摘要：为非线性负载（如UPS、变频器、LED照明等）选择柴油发电机组，其难点在于这类设备会产生谐波和高启动冲击电流。由于柴油发电机组的电源内阻远高于电网，因此不能简单地按总功率放大10-20%来选择，否则极易出现电压不稳、甚至整机设备损坏等问题。简单来说，忽视非线性负载特性，可能导致柴油发电机组变成一堆“废铁”；而正确选型，则能确保系统可靠、经济。

 

一、负载类型和系数算法

 

  线性负载和非线性负载是电路中两种基本负载，在UPS设备和电路中常遇到这两种负载，特别是非线性负载。因此，对这两种负载的特征和区别应有清晰明确的认识。

1、负载特性的分类

  负载按特性分为线性负载与非线性负载，它们的根本区别在于设备从电网或发电机取用电流时，电流波形是否与电压波形保持一致。

（1）线性负载：电流波形与电压波形完全相同（都是标准正弦波），且成比例变化。常见于纯电阻类和纯电感性设备两种（纯电容性设备属于线性负载，但是比较特殊，暂不计入），可参考图1的负载波形。

图1  柴油发电机线性负载电流波形图

（2）非线性负载：电流波形与电压波形不一致，会发生畸变（不再是平滑的正弦波）。常见于含整流、电子开关电路的设备，如电脑、UPS、变频器、LED灯、充电器。非线性负载波形如图3所示。

图2  柴油发电机非线性负载电流波形

2、负载类型的快速判断法

（1）看电源输入部分：设备内部如果先经过整流桥（交流变直流）和电容滤波，则几乎肯定是非线性负载。比如，只要设备配有外部“电源适配器”（大块头充电器）或内置开关电源，它就是非线性负载。

（2）测量法（需专业工具）：使用电能质量分析仪或具备谐波测量功能的万用表，测量设备工作时的总谐波失真（THD）。如果THD显著大于5%，即可判定为非线性负载。

3、负载与功率的匹配方法

  柴油发电机组功率选型的计算方法和负载类型密切相关，主要分为以下几项：

（1）电动机类负载

① 采用PWM（高速切换IGBTS整流）型变频器，（绝缘栅双极晶体管）启动的用电设备，计算方法为发电机组容量=1.4倍系数变频器的容量；其它变频器，计算方法为发电机组容量=2倍系数变频器的容量。

② 采用软起动的用电设备，计算方法为发电机组容量=2倍系数运行容量。

③ 采用直接起动的用电设备，计算方法为2KW/HP优化后→1KW/HP。

④ 采用降压起动的用电设备，计算方法为直接起动容量*SkVA factor。

（2）空调类负载

① 估算：以TONS为单位，按照2HP/ton折算成电机负载。

② 精确计算：按实际的电机类负载计算选出的容量再乘以同时率。

（3）消防泵类负载

① 冲击负载PkW=SkW；PkVA=SkVA。

② 最大容许的峰值电压骤降：15%。

（3）UPS类负载

① 一般发电机组容量估算系数为：1.15（12脉冲）～1.4（6脉冲)。

② 按UPS铭牌容量选，计算方法为（电池充电容量*1.25系数）+将来扩容容量。

③ 按冗余N+1系统，计算方法为电池充电容量*1.25系数。

 

二、非线性负载对设备的影响

 

  发电机组所带负载中，如果非线性负载小于其额定功率的25%时，可以不必特别考虑其影响。但是在大多数情况下，数据中心内以UPS为主的非线性负载，已经占到了发电机组额定功率的40%甚至更高，因此在设计柴油发电机组时，必须充分考虑UPS的因素。UPS对柴油发电机组的影响主要体现在两方面：

1、谐波

  尽管现在的UPS在引入了输入滤波器后，已经很大程度上控制了谐波电流，但是在发电机组供电时，因其容量远小于市电，相对而言存在比较大的内阻，当UPS整流器的谐波电流注入到同步发电机定于绕组中时，会使交流输出电压产生畸变。这种畸变严重时就可能影响发电机组本身，如调压系统和/或控制系统的正常工作、定子线圈的过热等，也可能影响其后续设备如UPS的正常工作。解决方案除了选用输入谐波电流小的UPS（如12脉冲整流或高频整流）外，在发电机组的选择上，可采取的相应措施包括：

（1）永磁发电机：发电机励磁系统采用永磁励磁，以保证调压器供电的稳定。采用永磁励磁，保证了调压器的电源与发电机负载无关，可以有效地避免因谐波电流对主磁场的扰动而对调压器的电源供应产生的不利影响。

（2）RMS检测：调压器必须采用三相均方根（RMS）检测输出电压，必要时检测回路加隔离变压器或低通滤波器。由于谐波电流的存在，很显然单相检测可能导致调压器误调节。均方根（RMS）值也叫有效值，采用RMS检测，能有效地反应出总电流的发热能力，比其他检测方式如平均值等检测，能更准确地体现实际电流的效果。

（3）增大发电机容量：这是一种目前广泛采用的行之有效的解决发电机组与UPS兼容问题的方法。增大容量的实质，是通过降低发电机的内阻，从而弱化谐波电流的不利影响。注意由于负载的有功功率并不增大，因此柴油机功率并不需要放大，而仅选用较大容量的发电机，即俗称的“小马拉大车”方式。

