現(xiàn)在有很多場(chǎng)合持有“數(shù)據(jù)中心的用電設(shè)備是容性負(fù)載”說(shuō)法非常多,，不但一些知名專(zhuān)家,，甚至包括一些權(quán)威機(jī)構(gòu)。這樣一來(lái)使得人們陷入了一團(tuán)云霧當(dāng)中,。這對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的物理基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃,、設(shè)計(jì)和驗(yàn)收起到了負(fù)面作用。到底孰對(duì)孰錯(cuò)只有通過(guò)理論分析和實(shí)踐佐證才能說(shuō)得清,。實(shí)際上說(shuō)到底還是一個(gè)基本概念的問(wèn)題?，F(xiàn)在就從基本概念入手進(jìn)行討論。

這是如果將雙蹤示波器接在濾波器的輸入端就可以看到電壓是失真的正弦波，而電流是脈沖波,。電阻和電容類(lèi)線性負(fù)載電流和電壓都是不失真的正弦波,，而這里的兩個(gè)波形都是失真波，但只有感性負(fù)載才可以使波形失真,。所以整流濾波電路是感性負(fù)載……對(duì)單相電壓220V的整流器輸入功率因數(shù)是0.6 ,三相整流濾波電路的輸入功率因數(shù)在-0.8左右,。

 圖3  無(wú)功補(bǔ)償原理和矢量圖

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和電子用電設(shè)備的增加，而電子設(shè)備電源又都是呈電感性的整流濾波電路,，所以供電設(shè)備也就也就將這個(gè)補(bǔ)償電容器放在了電源輸出端,，比如目前的發(fā)電機(jī)和UPS等。由于用戶(hù)端的電容補(bǔ)償柜很難掌握下端的用電情況,，所以電容量不好選擇,，為了解決這個(gè)問(wèn)題不得不將容量分成幾段用開(kāi)關(guān)控制，根據(jù)當(dāng)前的用電情況通過(guò)開(kāi)關(guān)加減電容量,。而電源設(shè)備就方便多了,，它可以根據(jù)本設(shè)備提供功率和用電負(fù)載的性質(zhì)規(guī)定一個(gè)功率因數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)就可以根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)選擇補(bǔ)償電容器的容量,。

比如一臺(tái)為功率因數(shù)F_L=的S=400kVA用電設(shè)備供電,，這時(shí)該設(shè)備可以提供的有功功率P和無(wú)功功率Q分別為：

以上是3相數(shù)值,，分到每一相應(yīng)該是

選擇每一相的補(bǔ)償電容量C₁：

式中是市電電壓U=220V，f是市電頻率50Hz,，是圓周率常數(shù),。

當(dāng)然計(jì)算出的電容器的容量并不大，但不能用一只電池,，其原因是此時(shí)的容抗

此時(shí)的無(wú)功電流IC是：

這樣大的電流對(duì)于任何單只電池都無(wú)法承受的,，所以要根據(jù)單只電池的電流耐受能力采用多只電池組合，這就是為什么電源輸出端有很多電池的原因,。

例2：帶電容負(fù)載的情況

一個(gè)輸入功率因數(shù)為F_c= 0.8的線性設(shè)備需要100kVA做功功率,，仍選擇100kVA的負(fù)載功率因數(shù)F= - 0.8的UPS，按照以前的計(jì)算該UPS可輸出的有功功率P和無(wú)功功率Qo是：

P_O=80kW   Q_O= 60kVAr而負(fù)載的需要也是：P_R=80kW   Q_R= 60kVAr

在這里順便說(shuō)一下,，在不考慮過(guò)載能力的前提下負(fù)載功率因數(shù)F= - 0.8的100kVA  UPS逆變器是按功率因數(shù)選擇功率管的,，在這種情況下逆變器功率管按80kW選器件，因?yàn)樵谂c負(fù)載全匹配（補(bǔ)償）的情況下無(wú)功電流不通過(guò)逆變器,，這從圖3（a）看得明白,。

從圖4可以看出電源的容性無(wú)功功率 60kVAr輸出和負(fù)載端的容性無(wú)功功率 60kVAr很明顯就不是互補(bǔ)關(guān)系了，而是直接相加,。這樣一來(lái)兩個(gè)容性無(wú)功功率相加后就成了電源的負(fù)載,，換言之，逆變器的輸出功率要分配到兩個(gè)電容和一個(gè)電阻上,，但真正做功的是線性部分R,。但這時(shí)逆變器輸出功率80kW減去兩只電容上的無(wú)功功率還能留給R多少有功功率功率呢P_OO？  

將上述數(shù)值帶入此式后：,，這是個(gè)虛數(shù),，就是說(shuō)電源給不出這么多的功率。如果滿(mǎn)足上述要求需要多大的逆變器功率P,？

