新聞主題	數據中心柴油發(fā)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(fā)電機并列運行的情況越來(lái)越多。在市電中斷時(shí)，除在最快的時(shí)間內能自起動(dòng)外，還應該最大限度的滿(mǎn)足應急負荷的起動(dòng)及供電容量要求，若容量選擇小，電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)電壓降過(guò)大，容量選得過(guò)大，則運行經(jīng)濟效益差。在數據中心中，備用電源大部分來(lái)自于柴油發(fā)電機組。所以，選取合適的柴油發(fā)電機組，對數據中心的設計具有重要意義。由于柴油發(fā)電機組肩負著(zhù)中心的穩定性和安全性，因此發(fā)電機的技術(shù)指標、負載的性質(zhì)等都是選擇時(shí)需要考慮的方向。

 

一、選型的必備條件

 

      柴油發(fā)電機組在我們國內是用主用功率即連續功率來(lái)標稱(chēng)的，發(fā)電機組能夠在24小時(shí)還內連續使用的最大功率我們稱(chēng)還為連續功率，而在某一時(shí)段內，標準是每12個(gè)小時(shí)之內有1個(gè)小時(shí)可在連續功率的基礎上超載10%，此時(shí)的機組功率就是我們平時(shí)所說(shuō)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(lái)選擇發(fā)電機組的容量的。

1、環(huán)境要求

      安裝現場(chǎng)的環(huán)境溫度、濕度和海拔高度應符合標準，當使用環(huán)境的溫濕度和海拔高度超過(guò)發(fā)電機的額定值時(shí)，發(fā)電機需要降容使用。柴油發(fā)電機房實(shí)景圖如圖2所示。

2、供電負荷總容量

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

3、起動(dòng)順序

① 按照負荷的重要性分出起動(dòng)的先后順序；

② 按照負荷大小及起動(dòng)電流大小，同樣重要的電動(dòng)機容量大、起動(dòng)電流大的優(yōu)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(jiàn)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(dòng)機起動(dòng)時(shí)，其端子電壓應能保證被拖動(dòng)機械要求的起動(dòng)功率，且在起動(dòng)時(shí)，配電母線(xiàn)上的電壓應符含下列要求：

① 電動(dòng)機不頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于標稱(chēng)電壓的85％（數據中心機旁在柴油發(fā)電機供電時(shí)，電動(dòng)機屬于不頻繁起動(dòng)的情況）；

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

③ 配電母線(xiàn)上只有電動(dòng)機時(shí)，可按照保證電動(dòng)機起動(dòng)轉矩的條件決定；

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

 

圖1  數據中心配電系統組成.

圖2  柴油發(fā)電機房環(huán)境實(shí)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(fā)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(dòng)機的額定容量，kW;

η_M一電動(dòng)機的額定效率，通?？梢匀?.8~0.9，或由產(chǎn)品樣本文差得；

tgφ_M一電動(dòng)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(chē)間干線(xiàn)

      取K∑p=0.85～0.95 K∑q=0.85～0.97

• 對低壓母線(xiàn)

① 由用電設備組計算負荷直接相加來(lái)計算時(shí)取K∑p=0.80～0.90K∑q=0.85～0.95。

② 由車(chē)間干線(xiàn)計算負荷直接相加來(lái)計算時(shí)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(dòng)機要求統一換算到ε=25%，Pe=2PN(εN)&frac12。

 

三、柴油發(fā)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(gè)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(mǎn)足這類(lèi)負載的用電要求，要特別注意選擇合適的柴油發(fā)電機組，要選擇至G3級別。除了滿(mǎn)足這些條件外，還要保證數據中心滿(mǎn)足相應的技術(shù)要求。

表2    柴油發(fā)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(guò)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(shí)，還可以通過(guò)采用限制負載的使用時(shí)間和平均負載的方式來(lái)提高機組的功率。

3、發(fā)動(dòng)機水箱風(fēng)扇驅動(dòng)方式

      圖3為柴油發(fā)電機組水箱風(fēng)扇直接驅動(dòng)與電動(dòng)驅動(dòng)功率示意圖。從圖3不難發(fā)現，在日常使用的過(guò)程中要尤其注意風(fēng)扇的驅動(dòng)方式選擇，要以發(fā)電機的功率作為最主要的參考標準，否則就可能會(huì )使發(fā)電機的實(shí)際輸出功率產(chǎn)生異常。

4、0.4 kV與10 kV柴發(fā)機組的選擇

      數據中心可供選擇的柴油發(fā)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(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，設計人員在進(jìn)行選擇時(shí)要按照實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行選擇。具體地，低壓機組的電流較大，造價(jià)相對較低，而且不需要單獨再進(jìn)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(lián)系統。而中壓機組的電流較小，造價(jià)相對于低壓機組較貴，還需要設計接地系統。但是它能夠滿(mǎn)足大容量并機系統的需求。設計人員在進(jìn)行設計和選擇時(shí)，要根據預期的容量大小和財務(wù)狀況進(jìn)行合理的選擇，既能夠滿(mǎn)足所需，又不會(huì )造成浪費。

