数据中心用应急发电机的设计要点

    随着互联网和云储存的快速发展，要保证这些数据和信息不丢失、不出错、随时能够使用，数据中心供电安全的稳定性至关重要。近年以来，我国加快推动包括大数据中心在内的新型数字基础设施建设，大数据中心建设迎来高潮。与此同时，保障大数据中心供电稳定性的应急电源设备市场也将水涨船高。据统计，2018年我国IDC（互联网数据中心）市场价值规模约为1200亿元。预计我国IDC市场将迎来新一轮大规模增长，市场规模将超过2000亿元，年均增长速度将接近30%，由此带来的应急电源设备市场需求超过200亿元。

    由于在数据中心负载中，有很多UPS、EPS等不间断电源，这些负载统一称为“容性负载”，并且要求发电机在“容性负载”（一般为功率因数为0.9 超前）的工况下，能稳定输出额定有功功率。此种工况下，应急发电机需要做什么特殊设计？数据中心发电机要求体积小、重量轻、可靠性高，在应急状态下能够快速的响应发电机并带负荷，此要求如何实现？要解决上述几个问题，就需要对发电机的电磁方案和结构方案进行特殊设计。

1 电磁方案

    绘制发电机的PQ曲线图，用有功功率P作为纵轴，无功功率Q作为横轴，把同步电机的安全运行范围在图上表示出来，这张图称为同步电机的“功率圆”图，或称同步电机的PQ曲线图。以下以隐极发电机为例，绘制发电机的PQ曲线图（见图1），并得出发电机在容性负载下稳定运行的条件，进而得出数据中心用应急发电机电磁设计要点。

图 1 PQ曲线图

    1.1.1 绘图需要的参数

    额定容量SN=主机电磁PN/cosφN；额定电压UN=主机电磁UN；额定电流 IN=主机电磁IN；额定功率因数=主机电磁cosφN；直轴同步电抗不饱和标幺值=主机电磁Xd；交轴同步电抗不饱和标幺值=主机电磁Xq。

    1.1.2 建立平面直角坐标系

    建立平面直角坐标系如图1所示，坐标原点为O，横坐标表示无功功率Q 的标幺值，纵坐标表示有功功率P的标幺值，有功功率P、无功功率Q和电机视在功率S的基值为额定容量SN。过原点O的射线表示功率因数，第一象限的射线代表滞后的功率因数，第二象限的射线代表超前的功率因数，射线与纵轴的夹角为功率因数角φ。

    图1中AB为励磁电流约束线，BC为原动机功率约束线，CD为容性负载稳定运行约束线，I为定子绕组温升约束线。

  1.1.3 定子绕组温升约束线I

    定子绕组温升取决于定子绕组电流，因发电机电压恒定，所以定子绕组温升取决于发电机的视在功率S。以坐标原点O为圆心、以额定容量标幺值1为半径画圆，此圆即为定子绕组温升约束线。过O作额定功率因数（0.8滞后）射线,该射线与纵坐标的夹角为φN，交定子绕组温升约束线于B点，B点即为额定运行点。

    1.1.4 励磁绕组温升约束线AB

    励磁绕组温升取决于励磁绕组电流，也取决于发电机的励磁电势。在横坐标的负轴上取一点O',使OO'=-(1/Xd），连接O'B，以O'为圆心，以O'B 为半径作圆交横轴于A，则圆弧AB为励磁绕组温升约束线。在三角形 O'OB中，O'O=﹣(1/Xd)；线段OB=1；∠O'OB=90°+φN。

式中：

    1.1.5 原动机功率约束线BC

    过B点作纵坐标的垂线并延伸交0.9超前功率因数射线为C点，线段BC为原动机功率约束线。

    1.1.6 容性负载稳定运行约束线CD

    发电机带容性负载时，电流相位超前电压，电枢反应起助磁作用，建立恒定输出电压，需要励磁绕组输出的励磁电流减小，发电机运行在欠励状态，所以励磁感应电势Eo也相应较小，根据公式（2）可以看出,隐极同步电机电磁功率的幅值减小，那么要想输出同样的电磁功率，功角θ必须相应增大，过载倍数跟着相应减小，当励磁电流减小到功角θ等于90°时，电机将不能稳定运行。

