一、前言

当今各式各样的数据中心建设仍在热火朝天，当然供配电系统要首当其冲，电源与负载匹配应该是最先考虑的问题。因为好多故障的产生都和负载性质有关，实际上负载性质不外乎就是两大类：线性和非线性，再细分就是阻性、感性和容性三种。只有了解了负载的性质才可以有的放矢地去配置供电方案。

然而就在IT设备负载的性质上在业界就出现了分歧，有的说IT设备是感性负载，更多的人说IT设备是容性负载。在这个问题上是否可以少数服从多数呢？但是在科学技术问题上不应该有举手表决的程序，因为真理有时候掌握在少数人手里。本文的目的就是要探讨一下IT设备的负载性质到底是哪一种。

二、感抗和容抗的补偿关系

为了讨论问题的方便不妨回顾一下元器件的基本知识，构成电路的基本无源器件只有三种：电阻、电感和电容，如图1所示，电路的性质也是由这几种元器件配合有源器件决定的。

（a） 电阻上的各种参数    （b）电阻上的各种参数      （c）电阻上的各种参数

图1  三种基本元器件的符号及其电流电压和电抗的符号表示

图1（a）中的IR和UR是电阻R上的电流和电压：图1（b）中的IC、UC和XC是电容C上的电流电压和电抗，其电抗的计算式为：

p=3.1416，f是电路的工作频率，在这里是50Hz，C是电容量，单位是法拉(F)，L是电感量，单位是亨利(H)。

图2是在元器件电阻R、电容C和电感L上电流和电压的关系，从图2中竖轴表示的是电流，横轴表示的是电压，虚线按顺时针旋转，电流超前电压的是容性，比如IZC，也就是说在电容上市现有电流后有电压； 电流滞后于电压的是感性，比如IZL，而在电感负载上是先有电压后有电流。从图上还可以看出纯电容负载上的电流IC超前电压U90°，而纯电感负载上的电流IL滞后电压 90°。以上两种器件称为惯性器件。可以看出在电阻上电流IR 和电压U是同相位的这就是线性负载。

从图2中也可以看出一个重要问题，那就是感性电流和容性电流方向相反，即相差180°，这就赋予了 此二者的互补（抵消）关系，即感性电流和容性电流直接相减的关系。图2中

这种关系被广泛地应用在电路的补偿场合来改善和实现电路的功能。其补偿功能表现在电抗的互补。

图2  在元器件电阻R、电容C和电感L上电流和电压的关系

比如当感抗和容抗相等时，即XC=XL时，也就是：

就构成了全补偿，即最佳匹配。在实际应用中尤其是在供配电系统中最佳匹配一直是设计者和实施者所追求的目标。

三、常规交流配电系统

容抗和感抗的互补已被广泛地应用在交流配电系统中。图3就是一般交流配电中的无功（电

图3  一般交流配电中的无功（电容）补偿电路

容）补偿电路的两个例子。图3虚线圈中就是一般交流电入户后几乎都有一个电容无功补偿柜。令人奇怪的是为什么长久以来交流电入户后无一例外的几乎都配置一个电容无功补偿柜而不是电感补偿柜呢？只有一个解释，那就是所有用户的用电设备都是感性的。当然这些用