帶入數(shù)值后得：           P?144（kW）

圖4  電源設(shè)備（供電端）帶容性負(fù)載情況原理圖

在這種情況下原來(lái)80 kW的逆變器必須增加到144 kW才可滿(mǎn)足上述容性負(fù)載要求,，換言之，比原來(lái)的容量多了64 kW,，即過(guò)載80%,！可能有的會(huì)說(shuō)：這不正好證明了發(fā)電機(jī)不能帶容性負(fù)載的道理嗎！是的,，發(fā)電機(jī)是不能帶容性負(fù)載,，但上面已經(jīng)說(shuō)明負(fù)載都是感性的！這不矛盾了嗎,？但有一個(gè)事實(shí)應(yīng)該注意,，也就是說(shuō)發(fā)電機(jī)不是今天才用到數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備的，為什么以前就能帶所謂“容性負(fù)載”而今天又不能帶了呢？在十年前就有人說(shuō)計(jì)算機(jī)是容性負(fù)載呀,！這不是前后矛盾嗎,！

例3: 帶電阻（線性）負(fù)載時(shí)的情況

但有一件事情應(yīng)該注意到，在2005年以前的計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）等用市電220V整流濾波供電設(shè)備的輸入功率因數(shù)是-0.6~-0.7,，是典型的感性負(fù)載,；2005年以后所有這些設(shè)備的輸入功率因數(shù)都都向著1補(bǔ)償，最低不能低于-0.95,。這就使得原來(lái)指標(biāo)的供電設(shè)備面臨一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)：根據(jù)以前經(jīng)驗(yàn)選擇的供電設(shè)備容量不夠用了,。圖5表示的是供電設(shè)備（電源）帶線性負(fù)載的原理圖。圖中負(fù)載端的電感L（虛線所示）已微乎其微,，所以在工程上就認(rèn)為這個(gè)-0.95以上的功率因數(shù)為1,，原因是由于補(bǔ)償器件的精度有一個(gè)范圍，其補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果從-0.95開(kāi)始往上有-0.96,，-0.97,，-0.98，-0.99一直到1,，每個(gè)設(shè)備不上的結(jié)果都不一樣，所以認(rèn)為是1對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是有好處的,。所以目前的電子負(fù)載幾乎都進(jìn)入了線性范疇,。為了計(jì)算方便先設(shè)負(fù)載就是線性，至于-0.95的情況下面單獨(dú)討論,。這里仍以100kVA容量為例,。

圖5  供電設(shè)備（電源）帶線性負(fù)載的原理圖

一個(gè)輸入功率因數(shù)為Fc =1的線性設(shè)備需要100kVA做功功率，仍選擇所謂的100kVA負(fù)載功率因數(shù)F= - 0.8的UPS供電,，按照以前的計(jì)算該UPS可輸出的有功功率P和無(wú)功功率Qo是：

P_O=80kW   Q_O= 60kVAr而按照匹配負(fù)載的需要也是：P_R=80kW,，但  Q_R=0kVAr。

從圖4中可以看出原來(lái)UPS輸出端無(wú)功功率Q_O= 60kVAr的補(bǔ)償對(duì)象沒(méi)有了,，因此這個(gè)Q_O= 60kVAr成了UPS的負(fù)載,，因?yàn)檫@個(gè)電容的感抗X_O根據(jù)前面的計(jì)算公式就等于:

就是說(shuō)UPS輸出由于失去了負(fù)載端的補(bǔ)償對(duì)象，它必須首先要在本身這0.81Ω上建立起220V電壓,，這個(gè)電流I_OC是：

在匹配負(fù)載時(shí)這個(gè)電流是不通過(guò)逆變器的,，但此時(shí)必須由逆變器提供，換言之這60kVAr的無(wú)功功率要從逆變器的功率中提取,，此時(shí)逆變器能夠?yàn)樨?fù)載提供的有功功率P_OR根據(jù)勾股弦定律公式代入數(shù)據(jù)后：

從這個(gè)結(jié)果可以看出負(fù)載功率因數(shù)為的電源（包括發(fā)電機(jī)）再帶線性負(fù)載時(shí)只能給出一半的有功功率,。但值得注意的是當(dāng)這種電源供電時(shí)，并不因?yàn)榻o出上述的結(jié)果就停止了,，只要負(fù)載不斷開(kāi)它就繼續(xù)過(guò)載供電,，一直到達(dá)到負(fù)載的要求為止，很明顯已經(jīng)過(guò)載了，過(guò)載量DP是多少,？

