸變對整個柴油發電機-UPS 系統的影響機理，本文推導得出了計算柴油發電機-UPS 系統中總諧波電壓畸變的相關公式，以及考慮諧波畸變因素時，柴油發電機與 UPS 之間的容量配比關系。從而為解決由諧波畸變導致的系統不兼容問題提供了方法。

低頻振蕩也是影響柴油發電機-UPS 系統兼容性的關鍵因素。在某些情況下，當柴油發電機給 UPS 供電時，在柴油發電機和 UPS 的系統接口處會出現低頻振蕩現象。

一、數據中心供電系統及其可用性

數據中心供電系統是數據中心基礎設施中最重要的子系統，所有的IT設備以及基礎設施中的制冷、管理、安全等子系統都在供電系統的支持下運行。保證連續不間斷的電力供應已經成為現代數據中心供電系統必不可少的功能，目前的數據中心供電系統如圖 1-1 所示，其主要構成如下：

（1）備用電源為了保證數據中心供電可靠，在重要的數據中心都設置了雙電網供電系統，其中一路市電正常時由其給負載供電,另一路市電作為交流備用電源。此外發電機組也作為交流備用電源。而當兩路市電和發電機全部停止供電時，蓄電池也可作為直流電源給負載供電。

（2）電源轉換設備供電系統中的電源轉換設備包含自動轉換開關、UPS不間斷電源以及靜態旁路開關。

（3）配電設備供電系統中的配電設備主要包括交流輸入配電、UPS輸入配電、負載機架排配電（列頭柜）以及機架配電等。無論是對政府部門、教育機構、還是企業，數據中心供電系統的可靠穩定運行都非常重要，數據中心供電系統故障會造成數據中心的服務器，交換機等設備斷電，進而引起企業數據中心信息資料的丟失和數據業務的中斷并帶來重大的經濟損失。

二、當前柴油發電機和UPS 配合運行時存在的問題

當市電因意外情況中斷供電時，UPS 會自動切換到電池模式即UPS整流器停止工作，UPS 逆變器把蓄電池儲存的直流電能轉換為交流電源輸出給 IT 負載。與此同時，柴油發電機開始啟動，在柴油發電機順利啟動之后，即可將 UPS 接入到發電機輸出回路，由柴油發電機給 UPS 供電，如圖 2-1所示為柴油發電機給UPS 供電的結構圖。

圖2-1柴油發電機給UPS供電結構圖

然而，在將UPS 接入時，柴油發電機和 UPS 之間卻存在如下問題：

（1）柴油發電機的輸出電壓波形也即 UPS 的輸入電壓波形畸變嚴重，UPS 整流器無法正常工作，發電機繞組出現劇烈發熱現象。

（2）當 UPS 以輕載狀態接入發電機時，柴油發電機電壓突然升高，并最終導致系統因過壓保護和欠勵磁保護而停機。

（3）在 UPS 輸出側所接負載不變的情況下，UPS 的輸入電壓、輸入電流及母線電壓均出現振蕩。（本次不做介紹）

三、UPS 容性特性對兼容性的影響及解決方法

在數據中心供電系統中，經常會出現市電給UPS 供電時，UPS 能夠正常工作，而當市電斷開并由柴油發電機給 UPS 供電時，柴油發電機和 UPS 均出現工作異常的情況。如柴油發電機輸出電壓突然升高，勵磁丟失，進而引起系統因過壓保護和欠勵磁保護而停機；并最終導致數據中心停電宕機事故。

必須采取有效的措施，避免柴油發電機出現容性功率過載現象。為此，在數據中心柴油發電機UPS 容量配比設計時必須考慮 UPS 的容性特性。為避免柴油發電機帶容性負載時出現過載，本文提出 2 種方法：

（1）合理設計柴油發電機與UPS 之間的容量配比關系

帶濾波器的工頻UPS 在空載時容性無功最大，隨著負載率的上升，輸入容性無功逐漸減小。高頻 UPS 隨著帶載率的上升，輸入容性無功功率變化不大。在有功功率為零時，柴油發電機能夠輸出的容性無功功率的最大值為S 。設工頻 UPS的在空載時的容性無功功率為 Q 1 ，高頻 UPS 最大的容性無功功率為 Q 2 ，則在設計柴油發電機和 UPS 容量配比時，必須分別滿足條件：

Q1＜S Q2＜S

（2）改變供電系統架構

柴油發電機帶感性負載的能力要明顯強于帶容性負載的能力。有鑒于此，在進行數據中心供電系統設計時，應該創造必要的應用條件，讓柴油發電機后端所接負載的總輸入功率因數值處于柴油發電機的感性工作區內，盡可能地避免或者減少使得它的后端所接負載的總輸入功率因數處于容性工作區的幾率，這樣的設計策略也可以解決由UPS 容性而導致的系統不兼容問題。

