新聞主題	集裝箱式柴油發(fā)電機組的選擇和安裝條件

 

摘要：模塊化集裝箱式數據中心是一種新興的數據中心建設模式，將整個(gè)數據中心分為若干個(gè)獨立集裝箱.各集裝箱內設備的規模、功率負載、配置等均按照統一標準進(jìn)行設計。隨著(zhù)業(yè)務(wù)需求的變化，不斷增加獨立模塊，從而實(shí)現快速建設。通過(guò)分析集裝箱式數據中心負荷的特點(diǎn)及柴油發(fā)電機組功率特性以及相關(guān)規范的研究，提出了集裝箱式數據中心柴油發(fā)電機組功率選型方式與安裝條件。

 

      近年來(lái)，隨著(zhù)客戶(hù)需求的不斷提高，對數據中心機房硬件方面的要求也越來(lái)越嚴格。其中，提供高度可靠的電力供應，成為必備條件之一。為做到這一點(diǎn)，數據中心通常都由兩路獨立市電供電，同時(shí)由UPS和柴油發(fā)電機組配合，為關(guān)鍵設備提供市電中斷時(shí)的備用電源。其中UPS依靠備用電池組提供短時(shí)斷電的后備保證，而較長(cháng)時(shí)間的市電中斷，則依靠柴油發(fā)電機組來(lái)提供電源。因此，柴油發(fā)電機組的正確選用，對數據中心的高可用性至關(guān)重要。

 

一、柴油發(fā)電機組的選用

 

      針對上述應用特點(diǎn)，康明斯發(fā)電機公司可以從設計階段開(kāi)始，就做出針對性的安排，以在經(jīng)濟合理的前提下，最大程度地提高其可靠性。

      在選擇發(fā)電機組容量時(shí)，首先需要確定的問(wèn)題是發(fā)電機組的功率定義。按照國標GB/T2820（等效于ISO8528），發(fā)電機組的功率定額分三種，即持續功率（COP）、基本功率（PRP）、限時(shí)運行功率（LTP）以及應急備用功率（ESP）。對集裝箱式數據中心來(lái)說(shuō)，通常都有兩路市電供電，市電的可靠性非常高，所備柴油發(fā)電機組年運行時(shí)間不可能超過(guò)500h，因此，在確定發(fā)電機組功率定額時(shí)，應按限時(shí)運行功率來(lái)選擇。其功率的計算方法和負載類(lèi)型密切相關(guān)，主要分為以下幾項：

 1、電動(dòng)機類(lèi)負載

（1）采用PWM（高速切換IGBTS整流）型變頻器，（絕緣柵雙極晶體管）啟動(dòng)的用電設備，計算方法為發(fā)電機組容量=1.4倍系數變頻器的容量；其它變頻器，計算方法為發(fā)電機組容量=2倍系數變頻器的容量。

（2）采用軟起動(dòng)的用電設備，計算方法為發(fā)電機組容量=2倍系數運行容量。

（3）采用直接起動(dòng)的用電設備，計算方法為2KW/HP優(yōu)化后→1KW/HP。

（4）采用降壓起動(dòng)的用電設備，計算方法為直接起動(dòng)容量*SkVA factor。

2、空調類(lèi)負載

（1）估算

      以TONS為單位，按照2HP/ton折算成馬達負載。

（2）精確計算

      按實(shí)際的馬達負載計算選出的容量再乘以同時(shí)率。

3、消防泵類(lèi)負載

（1）沖擊負載PkW= SkW； PkVA = SkVA。

（2）最大容許的峰值電壓驟降： 15%。

4、UPS類(lèi)負載

（1）一般發(fā)電機組容量估算系數為：1.15（12脈沖）～1.4（6脈沖)。

（2）按UPS銘牌容量選，計算方法為（電池充電容量*1.25系數）+將來(lái)擴容容量。

（3）按冗余N+1系統，計算方法為電池充電容量*1.25系數。

 5、非線(xiàn)性負載選型建議和注意事項

（1）規定合理電壓降10-15%；

（2）限制非線(xiàn)性負載容量(<20%)；

（3）限制再生功率負載(<10%)；

（4）留意苛刻的保護設置；

（5）采用電壓/頻率容差大的VFD；

（6）配置諧波過(guò)濾器；

（7）采用同步調速器；

（8）采用永磁發(fā)電機（PMG）。

 

