新聞主題	數據中心柴油發電機的選配條件和負荷計算方法

 

導讀：由于數據中心機房要求供電系統不能中斷，所以，在規模較大的數據中心機房，數臺甚至十幾臺柴油發電機并列運行的情況越來越多。在市電中斷時，除在最快的時間內能自起動外，還應該最大限度的滿足應急負荷的起動及供電容量要求，若容量選擇小，電動機起動時電壓降過大，容量選得過大，則運行經濟效益差。在數據中心中，備用電源大部分來自于柴油發電機組。所以，選取合適的柴油發電機組，對數據中心的設計具有重要意義。由于柴油發電機組肩負著中心的穩定性和安全性，因此發電機的技術指標、負載的性質等都是選擇時需要考慮的方向。

 

一、選型的必備條件

 

      柴油發電機組在我們國內是用主用功率即連續功率來標稱的，發電機組能夠在24小時還內連續使用的最大功率我們稱還為連續功率，而在某一時段內，標準是每12個小時之內有1個小時可在連續功率的基礎上超載10%，此時的機組功率就是我們平時所說的最大功率，即備用功率。在數據機房的配電系統中（如圖1所示），我們都是按照連續功率來選擇發電機組的容量的。

1、環境要求

      安裝現場的環境溫度、濕度和海拔高度應符合標準，當使用環境的溫濕度和海拔高度超過發電機的額定值時，發電機需要降容使用。柴油發電機房實景圖如圖2所示。

2、供電負荷總容量

      需要所有柴油發電機供電負荷的容量，裝機容量，負荷系數，功率因數。電動機負荷還要給出臺數、效率、起動電流倍數等參數。

3、起動順序

① 按照負荷的重要性分出起動的先后順序；

② 按照負荷大小及起動電流大小，同樣重要的電動機容量大、起動電流大的優先。

③ 系統允許的電壓降，常用電氣設備端子的電壓偏差允許值見表1。

表1    常用電氣設備端子的電壓偏差允許值

 

 4、電壓要求

      電動機起動時，其端子電壓應能保證被拖動機械要求的起動功率，且在起動時，配電母線上的電壓應符含下列要求：

① 電動機不頻繁起動時，不宜低于標稱電壓的85％（數據中心機旁在柴油發電機供電時，電動機屬于不頻繁起動的情況）；

② 配電母線上未接照明或其他對電壓下降敏感的負荷時，不應低于標稱電壓的80%；

③ 配電母線上只有電動機時，可按照保證電動機起動轉矩的條件決定；

④ 對于低壓電動機，還應保證接觸器線圈電壓不低于釋放電壓（從產品樣本中可以查到，查不到樣本時，可按照70%考慮）。

 

圖1  數據中心配電系統組成.

圖2  柴油發電機房環境實景

 

二、負荷計算方法

 

1、應急負荷的容量計算公式

 

 

式中：S_YJ一按所供全部應急負荷計算的發電機容量，kVA;

P_SZ一事故照明負荷，kW；

η_SZ一事故照明負荷的效率；

tgφ_SZ一事故照明負荷功率因數角的正切值；

P_M一電動機的額定容量，kW;

η_M一電動機的額定效率，通常可以取0.8~0.9，或由產品樣本文差得；

tgφ_M一電動機功率因數角的正切值；

K一需要系數，在數據中心機房應急情況下取1。

2、用電設備的負荷計算

（1）單組用電設備負荷計算

P30=KdPe Q30=P30tanφS30=P30/cosφI30=S30/（1.732UN）

（2）多組用電設備負荷計算

P30=K∑p∑P30,iQ30=K∑q∑Q30,iS30=（P²30+Q²30）&frac12；I30=S30/（1.732UN）

注意：

• 對車間干線

      取K∑p=0.85～0.95 K∑q=0.85～0.97

• 對低壓母線

① 由用電設備組計算負荷直接相加來計算時取K∑p=0.80～0.90K∑q=0.85～0.95。

② 由車間干線計算負荷直接相加來計算時取K∑p=0.90～0.95 K∑q=0.93～0.97。

3、對斷續周期工作制的用電設備組

① 電焊機要求統一換算到ε=100%，Pe=PN（εN）&frac12；=Sncosφ（εN）½。式中，PN.SN為電焊機的銘牌容量；εN為與銘牌容量對應的負荷持續率；cosφ為銘牌規定的功率因數。

