数据中心超前功率因数负载对发电机组的影响

霹雳

0 前言
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。
1 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
刘希禹（中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州450007）
Liu Xiyu（China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.，Ltd.Zhengzhou Branch，Zhengzhou 450007，China）
Impact of Leading Power Factor Load
on Generator Set in Data Center
引用格式：刘希禹. 数据中心超前功率因数负载对发电机组的影响［J］. 邮电设计技术，2018（3）：83-88.
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General
刘希禹
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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=UIcosφ ，视在功率S=UI。
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 （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φ 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。
PF总（ PF真） =PF位移×PF失真=cosφ 1
1+THDi
2
（2）
因为cosφ 不可能大于1，所以
PF总≤PF失真=cosφ 1
1+THDi
2
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THDi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：
PF总=cos18°× 1
1+0.92 =0.95× 1
1+0.81 =0.706
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。
2 备用发电机组的特性
2.1 交流发电机的基本原理
交流发电机的结构和物理特性是非常复杂的，已
超出本文的范围，但是，为了理解超前功率因数负载是
如何影响发电机的，必须了解发电机的一些关键原理。
图1是交流发电机工作原理示意图，其中有一个
旋转磁场，是由转子绕组产生的。如图1所示，励磁直
流电源加在转子绕组上，励磁电流流过绕组时就会产
生旋转磁场。这个旋转磁场使定子绕组不断地切割磁
力线，在定子绕组上就产生3相电压（电势）。发电机
的电压调节器连续测量输出电压，并通过调节励磁电
流调节输出电压。如果负载突然增加引起发电机输出
电压下降，电压调节器即稍稍增加磁场电流，使输出电
压回升。反之亦然，因此可以稳定输出电压。转子磁
场需要的直流电源经滑环和电刷供给。
目前，数据中心均采用无刷交流同步发电机，不采
用电刷。图2是无刷交流同步发电机电路原理图。发
电机的励磁直流电源是位于转子上的一个小交流发电
机和三相桥式整流器产生的，用于发电机主磁场励磁，
发电机定子绕组（主电枢）就产生发电机三相交流输出
电压。转子上励磁机发电机的磁场在定子上，其励磁
直流源是由三相交流电（引自发电机输出）整流得到
的。无刷交流同步发电机的基本工作原理与图1相
同。
2.2 超前功率因数负载的影响
如前所述，不同性质负载的主要区别在于负载电
流相对于电压的相位不同。超前功率因数（电容性）负
载电流超前，滞后功率因数（电感性）负载电流滞后，功
图1 三相同步发电机的基本工作原理
励磁DC电源
励磁电流2极转子
A相
Uf
If
N
S
C相
B相
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率因数1的（电阻性）负载电流与电压同相。不同性质
的负载对发电机的影响也体现在电流的相位上。以下
的讨论侧重于电流的相位。
当发电机为负载供电时，负载电流通过定子绕组
也会产生旋转磁场，定子的旋转磁场与转子的旋转磁
场叠加。当负载有一些不同相电流（无功电流）时，转
子磁场强度会被定子产生的磁场加强或减弱。例如，
如果负载有滞后不同相电流，它将部分地抵消转子旋
转磁场强度，调节器必须增加旋转磁场的励磁电流进
行补偿。与此相反，如果负载有超前不同相电流，它在
定子产生的磁场是增强了转子旋转磁场的强度的。调
节器必须减少励磁电流以进行补偿。这样来维持所要
求的输出电压。当负载功率因数为1时，负载电流流