圖1  雙消聲器式集裝箱型發(fā)電機組

圖2  吸風(fēng)式集裝箱型發(fā)電機組

 

二、非線(xiàn)性負載對設備的影響

 

      線(xiàn)性負載和非線(xiàn)性負載是電路中兩種基本負載，在UPS設備和電路中常遇到這兩種負載，特別是非線(xiàn)性負載。因此，對這兩種負載的特征和區別應有清晰明確的認識，其不同的波形分別如圖3和圖4所示。

      發(fā)電機組所帶負載中，如果非線(xiàn)性負載小于其額定功率的25%時(shí)，可以不必特別考慮其影響。但是在大多數情況下，數據中心內以UPS為主的非線(xiàn)性負載，已經(jīng)占到了發(fā)電機組額定功率的40%甚至更高，因此在設計柴油發(fā)電機組時(shí)，必須充分考慮UPS的因素。UPS對柴油發(fā)電機組的影響主要體現在兩方面：

1、諧波

      盡管現在的UPS在引入了輸入濾波器后，已經(jīng)很大程度上控制了諧波電流，但是在發(fā)電機組供電時(shí)，因其容量遠小于市電，相對而言存在比較大的內阻，當UPS整流器的諧波電流注入到同步發(fā)電機定于繞組中時(shí)，會(huì )使交流輸出電壓產(chǎn)生畸變。這種畸變嚴重時(shí)就可能影響發(fā)電機組本身，如調壓系統和/或控制系統的正常工作、定子線(xiàn)圈的過(guò)熱等，也可能影響其后續設備如UPS的正常工作。

      解決方案除了選用輸入諧波電流小的UPS（如12脈沖整流或高頻整流）外，在發(fā)電機組的選擇上，可采取的相應措施包括：

（1）永磁發(fā)電機

      發(fā)電機勵磁系統采用永磁勵磁，以保證調壓器供電的穩定。采用永磁勵磁，保證了調壓器的電源與發(fā)電機負載無(wú)關(guān)，可以有效地避免因諧波電流對主磁場(chǎng)的擾動(dòng)而對調壓器的電源供應產(chǎn)生的不利影響。

（2）RMS檢測

      調壓器必須采用三相均方根（RMS）檢測輸出電壓，必要時(shí)檢測回路加隔離變壓器或低通濾波器。由于諧波電流的存在，很顯然單相檢測可能導致調壓器誤調節。均方根（RMS）值也叫有效值，采用RMS檢測，能有效地反應出總電流的發(fā)熱能力，比其他檢測方式如平均值等檢測，能更準確地體現實(shí)際電流的效果。

（3）增大發(fā)電機容量

      這是一種目前廣泛采用的行之有效的解決發(fā)電機組與UPS兼容問(wèn)題的方法。增大容量的實(shí)質(zhì)，是通過(guò)降低發(fā)電機的內阻，從而弱化諧波電流的不利影響。注意由于負載的有功功率并不增大，因此柴油機功率并不需要放大，而僅選用較大容量的發(fā)電機，即俗稱(chēng)的“小馬拉大車(chē)”方式。

2、容性輸入特性

      隨著(zhù)輸入濾波器的應用，UPS輸入功率因數提高，輸入諧波電流失真度（THDI）降低，這是一個(gè)很好的改進(jìn)。但是，這種UPS在空載或輕載的時(shí)候，輸入特性呈容性，且功率因數非常低，甚至接近于理想的容性負載，此時(shí)發(fā)電機組的運行可能會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。