在各方面條件允許的情況下，應該改變柴油發電機只給UPS供電的供電系統架構，而應該采用讓柴油發電機給數據中心的一些感性負載如空調、風機等一起供電的方式。從而使得柴油發電機后端所接負載的總輸入功率特性曲線進入柴油發電機的感性工作區，其原理如圖3-1所示。

3-1供電系統架構改變負載輸入功率特性原理圖

四、諧波畸變對兼容性的影響及解決方法

諧波畸變是影響數據中心供電系統中柴油發電機和UPS 兼容性的重要原因，當供電系統中的 UPS 諧波電流過大時，經常會引起柴油發電機-UPS系統工作異常，導致柴油發電機輸出電壓發生畸變，電樞繞組發熱嚴重，以及 UPS 整流器異常關機等故障。

（一）工頻UPS 輸入電流諧波特性分析

如圖4-1 所示為典型的工頻 6 脈沖 UPS 的主電路拓撲圖，其主要由輸入整流電路、輸出逆變電路、輸出濾波電路所組成。在整個系統結構中，前端的三相全橋晶閘管整流裝置，中間的高頻逆變裝置，以及后端的輸出變壓器均可以引起系統中諧波電流畸變。但在整個系統中，由前端晶閘管整流器所引起的諧波畸變遠高于后者，所以通常認為，由前者產生諧波電流是引起工頻 UPS 輸入電流諧波畸變的最主要的原因。

圖4-1工頻六脈沖UPS主電路拓撲圖

由于晶閘管屬于半控器件，即只能控制其開通，不能控制其關斷，故采用晶閘管整流器的工頻UPS 只能對母線電壓進行控制，而不能對輸入電流進行調節，因此導致了工頻晶閘管整流電路輸入電流存在較高的諧波電流成分。

工頻十二脈沖UPS 原理與工頻六脈沖 UPS 相同，只不過其整流器由兩個六脈沖工頻晶閘管整流器并聯工作，構成了十二脈沖整流器,且在整流器前端增加了三相三繞組變壓器。

（二）高頻UPS 輸入電流諧波特性分析

對于高頻UPS 而言，其輸入整流器通常為三相 Boost 型 PWM 整流器。如圖 4-2 所示為高頻 UPS 主電路結構，由于三相 PWM 整流器采用基于 dq旋轉坐標系的矢量控策略，即把三相 PWM 整流器的交流輸入電流分解為直軸電流 i d 和交軸電流 i q 分別進行控制，并且通常控制交軸電流 i q 為 0，以實現輸入電流能夠完全跟蹤輸入電壓，并獲得較高的功率因數。從而使得三相PWM 整流器輸入電流通常比較平滑，輸入電流波形接近正弦波，輸入電流諧波含量較低 。因此，采用三相 PWM 整流器的高頻 UPS 輸入電流波形質量通常較好,當其接入柴油發電機輸出回路，由柴油發電機供電時，其輸入電流諧波畸變對柴油發電機輸出電壓波形畸變的影響較小。

圖4-2高頻UPS主電路拓撲圖

為避免因UPS 諧波電流畸變而導致的柴油發電機-UPS 系統不能正常工作，在設計柴油發電機機和 UPS 的容量配比關系時必須考慮 UPS 的諧波電流畸變因素，才能保證柴油發電機 UPS 系統之間的兼容性。對于 UPS 來說，采用不同拓撲結構，其輸入諧波電流含量各不相同，如表 4-3 所示，且通常存在如下關系：6 脈沖整流（不帶濾波器）>12 脈沖整流(不帶濾波器)>6 脈沖整流(帶濾波器)>12 脈沖整流(帶濾波器)≈高頻整流。

表4-3 不同拓撲結構 UPS 滿載時輸入諧波電流畸變率典型值

（3）UPS與發電機的容量搭配（經驗表）

因為柴油發電機的內阻抗要比電網的阻抗大很多，因此當柴油發電機給UPS 供電時，系統中的諧波電流畸變疊加在發電機輸出阻抗上而引起柴油發電機輸出電壓產生較大的諧波畸變，從而影響 UPS 整流器和發電機 AVR 的正常工作。所以，諧波電流畸變也應該是設計容量配比時需要考慮到因素，必須保證在此容量配比下柴油發電機輸出電壓畸變不超過柴油發電機-UPS 系統正常工作允許的最大 THDU 值，柴油發電機容量才能滿足要求。

綜上所述，通過對數據中心供電系統中柴油發電機與UPS 兼容性問題的討論，本文得出了數據中心油機-UPS 容量配比選型的依據。

審核編輯：湯梓紅