Pem=（mEoU/Xd）sinθ.    （2）

式中：Pem为发电机的电磁功率；m为相数；Eo为励磁电流产生的电势（简称“励磁电势”）；U为发电机输出端电压；Xd为发电机直轴同步电抗；θ为Eo和U的夹角，也称为功率角，简称“功角”。

    为保证发电机在容性负载下安全稳定运行，一般要规定一个安全系数 K，当安全余量K1取10%时，则用励磁电流表示的安全系数 K=K1·O'B=0.1O'B。

    在PQ坐标系中，有功功率用y表示，无功功率用x表示,当功角θ=90°时，输出额定功率需要的最小励磁电流为过O'点垂直横轴的直线[x=-(1/Xd)]与额定功率线（y=cosφN=0.8）交点的纵坐标y1。若安全余量系数为K1，则安全系数K=K1·O'B，在这里O'B可代表额定励磁电流,那么对应安全稳定运行约束线的励磁电流为（y1+K），则工作点为以O'为圆心，以（y1+K）半径的圆与额定功率线（y=cosφN）的交点（x1，y1），x1和y1的关系见公式（3）。简化为：

式中：K=0.1O'B。

    按照上述规律，容性负载稳定运行约束线上任一点坐标为（x，y），则该约束线的关系曲线见式（4）:

    式中：K=K1O'B；O'B见式（1）；y为0～cosφN；x的取值范围是

    按照（4）式可得出容性负载稳定运行约束线CD。

    曲线AB、直线BC、曲线CD和横坐标轴所包围的面积就是隐极同步发电机安全运行的范围，该图称为PQ曲线图。即发电机在容性负载下稳定运行的条件为运行点不超过ABCD所包围的范围。

  1.2 安全余量的选取

    由表 1可知，Xd取值越小，安全余量则越大。但Xd取值太小，发电机功率密度则越小，经济性差。

    为保证发电机带容性负载时，安全余量大于2.6%，同时发电机又有较好的经济性，数据中心用应急发电机Xd值建议设计在156%＞Xd＞146%范围内。

  1.3 数据中心用应急发电机电磁设计要点

    数据中心用应急发电机Xd值设计在156%＞Xd＞146%范围内，发电机在容性负载（0.9超前）下能稳定运行。

2 结构方案

    数据中心发电机要求可靠性高在应急状态下能够快速的发电机并带负荷、体积小、质量轻。

  2.1 可靠性

    数据中心发电机要求可靠性高，在应急状态下能够快速的发电机并带负荷。为此，选择一种可靠的励磁方式是解决该问题的关键，目前国内外无刷同步发电机常见的励磁有以下两种形式：机端取励磁电源加数字式自动电压调节器；永磁副励磁机励磁加数字式自动电压调节器。

    机端取励磁电源加数字式自动电压调节器的励磁方式虽然结构简单，但发电机长时间放置后，发电机常出现剩磁电压不足需要对发电机进行充磁，发电机才可以进行发电带载。这显然不满足数据中心发电机需求。

    永磁副励磁机励磁加数字式自动电压调节器的励磁方式，可以依靠起励并短时间内带上负载，因此，选择该方案是比较合理的。但永磁副励磁机所占用的轴向空间大，发电机体积大、质量重。如图 2所示。

图 2常规设计的副励磁机结构

    常规设计的发电机旋转整流器水平放置在发电机内部轴向长度约99mm，副励磁机放在机座外部轴向长度163mm，发电机整体长度长，质量重。

2.2 体积小、质量轻

    在满足可靠性要求的前提下（选用永磁副励磁机），如何减小发电机体积、降低质量。为此，可设计一种嵌套结构，将旋转整流器和副励磁机合在一起，充分的利用空间，将发电机的轴向长度减短，以实现减轻质量的要求。如图 3所示。

图 3嵌套式结构的发电机

图 4旋转整流器和副励磁机嵌套式的结构

    通过这种创新的结构，发电机的质量大幅度降低，如表 3 所示。

    通过发电机的结构优化，发电机质量较常规设计减重2t，发电机体积小、质量轻。

3 结论

2）结构设计：应采用永磁副励磁机加数字式自动电压调节器的励磁方式保证可靠性，并推荐使用嵌套式的副励磁机结构减短发电机的体积，降低发电机的质量。

作者：焦保君， 焦青英， 马晓勇