过定子产生的旋转磁场对转子旋转磁场基本没有影
响，转子磁场强度仅仅由励磁电流确定，即由发电机电
压调节器控制。
电压调节器能在很宽的负载条件下（包括各种超
前和滞后不同相电流）保持输出电压稳定。但是，当超
前不同相电流变得很大时，磁场会增强到很大，即使调
节器不再供给励磁电流了，磁场仍然很大。因为发电
机的调节器不可能提供负的励磁电流。所以当超前不
同相电流超过某一点时，电压调节器就不能进行补偿
了，调节器就关闭了。发电机的输出电压失去控制，不
断上升。结果是发电机的控制电路检测到输出电压过
高并立刻关机。
下面通过发电机输出电压向量图进一步分析超前
不同相电流的影响。图3是发电机供电系统等效电路
和向量图。其中，发电机输出电压U 与发电机内阻Z0
的压降UZ0的向量和等于发电机的电势E。发电机的
内阻UZ0由电阻R 和电感L组成，内阻压降UZ0等于电阻
压降UR和电感压降UL的向量和。
从图3（b）可见，发电机带滞后负载（电感性）时，
电势E 大于输出电压U，较大的电势E 才能产生需要
的输出电压U。如图3（c）所示，发电机带超前负载（电
容性）时，发电机的电势E 比输出电压U 小，即较小的
电势E 即可以产生较大的输出电压U。
在给定的励磁电流和负载电流幅度的情况下，带
滞后负载时产生的电势E 较小，带超前负载时产生的
电势E 较大。
在发电机带较大的超前负载的情况下，为了维持
发电机输出电压U，电压调节器必须减少转子励磁电
流以降低输出电压。但是，定子电流产生的磁场，加上
发电机转子的剩磁。即使关闭电压调节器，将励磁电
流减到零，仍有足够的磁场产生较大的输出电压，这将
导致输出过压，最终使发电机关机。因此，发电机一般
不能带较大的容性负载。
2.3 发电机的运行条件指标
上述发电机运行不稳，甚至关机的现象就是所谓
发电机的“功率因数问题”。这个问题不是由谐波电流
引起的。也不是由滞后不同相电流引起的。它是由大
于某阈值的超前不同相电流引起的。必须指出，虽然
超前不同相电流存在时，功率因数会下降，但这个问题
的根源是超前不同相电流，而不是功率因数的特定值
引起的。例如，如果负载电流的谐波很大，必然会引起
功率因数下降，但不会造成发电机运行不稳和关机。
下面将更详细的讨论这个问题。
每个发电机都有一个可接受的运行条件的指标，
即发电机可以吸收无功功率（超前不同相电流）的指
标。图4示出的是典型的发电机容量曲线。描述了发
电机输出和输入功率的能力。横轴表示输出和输入的
图2 无刷三相同步发电机的基本结构图3 发电机供电系统等效电路和向量图
发电机主电枢
发电机
三相输出电压
发电机主磁场
励磁机 三相整流器
励磁机电枢
三相输入电压
励磁机磁场
发电机
定子
转子
（b）电感性负载
（c）电容性负载
E
ZO
U
负载
I
I
（a）电路图
UZO
UR
UL
E
UZO
E
UR
UL
U
U
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无功功率（kVAr），右边是输出无功功率（正向无功功
率），左边是输入无功功率（反向无功功率）。纵轴表示
输出的有功功率（kW）。无功功率和有功功率均用以
额定容量为基准的标幺值（即单位容量，额定容量的百
分数）表示。图4中放射线是恒功率因数线。
如图4所示，发电机的工作范围分为5个区。1区
是典型发电机的正常工作范围。2区和3区是非正常
工作范围但不会损坏设备。4区和5区是禁止运行的
工作范围，会造成设备损坏或运行异常。
在1区的工作范围内，发电机组的输出有功功率
（kW）在额定有功功率的0和100%之间，输出的无功
功率（kVAr）在额定无功功率的0和60%之间，功率因
数（滞后）在0.8和1.0 之间。
在2区的工作范围内，功率因数（滞后）在0和0.8
之间。输出有功功率在0和0.6之间，输出无功功率在
0和0.85之间。
在3区的工作范围内，功率因数（超前）在0.97和1
之间。输入的无功功率在0和0.2之间，输出有功功率
在0和1之间。
在4区的工作范围内，功率因数（超前）在0和0.97
之间。输入的无功功率在0.2和1之间，输出有功功率
在0和0.98之间。
在5区的工作范围内，功率因数（滞后）在0.8和0
之间。输出的无功功率在0和0.8之间，输出有功功率
在0和0.6之间。
由上可以看出，发电机吸收无功功率的能力比输
出无功功率的能力小得多。因此带超前功率因数负载
的能力非常有限。3区左边与4区（禁止区）的边界位
于输入无功功率大约0.2处的纵轴，表示发电机吸收的
无功功率如果大于额定无功功率的20% 就会造成运
行不稳的问题。例如，1 000 kVA，功率因数0.8 的发电
机组，其额定无功功率为600 kVAr，如果其输入无功
功率大于120 kVAr，就会引起发电机运行不稳或关
机。
发电机吸收无功功率的能力用反向无功功率的极
限表示，也可用超前无功电流极限表示。所以，发电机
工作时的超前无功电流必须小于额定无功电流的
20%，以防止发生运行不稳定的问题。
