新聞主題	集裝箱式柴油發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，將整個數據中心分為若干個獨立集裝箱.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行設計。隨著業務需求的變化，不斷增加獨立模塊，從而實現快速建設。通過分析集裝箱式數據中心負荷的特點及柴油發電機組功率特性以及相關規范的研究，提出了集裝箱式數據中心柴油發電機組功率選型方式與安裝條件。

 

      近年來，隨著客戶需求的不斷提高，對數據中心機房硬件方面的要求也越來越嚴格。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，數據中心通常都由兩路獨立市電供電，同時由UPS和柴油發電機組配合，為關鍵設備提供市電中斷時的備用電源。其中UPS依靠備用電池組提供短時斷電的后備保證，而較長時間的市電中斷，則依靠柴油發電機組來提供電源。因此，柴油發電機組的正確選用，對數據中心的高可用性至關重要。

 

一、柴油發電機組的選用

 

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

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

 1、電動機類負載

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

（2）采用軟起動的用電設備，計算方法為發電機組容量=2倍系數運行容量。

（3）采用直接起動的用電設備，計算方法為2KW/HP優化后→1KW/HP。

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

2、空調類負載

（1）估算

      以TONS為單位，按照2HP/ton折算成馬達負載。

（2）精確計算

      按實際的馬達負載計算選出的容量再乘以同時率。

3、消防泵類負載

（1）沖擊負載PkW= SkW； PkVA = SkVA。

（2）最大容許的峰值電壓驟降： 15%。

4、UPS類負載

（1）一般發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）配置諧波過濾器；

（7）采用同步調速器；

（8）采用永磁發電機（PMG）。

 

圖1  雙消聲器式集裝箱型發電機組

圖2  吸風式集裝箱型發電機組

 

二、非線性負載對設備的影響

 

      線性負載和非線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。

      發電機組所帶負載中，如果非線性負載小于其額定功率的25%時，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為主的非線性負載，已經占到了發電機組額定功率的40%甚至更高，因此在設計柴油發電機組時，必須充分考慮UPS的因素。UPS對柴油發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，已經很大程度上控制了諧波電流，但是在發電機組供電時，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電機定于繞組中時，會使交流輸出電壓產生畸變。這種畸變嚴重時就可能影響發電機組本身，如調壓系統和/或控制系統的正常工作、定子線圈的過熱等，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，在發電機組的選擇上，可采取的相應措施包括：

（1）永磁發電機

      發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電機負載無關，可以有效地避免因諧波電流對主磁場的擾動而對調壓器的電源供應產生的不利影響。

（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，能更準確地體現實際電流的效果。

（3）增大發電機容量

      這是一種目前廣泛采用的行之有效的解決發電機組與UPS兼容問題的方法。增大容量的實質，是通過降低發電機的內阻，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電機，即俗稱的“小馬拉大車”方式。

2、容性輸入特性

      隨著輸入濾波器的應用，UPS輸入功率因數提高，輸入諧波電流失真度（THDI）降低，這是一個很好的改進。但是，這種UPS在空載或輕載的時候，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，此時發電機組的運行可能會產生問題。

      盡管這種因UPS空載或低載時的容性特性而產生的問題并不必然發生，在設計時仍應盡可能的避免這種情況的發生。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；其次，在發電機組投入使用時，應考慮優先投入感性負載，如空調等，由于UPS可由蓄電池維持一段時間，這一點并不難做到。

3、其他因素的影響

      確定了發電機組容量、數量、運行方式、技術要求等因素后，在設計階段，還應注意以下幾個問題。

（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，一般要求不得超過油機額定容量的5%。

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

（3）電池的充電器應為全自動均充/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，通常都應配備自動溫控冷卻液加熱器，以使發電機組始終保持在適宜的溫度，保證隨時順利起動。

（4）發電機組應就近布置日用油箱。

 

圖3  柴油發電機線性負載電流波形圖

圖4  柴油發電機非線性負載電流波形

 

 

四、安裝環境要求

 

1、戶外使用

      對于室外使用的集裝箱式發電機組，其周邊環境安全要求主要包括以下幾個方面：

（1） 地面平整：

      集裝箱式發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，需要進行加固或者調整，以保證發電機組的穩定性。

（2）防水防潮：

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

（3）防雷防電：

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

（4）安全距離：

      集裝箱式發電機組需要與周圍的建筑物、設備等保持一定的安全距離，以避免發生意外事故。

2、室內使用

      對于室內使用的集裝箱式發電機組，其周邊環境安全要求主要包括以下幾個方面：

（1）通風良好：

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

（2）防火防爆：

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

（2）安全距離：

      集裝箱式發電機組需要與周圍的設備、人員等保持一定的安全距離，以避免發生意外事故。

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

 

總結：

      康明斯發電機廠家認為集裝箱式數據中心柴油發電機的選擇關鍵在于與UPS負載的容量匹配。UPS與柴油發電機容量較為接近時，兩者間匹配問題十分突出，需從UPS的運行工況、整流方式和柴油發電機組的工作方式、勵磁方式、額定功率等方面對柴油發電機組和UPS進行合理選型，實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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