现在有很多场合持有“数据中心的用电设备是容性负载”说法非常多，不但一些知名专家，甚至包括一些权威机构。这样一来使得人们陷入了一团云雾当中。这对数据中心建设中的物理基础设施规划、设计和验收起到了负面作用。到底孰对孰错只有通过理论分析和实践佐证才能说得清。实际上说到底还是一个基本概念的问题。现在就从基本概念入手进行讨论。
一、数据中心用电设备的性质
数据中心的用电设备不外乎两种：直流负载和交流负载。而直接的交流电阻负载诸如空调机的加热棒、加湿器和各种设备的部分指示灯等，众所周知压缩机和伺服电机属于感性负载范畴。
至于直流负载是通过整流滤波变换后供电的，那么整流滤波电路是什么负载性质呢？
一般电子设备都是将交流输入整流滤波成直流供设备使用。如图1(a) 所示就是包括IT在内的一般电子设备原理方框图，一般电源在整流器前面都有一个低通滤波器，从图中可以看到这个“∏”型滤波器输入端十余个电容器，有的就认为这就是电容性负载，其实不然，由于后面有电感和整流器,要综合起来看才行。用图1(b)来进行说明，从图中可以看出交流正弦波被整流程正弦半波后经电容滤成直流电压UC，这就出现了一个问题：如果没有滤波电容器电流是一个正弦半波输入，但有了电容器后输入的正弦波电压幅值必须大于UC才能有电流输入电流，在这之前由于整流二极管是反压而不通电流。因此在整个半波中可以允许通流的时间非常短，恰恰要求在这有限短的时间内输入电流的总值要等于原来正弦半波电流的面积，所以这个电流脉冲就非常高.一般说这个脉冲电流的通导时间不大于30°也就是说这个时间仅仅是半波180°的六分之一，如果负载要求的平均工作电流是100A，那么这个脉冲至少给出600A.这600A在电源内阻上的压降将不能忽略，只输入电压在峰值区不但达不到最大值而且变小了，这就是正弦电压峰值失真成平顶或凹陷的原因。如图1(b)上中下三图对应的情况。
这是如果将双踪示波器接在滤波器的输入端就可以看到电压是失真的正弦波，而电流是脉冲波。电阻和电容类线性负载电流和电压都是不失真的正弦波，而这里的两个波形都是失真波，但只有感性负载才可以使波形失真。所以整流滤波电路是感性负载……对单相电压220V的整流器输入功率因数是0.6 ,三相整流滤波电路的输入功率因数在-0.8左右。
二、UPS输出端的部分电容器是为补偿感性负载的无功功率而设置的
(一)为什么负载端需要无功功率补偿
因为在上世纪60年代以前电子设备非常少，大部分是照明灯、加热器、加工机械和其它伺服设备，所以从电网向负载端看去都显示为电感性质，其输入功率因数大约为—0.8。感性负载无功功率的存在是用户的输入电压明显下降，这不但影响了电网的供电容量也使用电者得不到需要的足够电能,造成了双方损失的局面。
图2(a)示出了一般市电的供电路径情况略图，从图中可以看出当负载为线性时如电炉子和白炽灯等，这些负载直接将市电输送的有功功率全部吸收了。但由于出现了无功功率的需要,真正做功部分的功率被无功器件分去了一部分，如图(b)所示在这个矢量图中负载上得到的本来应该是P=S，但由于QL的出现只好被分区一部分。下边用一个例子来说明。
图2 一般市电的供电路径情况略图
例1: 带电感负载的情况
一个输入功率因数为1的线性设备(比如一台电加热器)需要100kW做功功率，由于设计者的失误，设备的更新输入功率仍然按照100kW设计，但因为加入了电子电路等控制环节，使得设备的输入功率因数变成了F—0.8。这样一来供电局给出的100kW就分成了两部分：有功功率p和无功功率Q。因为在规定100kW输入功率的情况下输入功率因数变成了F=-0.8，那么市电提供的无功功率QL应该是:
这样一来留给做功的有功功率就不是100kW而是：
问题是市电并不因为设计者的错误而只提供100kW，由于负载阻抗的需要还必须提供100kW和60kVAr，即：
这种情况下过载17%，这将会导致输入断路器温度跳闸。
为解决这个问题就利用了电容和电感可以互补的原理在市电用户输入端加装了电容补偿柜C，如图3（a）所示，在完全匹配时，市电仍输入100kW的情况下就可以使做功端。得到足量的100kW。这从图3（b）的矢量图就可以看出当QC=QL时上下互相抵消，就会p=P=100kW。既然这样就可以解决问题所以这个方法得到了广泛地认可，在市电用户端安装电容补偿柜也就成为了通用标准。