发电机吸收无功功率的能力不采用限定超前功率
因数表示。因为从2区容量曲线中的恒功率因数线可
以发现，不稳定边界处的功率因数，随着输出有功功率
的大小变化很大。引起发电机不稳的临界超前功率因
数可以从无输出有功功率负载时的0.0变到接近满负
载时的0.97。超前功率因数的极限在不同的有功功率
负载下是不同的，故不能规定一个具体数值。
发电机在轻载时，引起运行不稳的临界超前功率
因数很低，很容易达到。负载较大时，要求的临界功率
因数就变得很大。因此，发电机轻载时，不易发生不稳
定的问题。这也解释了为什么一个数据中心多年来运
行稳定，当IT 负载随时间增大时，就变得不稳了。
3 数据中心备用发电机的负载
数据中心的供电系统由三级电源组成，第一级是
市电/备用发电机，这是数据中心的交流输入电源。第
二级是UPS，UPS的作用是保证不间断供电。第三级
是IT设备的电源单元PSU，PSU为IT设备提供各种电
压等级的直流电源。
在正常情况下，UPS是市电/备用发电机的负载，
IT设备的PSU是UPS的负载。当UPS工作于旁路方式
时，市电/备用发电机直接为IT设备PSU供电。因此，
UPS和IT设备PSU的输入功率因数或电流的相位，都
会影响发电机运行性能。
3.1 UPS 的影响
在数据中心应用最多的UPS是双变换UPS。传统
双变换UPS是有变压器的UPS（也称为工频UPS），新
型双变换UPS是无变压器UPS（也称为高频UPS）。
工频双变换UPS采用SCR相控整流器，其脉冲式
交流输入电流包含大量的谐波电流，采用6脉冲整流
器的双变换UPS的输入电流总谐波失真THD为30%，
采用12脉冲整流器的双变换UPS的输入电流总谐波
失真THD为10%。谐波电流导致功率因数下降，功率
图4 发电机容量曲线
励磁系统
转子
发电机
稳定性1区
3区 2区 4区
5区
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
单位有功功率/kW
0.80 0.90 0.95 1.00 0.95 0.90 0.80
功率因数
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
输入（超前） 单位无功功率/kVAr 输出（滞后）
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因数一般为0.8左右。传统双变换UPS输入电流是滞
后的。
高频双变换UPS采用IGBT整流器，满载时输入功
率因数接近1，基本没有谐波电流。输入电流的相位
是滞后的。但在空载和轻载时会有少量的超前不同相
电流和超前功率因数。
综上所述，UPS 的输入特性对发电机的不良影响
主要是谐波电流。会引起中性线电流增大，变压器和
备用发电机发热，发电机输出电压失真等。这些问题
通常通过配置容量稍大的发电机就可解决。一般不会
出现严重的发电机运行不稳现象。
3.2 IT 设备的电源单元PSU 的影响
早期的IT 设备电源单元PSU是典型的非线性负
载，因为这种电源吸收的谐波电流很大，输入电流的
THD 可达0.5 以上。虽然这种PSU 的不同相电流不
大，但谐波电流导致功率因数下降，一般为功率因
数滞后0.6~0.7。当UPS工作于旁路方式时，发电机直
接为PSU供电，PSU对发电机的影响与经UPS供电时
的影响大致相同。
现代IT设备PSU都配置功率校正器（PFC），
减少了谐波电流，达到相关国际标准的要求。功率因
数校正器消除了谐波，但没有减少不同相电流。事实
上有配置了功率因数校正的IT 设备电源PSU比老式
IT设备电源PSU产生的不同相电流更多，而且是超前
不同相电流。因此，功率校正器解决了谐波的问题，但
出现了更为严重的超前不同相电流的问题。下面讨论
此种IT电源是如何产生超前不同相电流的。
图5是IT设备电源单元PSU电路图。交流输入端
是滤波器，后面是升压变换器组成的功率因数校正器，
其变换频率为20～200 kHz，输出电压为400 V。最后
一级是DC-DC变换器，产生IT设备需要的12、5、3.3
V等直流电压。滤波器的作用是防止升压变换器产生
的高频干扰反馈到市电。滤波器由电感和电容组成，
其中大电容C1是关键元件，就是这个元件产生了超前
不同相电流。导致功率因数从1下降到一定数值超前
功率因数。因为电容C1固定加在输入端，电容引起的
超前不同相电流是固定的，与IT 设备的实际消耗的功
率（负载率）无关。这表明，IT设备负载减少时，IT设
备电源的功率因数会随之下降。因为其有功功率下降
了，而超前不同相电流保持不变。图6示出IT设备电
源功率因数变化曲线。
如果服务器是双电源输入，通过内部的2个600
W的PSU电源供电，假如服务器的实际功率为300 W
（每个电源150 W）。2 个PSU 电源将工作于图6 中
25%的使用点。可以看出此点的功率因数比满载时的
功率因数低得多。一般说来，电源配置得较大或没有
充分利用时，则每瓦IT负载的电容就比较大，因此在