图4  一般电容无功补偿柜的原理电路图

电设备包括了IT在内的所有电子电气设备。图４示出了电容补偿规的原理电路图。

四、UPS与IT负载匹配的场景

1. UPS输出阻抗的性质

UPS输出阻抗的性质是由它的动态性能决定的。即当负载电流作动态变化（突变）时其电压要保持稳定不变.,这就是电压源的特点。为了实现和维持这个特点，电路设计者就采用

图5  一般UPS原理电路方框图

了这样的措施，如图5所示的一般UPS原理电路方框图中逆变器输出电压U，rups是从输出端看进去的UPS内阻，ZL是负载阻抗，负载上的电压：

从计算式（４）可以看出在不同负载情况下ZL是不同的，这就导致了负载电压UL的不稳定。因此为了稳压就必须

只有这样才可以始终保证UＬ＝U。所以UPS时电压源,的特点就是动态内阻等于零。设计者除了在电路上再去措施外，在元器件上也采用了惯性器件电容器。因为恰恰电容器的特点就是在无功补偿中允许电流瞬变而电压不变。另一方面既然所有用户的用电设备都是感性的需要容性无功去补偿，当然在输出端使用电容器去补偿负载输入端的感性无功功率。图５中的电容C１和C２的功能还有将５０Hz正弦波从脉宽调制（PWM）波中过滤出来的功能。

从上面的分析中可以看出，不论是市电入户还是UPS输出端，它们后边面对的应当都是感性负载。如果象有些人说的那样：IT是容性负载。那么就是电容去补偿电容，会出现什么结果呢？现在举一个例子来计算一下。

图6   UPS为匹配容性负载供电时的原理方框图

图6表示的是一台负载功率因数为0.8的10kVA UPS为功率因数为0.8的10kVA容性负载供电时的例子。有的人说UPS是带容性负载的，那么0.8对0.8, 10kVA对10kVA可以说是“最佳”匹配了。

为了说明问题首先了解一下UPS设计的原理。负载功率因数为0.8的10kVA UPS逆变器要按10kVA´0.8=8kW的功率选功率管，这样在匹配负载下就可给出8kW的有功功率，6kvar无功功率由电容给出。这样在带感性负载时就可输出：(6)

由于在感性负载下UPS输出的容性6kvar和负载感性的6kvar相抵消，所以容性6kvar不向逆变器要电流，才使得逆变器可以向负载输送8kW有功功率;但这里负载是6kvar的容性无功功率，这样一来不但UPS输出的容性6kvar因无法抵消而向逆变器索取电流， 6kvar的容性无功功率也应由UPS逆变器提供，这时逆变器的剩余功率PC：

得到一个虚数结果，这就意味着UPS根本无输出！所以UPS带不了容性负载。

五、为什么在UPS输出端测量负载是容性的呢?

这个问题已在多处提出，所以就认为在UPS输出端测得的结果就是负载的数值和性质。

图7  UPS输出和负载输入性质原理方框图

 因此就提出这样养一个问题：既然数据中心的用电设备都是电感性的那为什么用功率因数表测出的结果是电容性的呢？难道功率因数表是骗人的吗？实际功率因数表测得的结果是对的，而且是真实的。只是在理解上出现了偏差，如图7所示就是UPS输出和负载输入性质原理图，在UPS输出端(也是IT负载输入端)测得的结果既不是UPS的也不是IT负载的，而是：

  Qo-Qin      （8）

补偿后的综合结果。为了说明这个问题，下面举两个例子：

例1：请问用户有一个功率因数为0.8，功率为400kVA的负载应配多大的UPS？有几个用户敢于大胆配置1：1容量的UPS？至少要配置500kVA的功率因数为0.8的UPS。那么500kVA的UPS可以输出的有功功率P500和无功功率Q500的匹配功率为：

P500=500kVA✕0.8=400kW（9）

Q500=500kVA✕（+0.6）=+300kVAr（10）

而用户的400kVA负载需要的有功功率P400和无功功率Q400为：

二者补偿结果  

差值是容性的，当然用功率因数表测出是电容性的。

例2：当今的IT设备输入功率因数控制在-0.95~1，以最低值-0.95为例，假如负载要求400kVA的高频机UPS，现在一般高频机的负载功率因数为-0.9，这时高频机输出的无功功率QH和负载需要的无功功率QL分别为：

DQ=174 kVAr -125 kVAr =49kVAr （16）

其差值也是容性的，当然用功率因数表测出也是电容性的。

这就是为什么在UPS输出端测出容性结果的原因。

作者简介：

 孙烁，民航华北空管局空管工程建设指挥部工程师，主要研究方向：机房供配电建设和运维。

编辑：中国电源产业网