图3 无功补偿原理和矢量图
随着电子技术的发展和电子用电设备的增加，而电子设备电源又都是呈电感性的整流滤波电路，所以供电设备也就也就将这个补偿电容器放在了电源输出端，比如目前的发电机和UPS等。由于用户端的电容补偿柜很难掌握下端的用电情况，所以电容量不好选择，为了解决这个问题不得不将容量分成几段用开关控制，根据当前的用电情况通过开关加减电容量。而电源设备就方便多了，它可以根据本设备提供功率和用电负载的性质规定一个功率因数，设计时就可以根据这两个指标选择补偿电容器的容量。
比如一台为功率因数FL=的S=400kVA用电设备供电，这时该设备可以提供的有功功率P和无功功率Q分别为：
以上是3相数值，分到每一相应该是
选择每一相的补偿电容量C1：
式中是市电电压U=220V，f是市电频率50Hz，是圆周率常数。
当然计算出的电容器的容量并不大，但不能用一只电池，其原因是此时的容抗
此时的无功电流IC是：
这样大的电流对于任何单只电池都无法承受的，所以要根据单只电池的电流耐受能力采用多只电池组合，这就是为什么电源输出端有很多电池的原因。
例2：带电容负载的情况
一个输入功率因数为Fc= 0.8的线性设备需要100kVA做功功率，仍选择100kVA的负载功率因数F= - 0.8的UPS，按照以前的计算该UPS可输出的有功功率P和无功功率Qo是：
PO=80kW QO= 60kVAr而负载的需要也是：PR=80kW QR= 60kVAr
在这里顺便说一下，在不考虑过载能力的前提下负载功率因数F= - 0.8的100kVA UPS逆变器是按功率因数选择功率管的，在这种情况下逆变器功率管按80kW选器件，因为在与负载全匹配（补偿）的情况下无功电流不通过逆变器，这从图3（a）看得明白。
从图4可以看出电源的容性无功功率 60kVAr输出和负载端的容性无功功率 60kVAr很明显就不是互补关系了，而是直接相加。这样一来两个容性无功功率相加后就成了电源的负载，换言之，逆变器的输出功率要分配到两个电容和一个电阻上，但真正做功的是线性部分R。但这时逆变器输出功率80kW减去两只电容上的无功功率还能留给R多少有功功率功率呢POO？
将上述数值带入此式后：，这是个虚数，就是说电源给不出这么多的功率。如果满足上述要求需要多大的逆变器功率P？
带入数值后得： P»144（kW）
图4 电源设备（供电端）带容性负载情况原理图
在这种情况下原来80 kW的逆变器必须增加到144 kW才可满足上述容性负载要求，换言之，比原来的容量多了64 kW，即过载80%！可能有的会说：这不正好证明了发电机不能带容性负载的道理吗！是的，发电机是不能带容性负载，但上面已经说明负载都是感性的！这不矛盾了吗？但有一个事实应该注意，也就是说发电机不是今天才用到数据中心机房设备的，为什么以前就能带所谓“容性负载”而今天又不能带了呢？在十年前就有人说计算机是容性负载呀！这不是前后矛盾吗！
例3: 带电阻（线性）负载时的情况
但有一件事情应该注意到，在2005年以前的计算机（服务器）等用市电220V整流滤波供电设备的输入功率因数是-0.6~-0.7，是典型的感性负载；2005年以后所有这些设备的输入功率因数都都向着1补偿，最低不能低于-0.95。这就使得原来指标的供电设备面临一个严峻的考验：根据以前经验选择的供电设备容量不够用了。图5表示的是供电设备（电源）带线性负载的原理图。图中负载端的电感L（虚线所示）已微乎其微，所以在工程上就认为这个-0.95以上的功率因数为1，原因是由于补偿器件的精度有一个范围，其补偿的结果从-0.95开始往上有-0.96，-0.97，-0.98，-0.99一直到1，每个设备不上的结果都不一样，所以认为是1对用户来说是有好处的。所以目前的电子负载几乎都进入了线性范畴。为了计算方便先设负载就是线性，至于-0.95的情况下面单独讨论。这里仍以100kVA容量为例。
图5 供电设备（电源）带线性负载的原理图
一个输入功率因数为Fc =1的线性设备需要100kVA做功功率，仍选择所谓的100kVA负载功率因数F= - 0.8的UPS供电，按照以前的计算该UPS可输出的有功功率P和无功功率Qo是：
PO=80kW QO= 60kVAr而按照匹配负载的需要也是：PR=80kW，但 QR=0kVAr。
