数据中心柴油发电机组系统应用建设方案.docx
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数据中心柴油发电机组系统应用建设方案
数据中心柴油发电机组系统应用建设方案
为确保网络数据中心、数据交换中心、金融结算中心、重要系统调度中心等关键部门的设备能得到不间断的电源供电，这些机楼的供电系统通常采用“市电供电+柴油发电机组备用”所组成的电源供电系统。
7.1柴油发电机组原理，组成及分类
柴油发电机组，主要由柴油内燃机组、同步发电机、油箱、控制系统四个部分组成，利用柴油为燃料，柴油内燃机组控制柴油在汽缸内有序燃烧，产生高温、高压的燃气，当燃气膨胀时推动活塞使曲轴旋转，产生机械能，通过传动装置带动同步交流发电机旋转，将机械能转换为电能输出，给各用电负载提供电源。
柴油发电机组一般有如下构成的组件：
－柴油发动机、
－三相交流无刷同步发电机
－控制屏
－散热水箱
－燃油箱
柴油发电机组有多种分类方法，按柴油机的转速可分为高速机组（3000rpm）、中速机组（1500rpm）和低速机组（1000rpm以下）；按柴油机的冷却方式可分为水冷和风冷机组；按柴油机柴油调速方式可分为机械调速、电子调速、液压调速和电子喷油管理控制调速系统（简称电喷或ECU）；按机组使用的连续性可分为长用机组和备用机组；柴油发电机组通常采用三相交流同步无刷励磁发电机，按发电机的励磁方式可分为自励式和他励式。
本节重点介绍按照应用场地，冷却方式和控制方式的分类方式。
图26柴油发电机组组件示意图图27基本型柴油发电机组
7.2数据中心柴油发电机组容量选择
1．柴油发电机组功率
功率选型时机组选型的核心内容，其原则是在最少投资的前提下，满足使用要求。
柴油发电机组功率的定义比较复杂，因此首先应该明确各种功率的定义，分析机组的工况性质，确定功率条件。
然后根据机组的现场条件和负载的特性，计算并修正所需要的机组输出功率。
ISO8528-1：
2005中对功率定额种类2的规定如下：
1）持续功率（COP）：
在商定的运行条件下并按照制造商的规定进行维护保养，发电机组以恒定负荷持续运行，且每年运行时数不受限制的最大功率。
2）基本功率（PRP）：
在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，发电机组以可变负荷持续运行，且每年运行时数不受限制的最大功率。
24小时运行周期内运行的平均功率输出（Ppp）应不超过PRP的70%，除非与RIC发动机制造商另有商定。
在要求允许的平均功率输出Ppp较规定值高的应用场合，应使用持续功率COP。
3）限时运行功率（LTP）：
在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，发电机组每年运行时间可达500小时的最大功率。
按100%限时运行功率每年运行的最长时间为500小时。
4）应急备用功率（ESP）：
在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，在市电一旦中断或在实验条件下，发电机组以可变负荷运行且每年运行时间可达200小时的最大功率。
24小时运行周期内允许的平均功率输出应该不超过70%ESP，除非与制造商另有商定。
该标准同时也对发电机组运行的现场条件做出规定：
现场条件由用户确定，在现场条件未知且未另作规定的情况下，应采取下列额定现场条件：
——绝对大气压力：
89.9kPa（或海拔高度1000m）
——环境温度：
40℃
——相对湿度：
60%
通常，柴油发电机组铭牌标称的输出功率分为备用功率（StandbyPower），常用功率（PrimePower）和连续功率（ConsecutionPower）。
1）备用功率（StandbyPower）定义为发电机组在规定的维修周期之间和规定的环境条件下能够连续运行300h，每年最多500h工作小时的最大功率。
等同于国标和ISO标准中的限时运行功率（LTP）。
一般适用于通信﹑楼宇等负载变化较多的偶然应急工况。
2）常用功率（PrimePower）定义为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下，每年可能运行的时数不受限制的某一可变功率序列内存在的最大功率，等同于国标和ISO标准中的基本功率（PRP）。
一般适用于厂矿﹑军队等负荷变化较小的经常运行工况。
3）连续功率（ConsecutionPower）定义为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下，每年可能运行的时间不受限制的某一恒定功率序列内存在的最大功率。
等同于国标和ISO标准中的持续功率（COP）。
