新聞主題	數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機的選配條件和負荷計算方法

 

導(dǎo)讀：由于數(shù)據(jù)中心機房要求供電系統(tǒng)不能中斷，所以，在規(guī)模較大的數(shù)據(jù)中心機房，數(shù)臺甚至十幾臺柴油發(fā)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(nèi)能自起動外，還應(yīng)該最大限度的滿足應(yīng)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(jīng)濟效益差。在數(shù)據(jù)中心中，備用電源大部分來自于柴油發(fā)電機組。所以，選取合適的柴油發(fā)電機組，對數(shù)據(jù)中心的設(shè)計具有重要意義。由于柴油發(fā)電機組肩負著中心的穩(wěn)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(nèi)是用主用功率即連續(xù)功率來標稱的，發(fā)電機組能夠在24小時還內(nèi)連續(xù)使用的最大功率我們稱還為連續(xù)功率，而在某一時段內(nèi)，標準是每12個小時之內(nèi)有1個小時可在連續(xù)功率的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)機房的配電系統(tǒng)中（如圖1所示），我們都是按照連續(xù)功率來選擇發(fā)電機組的容量的。

1、環(huán)境要求

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

2、供電負荷總?cè)萘?/span>

      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(shù)，功率因數(shù)。電動機負荷還要給出臺數(shù)、效率、起動電流倍數(shù)等參數(shù)。

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(yōu)先。

③ 系統(tǒng)允許的電壓降，常用電氣設(shè)備端子的電壓偏差允許值見表1。

表1    常用電氣設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shù)據(jù)中心機旁在柴油發(fā)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(yīng)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(zhuǎn)矩的條件決定；

④ 對于低壓電動機，還應(yīng)保證接觸器線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，可按照70%考慮）。

 

圖1  數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)組成.

圖2  柴油發(fā)電機房環(huán)境實景

 

二、負荷計算方法

 

1、應(yīng)急負荷的容量計算公式

 

 

式中：S_YJ一按所供全部應(yīng)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(shù)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(chǎn)品樣本文差得；

tgφ_M一電動機功率因數(shù)角的正切值；

K一需要系數(shù)，在數(shù)據(jù)中心機房應(yīng)急情況下取1。

2、用電設(shè)備的負荷計算

（1）單組用電設(shè)備負荷計算

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

（2）多組用電設(shè)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(shè)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(xù)周期工作制的用電設(shè)備組

① 電焊機要求統(tǒng)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(yīng)的負荷持續(xù)率；cosφ為銘牌規(guī)定的功率因數(shù)。

② 電動機要求統(tǒng)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(shù)據(jù)中心，不同的用電設(shè)備對供電系統(tǒng)的要求各不相同。有些對供電系統(tǒng)的要求較低，而有些則有特殊的要求。根據(jù)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(shù)據(jù)中心用電設(shè)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(fā)電機組，要選擇至G3級別。除了滿足這些條件外，還要保證數(shù)據(jù)中心滿足相應(yīng)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。通過查閱功率標定表資料可以得出結(jié)論：機組最基礎(chǔ)的功率是持續(xù)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(fā)動機水箱風(fēng)扇驅(qū)動方式

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

4、0.4 kV與10 kV柴發(fā)機組的選擇

      數(shù)據(jù)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)點和缺點，設(shè)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(shè)計，這種機組比較適合于單機系統(tǒng)或者小容量的并聯(lián)系統(tǒng)。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(shè)計接地系統(tǒng)。但是它能夠滿足大容量并機系統(tǒng)的需求。設(shè)計人員在進行設(shè)計和選擇時，要根據(jù)預(yù)期的容量大小和財務(wù)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(fā)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(nèi)，同時恢復(fù)時間也應(yīng)該盡可能的縮短。

 

圖3  柴油機水箱風(fēng)扇直接與電動驅(qū)動不同功率

圖4  對發(fā)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(shù)據(jù)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(diào)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(fā)電機功率因數(shù)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(dǎo)致發(fā)電機的損耗明顯增加，這使得發(fā)電機的穩(wěn)定性下降，而不穩(wěn)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(wěn)定性下降。

7、柴油發(fā)電機組并機啟動方式

（1）柴油發(fā)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(fā)電機組控制屏能調(diào)節(jié)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(tài)下，如果二者之間有出現(xiàn)了電源故障，那么接受到信號后在10 s之內(nèi)發(fā)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(lián)運行的方式運行。在主控制屏上面設(shè)置報警系統(tǒng)，如果柴油發(fā)電機出現(xiàn)故障那么報警系統(tǒng)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(tǒng)的供電正常了，此時再關(guān)閉發(fā)電機進行復(fù)位，在下一次電源出現(xiàn)故障時將再次自行啟動。當電源恢復(fù)正常之后，系統(tǒng)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(tài)下，且兩條線路的電源都出現(xiàn)了問題，啟動信號發(fā)出10 s內(nèi)，發(fā)電機就會自動啟動，第一臺建立穩(wěn)定的頻率和電壓，通過應(yīng)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(lián)。直到所有的都與母線進行連接，共同承擔系統(tǒng)的負載。此外，機組內(nèi)全部發(fā)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(yōu)缺點，分別適用于不同的情況，在進行設(shè)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(tǒng)需要20 s左右來實現(xiàn)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(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)該優(yōu)先選擇原廠并機系統(tǒng)。但是原廠并機系統(tǒng)的造價較高。根據(jù)計算，如果同組并機柴油發(fā)電機組超過3臺，原廠并機系統(tǒng)造價會超過第三方系統(tǒng)。因此在資金有限，對機組的穩(wěn)定性要求較低時可以考慮采用第三方并機啟動方式。

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方向。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，目前絕大多數(shù)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(shè)置應(yīng)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(fā)電機設(shè)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(shè)置一臺到兩臺就足夠使用。然而對于數(shù)據(jù)中心來說，機組較多，其選址就應(yīng)該慎重考慮。一般中小型數(shù)據(jù)中心可以選擇建筑物首層，大型數(shù)據(jù)中心可以建設(shè)獨立的動力中心，將發(fā)電機集中放置。

（2）排放物及噪音

      大型數(shù)據(jù)中心的機組數(shù)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(shù)曲線

圖6  柴油發(fā)電機組自動并聯(lián)系統(tǒng)框圖

 

總結(jié)：

      數(shù)據(jù)中心是為了滿足現(xiàn)代社會的信息化需求而建設(shè)的一整套包括計算機系統(tǒng)、信息處理設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備及其他與之配套設(shè)備的設(shè)施。數(shù)據(jù)中心處理的數(shù)據(jù)越敏感，能在任何時間及時讀取數(shù)據(jù)的有效性就越重要，就越需要可靠的電力設(shè)施為設(shè)備提供持續(xù)電力 ，并應(yīng)對突然停電的緊急情況。因此，發(fā)電行業(yè)也必須適應(yīng)這種新的工作方式，并服務(wù)于這種不同于銀行、貿(mào)易、休閑娛樂或政府機構(gòu)的新產(chǎn)業(yè)，協(xié)助其數(shù)據(jù)存儲需求。數(shù)據(jù)中心的重要性日漸凸顯，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析也變得越來越重要，所以數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高。在進行柴油發(fā)電機組設(shè)計時有很多需要考慮的地方，對于每一個因素都應(yīng)該慎重考慮，設(shè)計出穩(wěn)定性和安全性較高的數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組設(shè)備。

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