② 電動機要求統一換算到ε=25%，Pe=2PN(εN)&frac12。

 

三、柴油發電機組選型方法

 

1、性能等級

      在數據中心，不同的用電設備對供電系統的要求各不相同。有些對供電系統的要求較低，而有些則有特殊的要求。根據不同的要求劃分了四個不同的等級，具體如表2所示。從表2可知，數據中心用電設備（負載）大部分都是IT負載，其電源主要由UPS提供。為了滿足這類負載的用電要求，要特別注意選擇合適的柴油發電機組，要選擇至G3級別。除了滿足這些條件外，還要保證數據中心滿足相應的技術要求。

表2    柴油發電機房性能等級

2、功率定義

      功率標定表資料對各種標定方法做了詳細的介紹。通過查閱功率標定表資料可以得出結論：機組最基礎的功率是持續功率，其他的功率則是強化功率。同時，還可以通過采用限制負載的使用時間和平均負載的方式來提高機組的功率。

3、發動機水箱風扇驅動方式

      圖3為柴油發電機組水箱風扇直接驅動與電動驅動功率示意圖。從圖3不難發現，在日常使用的過程中要尤其注意風扇的驅動方式選擇，要以發電機的功率作為最主要的參考標準，否則就可能會使發電機的實際輸出功率產生異常。

4、0.4 kV與10 kV柴發機組的選擇

      數據中心可供選擇的柴油發電機組有兩種，一種是低壓機組，另一種是中壓機組。低壓機組的額定電壓為0.4 kV，中壓機組的額定電壓為10 kV。這兩種功率的機組各有優點和缺點，設計人員在進行選擇時要按照實際需求來進行選擇。具體地，低壓機組的電流較大，造價相對較低，而且不需要單獨再進行接地裝置的設計，這種機組比較適合于單機系統或者小容量的并聯系統。而中壓機組的電流較小，造價相對于低壓機組較貴，還需要設計接地系統。但是它能夠滿足大容量并機系統的需求。設計人員在進行設計和選擇時，要根據預期的容量大小和財務狀況進行合理的選擇，既能夠滿足所需，又不會造成浪費。

5、突加負載能力

      圖4展示的是在正常的使用過程中，當對發電機增加一倍的負載時電壓、頻率隨時間的變化曲線。從圖4可以看出，要盡量將各項偏差的偏差值控制在最小的范圍內，同時恢復時間也應該盡可能的縮短。

 

圖3  柴油機水箱風扇直接與電動驅動不同功率

圖4  對發電機加100% 階躍負載時電壓和頻率與時間對比的變化曲線

 

6、與后端負載的配合

      數據中心大致上可以將負載分為兩種類型，分別是容性負載和感性負載。容性負載主要是IT負載，感性負載的主要代表則是空調等類型電器。這兩類負載的電壓和電流情況有所不同。前者電流超前于電壓，后者電壓超前于電流。在充放電的過程中，電壓的大小是不同突變的。

      發電機功率因數曲線如圖5所示。從圖5可以看出，由于UPS諧波電流的存在，導致發電機的損耗明顯增加，這使得發電機的穩定性下降，而不穩定性會反饋于UPS，從而造成UPS旁路輸入的頻率超過允許范圍，造成不同步報警，整流器的輸入電壓穩定性下降。