5、突加負載能力

      圖4展示的是在正常的使用過(guò)程中，當對發(fā)電機增加一倍的負載時(shí)電壓、頻率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。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(shí)恢復時(shí)間也應該盡可能的縮短。

 

圖3  柴油機水箱風(fēng)扇直接與電動(dòng)驅動(dòng)不同功率

圖4  對發(fā)電機加100% 階躍負載時(shí)電壓和頻率與時(shí)間對比的變化曲線(xiàn)

 

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(lèi)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(lèi)型電器。這兩類(lèi)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(guò)程中，電壓的大小是不同突變的。

      發(fā)電機功率因數曲線(xiàn)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(fā)電機的損耗明顯增加，這使得發(fā)電機的穩定性下降，而不穩定性會(huì )反饋于UPS，從而造成UPS旁路輸入的頻率超過(guò)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(fā)電機組并機啟動(dòng)方式

（1）柴油發(fā)電機組并機的兩種常見(jiàn)啟動(dòng)方式

① 原廠(chǎng)并機啟動(dòng)方式

      一般并機主控制屏和柴油發(fā)電機組控制屏能調節成自動(dòng)模式，如圖6所示。這兩個(gè)控制屏都是自動(dòng)控制模式的狀態(tài)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(fā)電機組將會(huì )自行啟動(dòng)。在所有的機組中，基于建立頻率和電壓的時(shí)間次序，逐次進(jìn)入母線(xiàn)中，并按照并聯(lián)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(fā)電機出現故障那么報警系統會(huì )進(jìn)行報警，并自動(dòng)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(shí)再關(guān)閉發(fā)電機進(jìn)行復位，在下一次電源出現故障時(shí)將再次自行啟動(dòng)。當電源恢復正常之后，系統需要一定的時(shí)間來(lái)將所有的負荷切換至正常的電源。

② 第三方并機啟動(dòng)方式

      第三方并機啟動(dòng)方式與原廠(chǎng)并機啟動(dòng)方式存在很大的差異。在實(shí)際操作中，如若兩個(gè)控制屏都在自動(dòng)模式狀態(tài)下，且兩條線(xiàn)路的電源都出現了問(wèn)題，啟動(dòng)信號發(fā)出10 s內，發(fā)電機就會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，第一臺建立穩定的頻率和電壓，通過(guò)應急母線(xiàn)和斷路器進(jìn)行連接，在第一臺完成連接之后，第二臺再自動(dòng)進(jìn)行與主母線(xiàn)的并聯(lián)。直到所有的都與母線(xiàn)進(jìn)行連接，共同承擔系統的負載。此外，機組內全部發(fā)電機的投切順序可以由工作人員自行編程來(lái)確定。

（2）兩種啟動(dòng)方式的選擇

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

      甚至在某些情況下需要消耗100 s的時(shí)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(yōu)先選擇原廠(chǎng)并機系統。但是原廠(chǎng)并機系統的造價(jià)較高。根據計算，如果同組并機柴油發(fā)電機組超過(guò)3臺，原廠(chǎng)并機系統造價(jià)會(huì )超過(guò)第三方系統。因此在資金有限，對機組的穩定性要求較低時(shí)可以考慮采用第三方并機啟動(dòng)方式。

8、環(huán)境要求

（1）選址

      發(fā)電機房的位置的選擇也是需要考慮的一個(gè)方向。從統計數據來(lái)看，目前絕大多數的發(fā)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(huì )將柴油發(fā)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(lái)說(shuō)，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(dòng)力中心，將發(fā)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(chǎn)生的排放物和產(chǎn)生的噪音也是需要考慮的方向。

 

圖5  發(fā)電機功率因數曲線(xiàn)

圖6  柴油發(fā)電機組自動(dòng)并聯(lián)系統框圖

 

總結：

      數據中心是為了滿(mǎn)足現代社會(huì )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(shí)間及時(shí)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(fā)電行業(yè)也必須適應這種新的工作方式，并服務(wù)于這種不同于銀行、貿易、休閑娛樂(lè )或政府機構的新產(chǎn)業(yè)，協(xié)助其數據存儲需求。數據中心的重要性日漸凸顯，對數據進(jìn)行統計和分析也變得越來(lái)越重要，所以數據中心的規模越來(lái)越大，復雜程度越來(lái)越高。在進(jìn)行柴油發(fā)電機組設計時(shí)有很多需要考慮的地方，對于每一個(gè)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(fā)電機組設備。

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