這要首先看一看在滿(mǎn)足負(fù)載要求時(shí)逆變功率P_M是多少,？

因?yàn)榘凑疹~定電源功率對(duì)負(fù)載要求的做功功率應(yīng)是：P_R=80kW，這時(shí)逆變器功率PM應(yīng)該是：

過(guò)載25%,。這種過(guò)載情況不會(huì)導(dǎo)致馬上電源關(guān)機(jī),，但由于電源具有一定的過(guò)載能力堅(jiān)持時(shí)間，終究要關(guān)機(jī)的,，這是指具有自動(dòng)過(guò)載關(guān)機(jī)能力的情況下,。然而問(wèn)題是沒(méi)有這么簡(jiǎn)單，如圖4所示是一般UPS結(jié)構(gòu)原理方框圖,。從圖中可以看出,，UPS的面板顯示的輸出電流和功率測(cè)量點(diǎn)都接在了設(shè)備輸出端，在這里測(cè)量的只是負(fù)載端的情況,，流入電容的無(wú)功電流I_C并沒(méi)有測(cè)量到,。也就是說(shuō)在這里只能測(cè)量到P_OR。這樣一來(lái)負(fù)載功率因數(shù)為-0.8的100kVA容量UPS逆變器滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)輸出只有53kW,，在測(cè)量表的顯示帶載率也就是53%,，離100%還差很遠(yuǎn)，于是輸出電流傳感器電路像控制器送去繼續(xù)索取功率的信號(hào),，于是測(cè)量與控制器電路就控制已經(jīng)滿(mǎn)負(fù)荷的逆變器繼續(xù)輸出功率,，一直到逆變器功率管燒毀為止。

北京某政府機(jī)關(guān)數(shù)據(jù)機(jī)房測(cè)得實(shí)際用電量不足40kW,，于是就購(gòu)買(mǎi)了一個(gè)品牌的模塊化UPS,，一共6個(gè)10kVA模塊，該模塊的負(fù)載功率因數(shù)為-0.8,，裝機(jī)運(yùn)行后不到半年6個(gè)模塊陸續(xù)全部燒毀,。這時(shí)LCD上顯示帶載率只有70%多，按照53kW逆變器滿(mǎn)載計(jì)算那就是已經(jīng)過(guò)載20%了,。是這樣長(zhǎng)期過(guò)載的結(jié)果就使得模塊陸續(xù)燒毀,。蘇州某銀行100kVA高頻機(jī)UPS輸入功率因數(shù)為0.999，按照1：1配備了一臺(tái)100kVA發(fā)電機(jī),，加載測(cè)試到70%負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)輸出跳閘,。

圖6  UPS結(jié)構(gòu)原理方框圖

從上面的討論可以看出有的地方說(shuō)發(fā)電機(jī)帶不動(dòng)容性負(fù)載實(shí)際上是誤把線性負(fù)載當(dāng)成了容性負(fù)載。

（二）為什么實(shí)測(cè)負(fù)載是容性結(jié)果

既然數(shù)據(jù)中心的用電設(shè)備都是電感性的,，那為什么用功率因數(shù)表測(cè)出是電容性的呢,？難道功率因數(shù)表是騙人的嗎？不是功率因數(shù)表騙人而是基本概念在騙人,。下面有兩個(gè)問(wèn)題應(yīng)該容易回答,。

問(wèn)題1：請(qǐng)問(wèn)用戶(hù)有一個(gè)功率因數(shù)為-0.8,，功率為400kVA的負(fù)載應(yīng)配多大的UPS？有幾個(gè)用戶(hù)敢于大膽配置1：1容量的UPS,？至少要配置500kVA的功率因數(shù)為-0.8的UPS,。那么500kVA的UPS可給出有功功率P₅₀₀和無(wú)功功率Q₅₀₀的匹配功率為：

P₅₀₀=500kVA?0.8=400kW，Q₅₀₀=500kVA?（ 0.6）= 300kVAr

400kVA負(fù)載需要的有功功率P₄₀₀和無(wú)功功率Q₄₀₀為：

P₄₀₀=400kVA?0.8=320kW,，Q₄₀₀=400kVA?（0.6）=240kVAr

二者補(bǔ)償結(jié)果   DQ=300kVAr 240kVAr = 60kVAr 是容性的,，當(dāng)然用功率因數(shù)表測(cè)出是電容性的。

問(wèn)題2：前面已經(jīng)介紹當(dāng)今的IT設(shè)備輸入功率因數(shù)控制在- 0.95~1,，以最低值-0.95為例,，假如負(fù)載要求400kVA的高頻機(jī)UPS，現(xiàn)在一般高頻機(jī)的負(fù)載功率因數(shù)為,，這時(shí)高頻機(jī)輸出的無(wú)功功率Q_H和負(fù)載需要的無(wú)功功率Q_L分別為：

二者補(bǔ)償結(jié)果    DQ=174kVAr -125 kVAr =49 kVAr 也是容性的,，當(dāng)然用功率因數(shù)表測(cè)出也是電容性的。

顯示容性稱(chēng)為過(guò)補(bǔ)償,。在這里的過(guò)補(bǔ)償不會(huì)導(dǎo)致什么嚴(yán)重后果,；而如果在市電的用戶(hù)輸入端電容補(bǔ)償柜過(guò)補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致電壓升高。所以電容補(bǔ)償柜里面的補(bǔ)償電容器是分組的,，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制每組投入的時(shí)機(jī),。

如果按照有些'負(fù)載是容性'的說(shuō)法，市電電容補(bǔ)償柜就應(yīng)該改成電感補(bǔ)償柜了,。