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

 

導(dǎo)讀：由于數(shù)據(jù)中心機(jī)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(jī)房，數(shù)臺(tái)甚至十幾臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的情況越來越多。在市電中斷時(shí)，除在最快的時(shí)間內(nèi)能自起動(dòng)外，還應(yīng)該最大限度的滿足應(yīng)急負(fù)荷的起動(dòng)及供電容量要求，若容量選擇小，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電壓降過大，容量選得過大，則運(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(jī)組。所以，選取合適的柴油發(fā)電機(jī)組，對(duì)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)具有重要意義。由于柴油發(fā)電機(jī)組肩負(fù)著中心的穩(wěn)定性和安全性，因此發(fā)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)、負(fù)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(jī)組在我們國(guó)內(nèi)是用主用功率即連續(xù)功率來標(biāo)稱的，發(fā)電機(jī)組能夠在24小時(shí)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(shí)段內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)是每12個(gè)小時(shí)之內(nèi)有1個(gè)小時(shí)可在連續(xù)功率的基礎(chǔ)上超載10%，此時(shí)的機(jī)組功率就是我們平時(shí)所說的最大功率，即備用功率。在數(shù)據(jù)機(jī)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(jī)組的容量的。

1、環(huán)境要求

      安裝現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度、濕度和海拔高度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)使用環(huán)境的溫濕度和海拔高度超過發(fā)電機(jī)的額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)需要降容使用。柴油發(fā)電機(jī)房實(shí)景圖如圖2所示。

2、供電負(fù)荷總?cè)萘?/span>

      需要所有柴油發(fā)電機(jī)供電負(fù)荷的容量，裝機(jī)容量，負(fù)荷系數(shù)，功率因數(shù)。電動(dòng)機(jī)負(fù)荷還要給出臺(tái)數(shù)、效率、起動(dòng)電流倍數(shù)等參數(shù)。

3、起動(dòng)順序

① 按照負(fù)荷的重要性分出起動(dòng)的先后順序；

② 按照負(fù)荷大小及起動(dòng)電流大小，同樣重要的電動(dòng)機(jī)容量大、起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，其端子電壓應(yīng)能保證被拖動(dòng)機(jī)械要求的起動(dòng)功率，且在起動(dòng)時(shí)，配電母線上的電壓應(yīng)符含下列要求：

① 電動(dòng)機(jī)不頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于標(biāo)稱電壓的85％（數(shù)據(jù)中心機(jī)旁在柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)屬于不頻繁起動(dòng)的情況）；

② 配電母線上未接照明或其他對(duì)電壓下降敏感的負(fù)荷時(shí)，不應(yīng)低于標(biāo)稱電壓的80%；

③ 配電母線上只有電動(dòng)機(jī)時(shí)，可按照保證電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的條件決定；

④ 對(duì)于低壓電動(dòng)機(jī)，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(shí)，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(jī)房環(huán)境實(shí)景

 

二、負(fù)荷計(jì)算方法

 

1、應(yīng)急負(fù)荷的容量計(jì)算公式

 

 

式中：S_YJ一按所供全部應(yīng)急負(fù)荷計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量，kVA;

P_SZ一事故照明負(fù)荷，kW；

η_SZ一事故照明負(fù)荷的效率；

tgφ_SZ一事故照明負(fù)荷功率因數(shù)角的正切值；

P_M一電動(dòng)機(jī)的額定容量，kW;

η_M一電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)房應(yīng)急情況下取1。

2、用電設(shè)備的負(fù)荷計(jì)算

（1）單組用電設(shè)備負(fù)荷計(jì)算

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

（2）多組用電設(shè)備負(fù)荷計(jì)算

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

注意：

• 對(duì)車間干線

      取K∑p=0.85～0.95 K∑q=0.85～0.97

• 對(duì)低壓母線

① 由用電設(shè)備組計(jì)算負(fù)荷直接相加來計(jì)算時(shí)取K∑p=0.80～0.90K∑q=0.85～0.95。

② 由車間干線計(jì)算負(fù)荷直接相加來計(jì)算時(shí)取K∑p=0.90～0.95 K∑q=0.93～0.97。

3、對(duì)斷續(xù)周期工作制的用電設(shè)備組

① 電焊機(jī)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(jī)的銘牌容量；εN為與銘牌容量對(duì)應(yīng)的負(fù)荷持續(xù)率；cosφ為銘牌規(guī)定的功率因數(shù)。