7、柴油發電機組并機啟動方式

（1）柴油發電機組并機的兩種常見啟動方式

① 原廠并機啟動方式

      一般并機主控制屏和柴油發電機組控制屏能調節成自動模式，如圖6所示。這兩個控制屏都是自動控制模式的狀態下，如果二者之間有出現了電源故障，那么接受到信號后在10 s之內發電機組將會自行啟動。在所有的機組中，基于建立頻率和電壓的時間次序，逐次進入母線中，并按照并聯運行的方式運行。在主控制屏上面設置報警系統，如果柴油發電機出現故障那么報警系統會進行報警，并自動停機、卸載負荷。檢修工作完成后，電源系統的供電正常了，此時再關閉發電機進行復位，在下一次電源出現故障時將再次自行啟動。當電源恢復正常之后，系統需要一定的時間來將所有的負荷切換至正常的電源。

② 第三方并機啟動方式

      第三方并機啟動方式與原廠并機啟動方式存在很大的差異。在實際操作中，如若兩個控制屏都在自動模式狀態下，且兩條線路的電源都出現了問題，啟動信號發出10 s內，發電機就會自動啟動，第一臺建立穩定的頻率和電壓，通過應急母線和斷路器進行連接，在第一臺完成連接之后，第二臺再自動進行與主母線的并聯。直到所有的都與母線進行連接，共同承擔系統的負載。此外，機組內全部發電機的投切順序可以由工作人員自行編程來確定。

（2）兩種啟動方式的選擇

       這兩種啟動方式各有優缺點，分別適用于不同的情況，在進行設計時可以按照實際需求進行選擇。如果有10臺10 kV的機組進行并機，那么原廠并機系統需要20 s左右來實現將所有的機子都投入負載，而另外一種方式所需要的時間則明顯更長，大致需要1 min

      甚至在某些情況下需要消耗100 s的時間。所以，如果并機的機組較大，那么為了提高系統的穩定性，應該優先選擇原廠并機系統。但是原廠并機系統的造價較高。根據計算，如果同組并機柴油發電機組超過3臺，原廠并機系統造價會超過第三方系統。因此在資金有限，對機組的穩定性要求較低時可以考慮采用第三方并機啟動方式。

8、環境要求

（1）選址

      發電機房的位置的選擇也是需要考慮的一個方向。從統計數據來看，目前絕大多數的發電機電房都選擇在建筑物的地下室。采取這種方式，可以有效的增加地上建筑物的使用面積，但是對于機組的設置應該有更多的考慮。一般的民用建筑如住宅樓等為了保證建筑的安全，一般會將柴油發電機設置為電梯、消防電源等一級負荷的后備電源。這樣的后備電源不需要太多的機組，一般設置一臺到兩臺就足夠使用。然而對于數據中心來說，機組較多，其選址就應該慎重考慮。一般中小型數據中心可以選擇建筑物首層，大型數據中心可以建設獨立的動力中心，將發電機集中放置。

（2）排放物及噪音

      大型數據中心的機組數量較多，其產生的排放物和產生的噪音也是需要考慮的方向。

 

圖5  發電機功率因數曲線

圖6  柴油發電機組自動并聯系統框圖

 

總結：

      數據中心是為了滿足現代社會的信息化需求而建設的一整套包括計算機系統、信息處理設備、數據通信設備及其他與之配套設備的設施。數據中心處理的數據越敏感，能在任何時間及時讀取數據的有效性就越重要，就越需要可靠的電力設施為設備提供持續電力 ，并應對突然停電的緊急情況。因此，發電行業也必須適應這種新的工作方式，并服務于這種不同于銀行、貿易、休閑娛樂或政府機構的新產業，協助其數據存儲需求。數據中心的重要性日漸凸顯，對數據進行統計和分析也變得越來越重要，所以數據中心的規模越來越大，復雜程度越來越高。在進行柴油發電機組設計時有很多需要考慮的地方，對于每一個因素都應該慎重考慮，設計出穩定性和安全性較高的數據中心柴油發電機組設備。

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