2、容性输入特性

  随着输入滤波器的应用，UPS输入功率因数提高，输入谐波电流失真度（THDI）降低，这是一个很好的改进。但是，这种UPS在空载或轻载的时候，输入特性呈容性，且功率因数非常低，甚至接近于理想的容性负载，此时发电机组的运行可能会产生问题。

  尽管这种因UPS空载或低载时的容性特性而产生的问题并不必然发生，在设计时仍应尽可能的避免这种情况的发生。首先是在UPS的容量及使用方式选择上，应尽量避免使其工作在空载或低载状态；其次，在发电机组投入使用时，应考虑优先投入感性负载，如空调等，由于UPS可由蓄电池维持一段时间，这一点并不难做到。

3、其他因素的影响

  确定了发电机组容量、数量、运行方式、技术要求等因素后，在设计阶段，还应注意以下几个问题。

（1）数据中心一般喜欢采用集装箱式发电机组，应考虑采用静音箱对油机运行容量的影响，一般要求不得超过油机额定容量的5%。

（2）发电机组应能实现全自动运行，即市电故障后自动起动，自动投入，市电恢复后自动退出。发电机组的控制器应具备RS232/485通讯接口，并采用标准Modbus通讯协议，以便实现第三方集中监控。

（3）电池的充电器应为全自动均充/浮充充电器，并具备故障报警功能，以方便远程监控。在寒冷的地区，通常都应配备自动温控冷却液加热器，以使发电机组始终保持在适宜的温度，保证随时顺利起动。

（4）发电机组应就近布置日用油箱。

 

三、标准的选型步骤

 

  为非线性负载正确选型，是将柴油发电机组从“可能根本无法使用或短期内损坏的摆设”，转变为“能够长期、稳定、安全供电的核心资产”的关键所在。它本质上是一个系统兼容性工程，而非简单的功率加法。忽视它，代价可能是灾难性的；而正确处理它，却能换来100%的可靠性。

1、识别关键负载，评估影响

  首先，你需要识别系统中哪些是非线性负载。常见的包括不间断电源（UPS）、开关电源、变频器、电脑、服务器、数据中心设备、整流器、部分灯光控制系统（如可控硅调光）、LED驱动、带软启动或变频控制的电机类设备。这类负载会带来两个主要问题：

（1）产生谐波：导致发电机输出电压波形畸变、异常发热，甚至损坏发电机的绕组和自动电压调节器（AVR）。

（2）启动冲击：许多设备启动瞬间电流极大（可达额定电流的5-7倍），功率因数低，会造成发电机端电压骤降。

2、采用容量放大法进行初步选型

  这是行业内最直接、最常用的方法。由于发电机内阻远大于电网，为了抑制谐波和承受冲击，必须将发电机容量显著放大。

（1）通用非线性负载（UPS、开关电源等）：通常采用放大1.5-2.0倍功率，这是业内为了提高带载成功率而普遍采用的安全范围。

（2）电动机类负载（水泵、空调等）：通常采用放大2.0倍以上功率，直接启动的电机启动电流极大，需要更大冗余。

（3）负载较轻或经处理的负载：通常采用不小于1.2-1.5倍功率，若负载占比小或已采取谐波抑制措施，可适当降低，但仍需留足余量。

3、优化柴发与系统配置

  单纯放大容量会增加成本，结合以下优化手段会更高效：

（1）选择专用发电机：优先考虑永磁励磁（PMG）或三次谐波励磁的发电机。这类发电机在非线性负载导致电压畸变时，能提供更稳定、更强的励磁电流，显著提升带载能力。

（2）加装谐波滤波器：在负载端（如UPS前端）加装有源滤波器，能从根源上减少注入发电机的谐波电流。这对保护发电机、延长其寿命非常有益。

（3）优化启动策略：

① 分时启动：如果有多台大型非线性设备（如多台UPS或空调），设置它们逐个、延时启动，避免所有设备同时启动产生巨大的冲击电流，这会大幅降低对发电机容量的要求。

② 采用软启动：对于大电机，尽量选用软启动或变频启动方式，可将启动电流从7倍降至2-3倍。

4、计入环境因素的修正

  如果使用环境非标准工况，发电机的实际出力会下降，选型时需进一步加大功率。

（1）高海拔：海拔每升高1000米，柴油机功率约下降10%。

（2）高温：环境温度超过40℃，或进气温度超过27℃，同样需要降功率使用。

  修正公式：

最终选型功率=（计算所需功率）/（环境功率修正系数）

 

总结：

区分线性负载和非线性负载最简单的方法，凡是插着“大疙瘩充电头”或内部有“电源盒”的设备，都是非线性负载。然后为非线性负载选择柴油发电机组时，应遵守“先定性，再定量，宁大勿小，软启滤波”的原则。如果你是初次选型或对系统把握不准，建议直接以负载总视在功率的1.5至2倍作为起步标准来选择柴油发电机组容量，并向供应商明确提出负载类型为“非线性负载”，要求其提供PMG励磁的发电机方案。对于数据中心、医院等关键场合，务必进行包含满载和突加负载在内的现场测试验证。

-------------------------------
维修与技术支持：
康明斯（Cummins）作为全球知名品牌，其柴油发电机组故障诊断技术结合了机械、电子和智能系统的综合分析方法，能够快速定位问题并减少停机时间。