② 電動(dòng)機(jī)要求統(tǒng)一換算到ε=25%，Pe=2PN(εN)&frac12。

 

三、柴油發(fā)電機(jī)組選型方法

 

1、性能等級(jí)

      在數(shù)據(jù)中心，不同的用電設(shè)備對(duì)供電系統(tǒng)的要求各不相同。有些對(duì)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(gè)不同的等級(jí)，具體如表2所示。從表2可知，數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備（負(fù)載）大部分都是IT負(fù)載，其電源主要由UPS提供。為了滿足這類負(fù)載的用電要求，要特別注意選擇合適的柴油發(fā)電機(jī)組，要選擇至G3級(jí)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(jī)房性能等級(jí)

2、功率定義

      功率標(biāo)定表資料對(duì)各種標(biāo)定方法做了詳細(xì)的介紹。通過查閱功率標(biāo)定表資料可以得出結(jié)論：機(jī)組最基礎(chǔ)的功率是持續(xù)功率，其他的功率則是強(qiáng)化功率。同時(shí)，還可以通過采用限制負(fù)載的使用時(shí)間和平均負(fù)載的方式來提高機(jī)組的功率。

3、發(fā)動(dòng)機(jī)水箱風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)方式

      圖3為柴油發(fā)電機(jī)組水箱風(fēng)扇直接驅(qū)動(dòng)與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式選擇，要以發(fā)電機(jī)的功率作為最主要的參考標(biāo)準(zhǔn)，否則就可能會(huì)使發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率產(chǎn)生異常。

4、0.4 kV與10 kV柴發(fā)機(jī)組的選擇

      數(shù)據(jù)中心可供選擇的柴油發(fā)電機(jī)組有兩種，一種是低壓機(jī)組，另一種是中壓機(jī)組。低壓機(jī)組的額定電壓為0.4 kV，中壓機(jī)組的額定電壓為10 kV。這兩種功率的機(jī)組各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行選擇時(shí)要按照實(shí)際需求來進(jìn)行選擇。具體地，低壓機(jī)組的電流較大，造價(jià)相對(duì)較低，而且不需要單獨(dú)再進(jìn)行接地裝置的設(shè)計(jì)，這種機(jī)組比較適合于單機(jī)系統(tǒng)或者小容量的并聯(lián)系統(tǒng)。而中壓機(jī)組的電流較小，造價(jià)相對(duì)于低壓機(jī)組較貴，還需要設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)。但是它能夠滿足大容量并機(jī)系統(tǒng)的需求。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇時(shí)，要根據(jù)預(yù)期的容量大小和財(cái)務(wù)狀況進(jìn)行合理的選擇，既能夠滿足所需，又不會(huì)造成浪費(fèi)。

5、突加負(fù)載能力

      圖4展示的是在正常的使用過程中，當(dāng)對(duì)發(fā)電機(jī)增加一倍的負(fù)載時(shí)電壓、頻率隨時(shí)間的變化曲線。從圖4可以看出，要盡量將各項(xiàng)偏差的偏差值控制在最小的范圍內(nèi)，同時(shí)恢復(fù)時(shí)間也應(yīng)該盡可能的縮短。

 

圖3  柴油機(jī)水箱風(fēng)扇直接與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)不同功率

圖4  對(duì)發(fā)電機(jī)加100% 階躍負(fù)載時(shí)電壓和頻率與時(shí)間對(duì)比的變化曲線

 

6、與后端負(fù)載的配合

      數(shù)據(jù)中心大致上可以將負(fù)載分為兩種類型，分別是容性負(fù)載和感性負(fù)載。容性負(fù)載主要是IT負(fù)載，感性負(fù)載的主要代表則是空調(diào)等類型電器。這兩類負(fù)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(jī)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(jī)的損耗明顯增加，這使得發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性下降，而不穩(wěn)定性會(huì)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(bào)警，整流器的輸入電壓穩(wěn)定性下降。