      盡管這種因UPS空載或低載時(shí)的容性特性而產(chǎn)生的問(wèn)題并不必然發(fā)生，在設計時(shí)仍應盡可能的避免這種情況的發(fā)生。首先是在UPS的容量及使用方式選擇上，應盡量避免使其工作在空載或低載狀態(tài)；其次，在發(fā)電機組投入使用時(shí)，應考慮優(yōu)先投入感性負載，如空調等，由于UPS可由蓄電池維持一段時(shí)間，這一點(diǎn)并不難做到。

3、其他因素的影響

      確定了發(fā)電機組容量、數量、運行方式、技術(shù)要求等因素后，在設計階段，還應注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）集裝箱式數據中心一般采用靜音箱式油機，應考慮采用靜音箱對油機運行容量的影響，一般要求不得超過(guò)油機額定容量的5%。

（2）發(fā)電機組應能實(shí)現全自動(dòng)運行，即市電故障后自動(dòng)起動(dòng)，自動(dòng)投入，市電恢復后自動(dòng)退出。發(fā)電機組的控制器應具備RS232/485通訊接口，并采用標準Modbus通訊協(xié)議，以便實(shí)現第三方集中監控。

（3）電池的充電器應為全自動(dòng)均充/浮充充電器，并具備故障報警功能，以方便遠程監控。在寒冷的地區，通常都應配備自動(dòng)溫控冷卻液加熱器，以使發(fā)電機組始終保持在適宜的溫度，保證隨時(shí)順利起動(dòng)。

（4）發(fā)電機組應就近布置日用油箱。

 

圖3  柴油發(fā)電機線(xiàn)性負載電流波形圖

圖4  柴油發(fā)電機非線(xiàn)性負載電流波形

 

 

四、安裝環(huán)境要求

 

1、戶(hù)外使用

      對于室外使用的集裝箱式發(fā)電機組，其周邊環(huán)境安全要求主要包括以下幾個(gè)方面：

（1） 地面平整：

      集裝箱式發(fā)電機組需要放置在平整的地面上，以確保其穩定性和安全性。如果地面不平整，需要進(jìn)行加固或者調整，以保證發(fā)電機組的穩定性。

（2）防水防潮：

      由于集裝箱式發(fā)電機組通常放置在室外，因此需要進(jìn)行防水和防潮處理，以避免雨水或者潮氣對設備的損壞。

（3）防雷防電：

      集裝箱式發(fā)電機組需要進(jìn)行防雷和防電處理，以避免雷擊或者電擊對設備的損壞。

（4）安全距離：

      集裝箱式發(fā)電機組需要與周?chē)慕ㄖ?、設備等保持一定的安全距離，以避免發(fā)生意外事故。

2、室內使用

      對于室內使用的集裝箱式發(fā)電機組，其周邊環(huán)境安全要求主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）通風(fēng)良好：

      集裝箱式發(fā)電機組需要放置在通風(fēng)良好的室內，以確保其正常運行和安全性。

（2）防火防爆：

      集裝箱式發(fā)電機組需要進(jìn)行防火和防爆處理，以避免發(fā)生火災或者爆炸事故。

（2）安全距離：

      集裝箱式發(fā)電機組需要與周?chē)脑O備、人員等保持一定的安全距離，以避免發(fā)生意外事故。

      無(wú)論是室內還是室外使用的集裝箱式發(fā)電機組，其周邊環(huán)境安全要求都非常重要。只有在保證周邊環(huán)境的安全性的前提下，才能確保發(fā)電機組的正常運行和使用。因此，在使用集裝箱式發(fā)電機組時(shí)，一定要注意周邊環(huán)境的安全要求，以避免發(fā)生意外事故。

 

總結：

      康明斯發(fā)電機廠(chǎng)家認為集裝箱式數據中心柴油發(fā)電機的選擇關(guān)鍵在于與UPS負載的容量匹配。UPS與柴油發(fā)電機容量較為接近時(shí)，兩者間匹配問(wèn)題十分突出，需從UPS的運行工況、整流方式和柴油發(fā)電機組的工作方式、勵磁方式、額定功率等方面對柴油發(fā)電機組和UPS進(jìn)行合理選型，實(shí)現兩者間有效的匹配工作，以保證平臺電力系統的穩定、可靠、連續運行。

 

 

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