一般适用于作为电站或与市电并网使用等负载变化绩效的连续运行工况。
对于柴油机在数据中心的应用，在确定机组功率定额时目前普遍按照常用功率来选择。
2．机组数量
由于数据中心的重要性，各种工况下的供电设备应该考虑电气冗余。
发电机组的配置也不例外。
具体的做法是在配置柴油机系统时，按照N+1或者2N的原则来配置机组的数量。
机组并联使用是经常采用的一种方式。
由于我国0.4KV的低压配电柜没有6300A以上的应用，并联运行的0.4KV发电机总容量不要超过3200KW，如果场地确实需要更大容量的柴油发电机组，建议采用10kV的中压发电机组。
通常并联的逻辑控制有三种：
第一种是接到断电信号以后，所有的机组都同时启动，同时运行。
即无论负载多少，并联的N+1台柴油机始终同时在线运行；
第二种是机组同时启动，然后根据负载的大小投入或者切除机组；
第三种是接到断电信号后，只启动一台机组，然后根据负载大小，由系统决定是否需要启动其他机组并联运行。
对于数据中心来说，一般建议第一种逻辑控制，即全部机组始终在线运行，好处是可以避免负载较快速的波动时频繁的投入/切出机组，同时多台同时运行内阻减小可以弱化谐波的影响，有利于机组的稳定运行。
第二种方式通常适用于负载的变化缓慢，这样燃油经济性较好。
第三种控制逻辑负载依次投入，适用与初始负载不大、且负载增长模式固定的场所。
3．机组负荷计算
在数据中心内，柴油发电机组主要为UPS、空调、消防负荷和其他重要负载提供后备电源的保障。
一般有如下方式进行负荷计算：
1）按照设备容量计算发电机容量：
式中：
-自备发电机组的功率（KW）；
-可靠系数，一般取1.1；
-需要系数（一般取0.85-0.95）；
-负荷总容量（KW）；
-发电机并联运行不均匀系统，一般取0.9，单台取1。
2）利用最大单台电动机或成组电动机起动的需要，计算发电机容量:
式中：
-起动容量最大的电动机或成组电动机的容量（KW）；
-负荷总容量（KW）；
-负荷计算效率，一般取0.85；
-电动机的起动功率因素，一般取0.4；
-电动机的起动电流倍数；
-按照电动机起动方式确定的系数。
全压起动C=1；Y/△C=0.67;自耦变压器起动，50%抽头C=0.25；65%抽头，C=0.42；80%抽头C=0.64。
3）按起动电动机时母线允许电压计算发电机容量:
式中：
-造成母线压降最大的电动机或成组电动机的容量（KW）；
-电动机的起动电流倍数；
-发电机的暂态阻抗，一般取0.25；
-母线允许的瞬时电压将，有电梯时取0.20，无电梯时取0.25；
-按照电动机起动方式确定的系数。
全压起动C=1；Y/△C=0.67;自耦变压器起动，50%抽头C=0.25；65%抽头，C=0.42；80%抽头C=0.64。
4．功率现场条件修正
在非额定现场条件和特殊负载的情况下，机组的额定功率需要修正。
1）环境温度的功率修正
当环境温度过高时，空气密度降低，柴油机燃烧时的氧气量减少，燃烧效率降低，因而会降低柴油机的机械输出功率；同时发电机工作时需要冷空气对绕组进行冷却，温度过高会降低发电机的冷却效果，从而影响发电机的输出功率。
各品牌柴油机和发电机的输出功率受环境影响的修正参数各不相同，实践中建议以各厂家的修正参数为准。
通常可按照环境温度超过40°C时每升高5°C，输出功率下降3%-4%来进行功率损失的计算。
2）海拔高度的功率修正
当海拔升高时空气密度也会降低，同样影响柴油机和发电机的输出功率。
不同品牌的柴油发电机组要按照厂家的功率修正曲线来计算降额后的实际功率。
通常可按照海拔高度超过1000米后每升高500米输出功率下降4%-5%来进行功率损失的计算。
值得一提的是采用电子喷油的柴油机在高海拔和高温度的区域有更低的功率降额。
3）加负载的功率因素修正
对于自然进气的机组而言，其最大允许的一次加载量等于其使用功率。
采用涡轮增压技术后，发动机的功率有了明显的提高，但突加负载的能力却有所下降。
当增压比越高时，突加负载的能力下降也越明显。
当发动机处于空载时，增压压力很低（或者说处于非增压状态），此时，在非增压状态突然要增加超过额定的负载很有可能会造成突加载荷失败，或者转速下降超过限制，或者回复时间较长，这都会影响机组性能。
一般当有效压力（Pme）在1MPa以下时，一次突加负载可达标定功率80%对机组影响不大；当有效压力（Pme）达到1.5MPa时，突加负载只能达到标定功率的50%；当有效压力（Pme）达到2MPa时，突加负载只能达到标定功率的40%。
因此，数据中心柴油机所负荷的UPS要求功率软启动，空调系统要求能够逐台启动。
在实践中，对柴油发电机组功率修正影响最大的数据中心负载（UPS、空调等）的特性，下文专门就该问题做具体阐述。