从图4中可以看出原来UPS输出端无功功率QO= 60kVAr的补偿对象没有了，因此这个QO= 60kVAr成了UPS的负载，因为这个电容的感抗XO根据前面的计算公式就等于:
就是说UPS输出由于失去了负载端的补偿对象，它必须首先要在本身这0.81Ω上建立起220V电压，这个电流IOC是：
在匹配负载时这个电流是不通过逆变器的，但此时必须由逆变器提供，换言之这60kVAr的无功功率要从逆变器的功率中提取，此时逆变器能够为负载提供的有功功率POR根据勾股弦定律公式代入数据后：
从这个结果可以看出负载功率因数为的电源（包括发电机）再带线性负载时只能给出一半的有功功率。但值得注意的是当这种电源供电时，并不因为给出上述的结果就停止了，只要负载不断开它就继续过载供电，一直到达到负载的要求为止，很明显已经过载了，过载量DP是多少？
这要首先看一看在满足负载要求时逆变功率PM是多少？
因为按照额定电源功率对负载要求的做功功率应是：PR=80kW，这时逆变器功率PM应该是：
过载25%。这种过载情况不会导致马上电源关机，但由于电源具有一定的过载能力坚持时间，终究要关机的，这是指具有自动过载关机能力的情况下。然而问题是没有这么简单，如图4所示是一般UPS结构原理方框图。从图中可以看出，UPS的面板显示的输出电流和功率测量点都接在了设备输出端，在这里测量的只是负载端的情况，流入电容的无功电流IC并没有测量到。也就是说在这里只能测量到POR。这样一来负载功率因数为-0.8的100kVA容量UPS逆变器满负荷时输出只有53kW，在测量表的显示带载率也就是53%，离100%还差很远，于是输出电流传感器电路像控制器送去继续索取功率的信号，于是测量与控制器电路就控制已经满负荷的逆变器继续输出功率，一直到逆变器功率管烧毁为止。
北京某政府机关数据机房测得实际用电量不足40kW，于是就购买了一个品牌的模块化UPS，一共6个10kVA模块，该模块的负载功率因数为-0.8，装机运行后不到半年6个模块陆续全部烧毁。这时LCD上显示带载率只有70%多，按照53kW逆变器满载计算那就是已经过载20%了。是这样长期过载的结果就使得模块陆续烧毁。苏州某银行100kVA高频机UPS输入功率因数为0.999，按照1：1配备了一台100kVA发电机，加载测试到70%负载时发电机输出跳闸。
图6 UPS结构原理方框图
从上面的讨论可以看出有的地方说发电机带不动容性负载实际上是误把线性负载当成了容性负载。
（二）为什么实测负载是容性结果
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是电容性的呢？难道功率因数表是骗人的吗？不是功率因数表骗人而是基本概念在骗人。下面有两个问题应该容易回答。
问题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可给出有功功率P500和无功功率Q500的匹配功率为：
P500=500kVA✕0.8=400kW，Q500=500kVA✕（ 0.6）= 300kVAr
400kVA负载需要的有功功率P400和无功功率Q400为：
P400=400kVA✕0.8=320kW，Q400=400kVA✕（0.6）=240kVAr
二者补偿结果 DQ=300kVAr 240kVAr = 60kVAr 是容性的，当然用功率因数表测出是电容性的。
问题2：前面已经介绍当今的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，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：
二者补偿结果 DQ=174kVAr -125 kVAr =49 kVAr 也是容性的，当然用功率因数表测出也是电容性的。
显示容性称为过补偿。在这里的过补偿不会导致什么严重后果；而如果在市电的用户输入端电容补偿柜过补偿会导致电压升高。所以电容补偿柜里面的补偿电容器是分组的，通过开关控制每组投入的时机。
如果按照有些'负载是容性'的说法，市电电容补偿柜就应该改成电感补偿柜了。
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