总负载电流中的超前电抗电流就比较大。
4 解决办法
综上所述，现代IT设备电源单元PSU是典型的超
前功率因数负载，会产生反向无功率或超前不同相电
流。而备用发电机组吸收超前无功功率或超前不同相
电流的能力非常有限。因此，曾引起备用发电机组运
行不稳甚至关机的严重故障或存在隐患。为此，必须
采取有效措施解决这个严重问题。
a）选用超前输入电流小的IT 设备。不同的IT设
备电源单元PSU的输入超前不同相电流的大小差别很
大，可考虑将PSU的输入超前电流作为选择IT设备的
依据之一。PSU产生超前电流的根源是输入滤波器的
电容，对于典型的IT 设备来说，每千瓦的PSU电源容
量一般具有1~10 μF的电容范围，按照输入电压和输
图5 IT 设备PSU
DC-DC 3.3 V 变换器
5 V
12 V
F4
C4
F3
F2
C3
C2
LC31
F1 L2
AC L1 PFC 升压
变换器
DC-DC 变换器
DC-DC 变换器
图6 IT设备电源功率因数（随IT设备功率变化）的曲线
80 100
IT电源的百分比负载/%
0 20 40 60
0.55
0.60
0.65
0.70
0.50
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
IT设备输入功率因数
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入电容可以计算输入超前电流。建议选用每千瓦5
μF以下的PSU电源，以保证IT设备功率达到80%时，
输入超前无功功率仍小于发电机额定无功功率的
20%。
b）备用发电机的超前无功功率的限制。如前所
述，在典型的发电机容量曲线中，发电机吸收无功功率
的能力用反向（输入）无功功率（kVAr）的极限表示，发
电机工作时的超前无功功率必须小于额定无功功率的
20%。也可用超前无功电流极限表示。即发电机工作
时的超前无功电流必须小于额定无功电流的20%，以
防止发生运行不稳定的问题。
c）增加电源利用率。如前所述，超前无功功率与
额定IT电源PSU容量成正比，与实际消耗的IT 设备瓦
特数无关。因此，相比于IT 负载实际需要的电源容
量，未充分利用的电源容量或者电源容量超额设计部
分都会带来额外的输入电容。故应合理考虑服务器配
置方案的电源利用率，尽量避免电源容量超额设计。
d）避免双电源负载的2路电源同时连接到一台备
用发电机。目前，大多数IT 设备都是双电源输入负
载。每路电源的容量设计为：当其中一路电源故障时，
另一路电源可以承担全部IT 设备的供电。任何一路
电源应能承受突加50%负载的影响。但每个电源通道
的交流输入始终固定接到其中一路市电/发电机交流
配电线路，因此，在这种方式下，即使负载功率加倍，但
负载的电容不会改变。但是，如果上游配电电路采用
母联分段方式（cross tie），母联开关闭合时，其中一路
市电/发电机配电线路将接入IT 设备2个电源通道的
全部电源设备，这将导致该路市电/发电机配电线路的
电容加倍，因此超前电流加倍。从而对发电机造成严
重影响。所以，应考虑避免上游配电电路采用母联分
段方式。
e）安装电感负载箱。如果发现运行中的数据中
心的超前无功功率较大，可能威胁发电机的安全运行，
可以考虑安装电感负载箱解决。电感负载箱安装在发
电机输出母线上，可以提供固定量的滞后不同相电流，
以抵消IT 设备产生的超前不同相电流。这类似于常
规电路中感性负载较多导致功率因数下降时，用电容
进行功率因数补偿。可以采用带自动开关的电感负载
箱，根据需要加上和撤除电感负载箱。
f）采用静止无功功率发生器（SVG）。SVG是典型
的电力电子设备，可用于动态补偿无功功率。系统处
于感性时，SVG发出容性电流；系统处于容性时，SVG
发出感性电流，以抵消与之相反的无功电流。SVG还
可以抑制谐波电流。故采用SVG可以有效地抑制IT
设备电源PSU产生的超前（容性）电流。
5 结束语
数据中心的备用发电机组承受超前无功功率的能
力非常有限，当输入无功功率大于额定无功功率的
20%时，就可能发生运行不稳，甚至过压关机。数据中
心IT设备电源配置了功率因数校正器和大容量滤波
器电容，会产生大量超前电抗电流。这种超前功率因
数负载对市电不会造成严重不良影响，却是导致发电
机运行不稳的主要原因。关注和分析潜在的发电机不
稳状况是必要的，采取有效的防范措施是重要的。
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9EJ262/VAVR-9EJ262_R0_EN.pdf.
作者简介：
刘希禹，教授级高级工程师，长期从事通信电源研究设计工
作。曾获全国科技大会奖和省部级科技进步奖多项，出版专
著3 册，发表论文100 余篇，多次参加国际电信能源会议
（INTELEC）并发表论文。享受国务院政府特殊津贴。
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