7、柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)啟動(dòng)方式

（1）柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)的兩種常見啟動(dòng)方式

① 原廠并機(jī)啟動(dòng)方式

      一般并機(jī)主控制屏和柴油發(fā)電機(jī)組控制屏能調(diào)節(jié)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(xiàn)了電源故障，那么接受到信號(hào)后在10 s之內(nèi)發(fā)電機(jī)組將會(huì)自行啟動(dòng)。在所有的機(jī)組中，基于建立頻率和電壓的時(shí)間次序，逐次進(jìn)入母線中，并按照并聯(lián)運(yùn)行的方式運(yùn)行。在主控制屏上面設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)，如果柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障那么報(bào)警系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，并自動(dòng)停機(jī)、卸載負(fù)荷。檢修工作完成后，電源系統(tǒng)的供電正常了，此時(shí)再關(guān)閉發(fā)電機(jī)進(jìn)行復(fù)位，在下一次電源出現(xiàn)故障時(shí)將再次自行啟動(dòng)。當(dāng)電源恢復(fù)正常之后，系統(tǒng)需要一定的時(shí)間來將所有的負(fù)荷切換至正常的電源。

② 第三方并機(jī)啟動(dòng)方式

      第三方并機(jī)啟動(dòng)方式與原廠并機(jī)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，且兩條線路的電源都出現(xiàn)了問題，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出10 s內(nèi)，發(fā)電機(jī)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，第一臺(tái)建立穩(wěn)定的頻率和電壓，通過應(yīng)急母線和斷路器進(jìn)行連接，在第一臺(tái)完成連接之后，第二臺(tái)再自動(dòng)進(jìn)行與主母線的并聯(lián)。直到所有的都與母線進(jìn)行連接，共同承擔(dān)系統(tǒng)的負(fù)載。此外，機(jī)組內(nèi)全部發(fā)電機(jī)的投切順序可以由工作人員自行編程來確定。

（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(shè)計(jì)時(shí)可以按照實(shí)際需求進(jìn)行選擇。如果有10臺(tái)10 kV的機(jī)組進(jìn)行并機(jī)，那么原廠并機(jī)系統(tǒng)需要20 s左右來實(shí)現(xiàn)將所有的機(jī)子都投入負(fù)載，而另外一種方式所需要的時(shí)間則明顯更長(zhǎng)，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(jī)的機(jī)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(jī)系統(tǒng)。但是原廠并機(jī)系統(tǒng)的造價(jià)較高。根據(jù)計(jì)算，如果同組并機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組超過3臺(tái)，原廠并機(jī)系統(tǒng)造價(jià)會(huì)超過第三方系統(tǒng)。因此在資金有限，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性要求較低時(shí)可以考慮采用第三方并機(jī)啟動(dòng)方式。

8、環(huán)境要求

（1）選址

      發(fā)電機(jī)房的位置的選擇也是需要考慮的一個(gè)方向。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，目前絕大多數(shù)的發(fā)電機(jī)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(duì)于機(jī)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(huì)將柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置為電梯、消防電源等一級(jí)負(fù)荷的后備電源。這樣的后備電源不需要太多的機(jī)組，一般設(shè)置一臺(tái)到兩臺(tái)就足夠使用。然而對(duì)于數(shù)據(jù)中心來說，機(jī)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(dú)立的動(dòng)力中心，將發(fā)電機(jī)集中放置。

（2）排放物及噪音

      大型數(shù)據(jù)中心的機(jī)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(jī)功率因數(shù)曲線

圖6  柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)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(huì)的信息化需求而建設(shè)的一整套包括計(jì)算機(jī)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(shí)間及時(shí)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(duì)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(jī)構(gòu)的新產(chǎn)業(yè)，協(xié)助其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。數(shù)據(jù)中心的重要性日漸凸顯，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)有很多需要考慮的地方，對(duì)于每一個(gè)因素都應(yīng)該慎重考慮，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定性和安全性較高的數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)備。

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