7.3柴油发电机组与其负载匹配
1．数据中心柴油发电机组负载特性概述
要正确地选型备用柴油发电机组，了解负载的特性是非常重要的。
负载类型一般分为电阻性（如电阻、电炉、白炽灯等）、电感性（如感应电动机、变压器等）、电容性（如电容器等）等线性负载和采用整流技术和SCR（可控硅）技术的非线性负载（又称整流性负载）。
1）UPS负荷
UPS作为整流性设备，在采用单相或三相不控或相控整流时，输入因整流器后直流母线滤波电容的存在，输入电流呈瞬间脉动大电流特征，内部包含大量谐波电流，比如三相6脉冲整流器输入电流含有的较低次谐波（5，7，11，13次），谐波电流总含量高达30%～35%。
如果是电网，容量很大电网输出等效内阻很低，电流的波动不会对输出电压造成影响。
但对于柴油发电机组，其内阻远比电网大得多，UPS的输入谐波电流就会引起油机输出的谐波电压。
尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时，这种危害就更明显。
2）机房空调负荷
数据中心机房空调系统大致可以分为两类：
定频空调和变频空调两类。
定频空调实质上属于感性负载，感应电动机直接起动时起动电流为正常电流的6-7倍，而且功率因数为0.8左右。
对机房空调负荷容量的分析和对电机型负载的分析基本一致。
变频空调实质上是非线性负载，对该型负载的分析可参考下文对于非线性负载的讨论。
此外，由于电磁辐射兼容的考虑，一般在主机房很少采用变频空调。
3）其他负荷
其他负荷如应急照明，消防负荷等等大都也属于非线性负载，同时和UPS、空调负荷相比较小，在作对柴油机系统容量影响分析时基本可以忽略。
因此，对于数据中心的应用场地而言，分析柴油发电机组与其负荷的匹配，主要是指柴油发电机组与UPS系统的匹配。
2．UPS系统对柴油发电机组的影响及对策
1）负载的阶跃变化
当电气系统连接到发电机组时，沉重的负载将在发电机组上形成较大的冲击电流，严重时将引起发电机组的停止。
为了避免这种现象，由发电机供电的主要负载UPS必须配备保证整流器渐进起动的装置，电流的爬升过程会持续一段时间（秒或10秒级时间，厂家不一样，时间设置不一样）。
当市电恢复正常时，整流器可以逐次开机，以便避免发电机组的“飞车”，骚扰发电机组上的其它负载（机房空调、应急照明等）。
图28柴油发电机组的软启动
2）容性电流
当UPS输入侧安装有LC谐波滤波器时，由于UPS处于起动延时，有功功率等于零，则发电机组只为UPS前端的滤波器提供容性电流，但是发电机组只能提供相当于10％到30%In的容性电流。
下图所示为发电机组的系统简化原理图：
V1是发电机的电势，V1的大小取决于发电机的激磁电流，
Zs是发电机定子阻抗（由电阻和电感原件组成），
ZL是负载阻抗，
Vs是发电机输出电压，
I是发电机总输出电流。
I×Zs＝VL＋VR
Vs－I×Zs＝V1
依据下面的计算式子及绘制的矢量图，不难看出因此V1比Vs小，也就是说较小的发电机电势将产生较大的输出电压。
图29发电机原理简图图30发电机给容性负载供电的矢量图
此时，为了维持输出电压稳定，发电机电压调节器必须减小转子的激磁电流以减小发电机电势V1，但是电压调节器可能没有足够的调节范围完全控制输出电压，由于转子都有一定的剩磁，可能即使完全关闭发电机电压调节器，仍有足够的磁场产生输出电压。
这些都是导致输出过压或者发电机关闭的原因。
图31某柴油发电机组的功率因素曲线
因此，使用LC滤波器时必须正确分析，以保证发电机组的安全运行，使用带接触器的滤波器或补偿式LC滤波器就可解决这个问题，当使用有源12脉冲滤波器或有源功率因数校正（PFC）整流器时则与发电机组完全兼容。
除了合理选择具有良好输入特性的UPS之外，应该尽量避免让UPS处于空载或者低载的工作状态；其次，在机组投入时，应考虑优先投入感性负载，比如机房空调，然后再逐台投入UPS系统。
3）谐波
谐波电流除了在定子绕组产生铜损外，电流形成的高频磁场在转子绕组上感应出高频电流，由于趋肤效应，高频电流使转子严重发热。
此外，高频的谐波电流产生的磁场与转子的磁场不同步，产生高频振动影响电机寿命。
发电机更容易受到非线性负载的影响是因为发电机的亚瞬态电抗（Sub-transientU’scx=12～20%）通常大于电力变压器的短路阻抗（U’ccx=4～6%）。
实践中，机组带UPS时由于谐波干扰主要表现在以下几种现象：
①发电机组输出频率到50～60Hz，致使直流电源、UPS保护动作。
②发电机组在出现频率或电压异常的同时出现严重的机械共振现象，柴油机出现有节奏的摇摆和声音起伏，严重时还出现损坏发电机的励磁回路和AVR（自动电压调节器）。
③UPS因检测到过电压或过频率而自动关断整流器，由后备电池组向负载放电或从旁路直接向负载供电。
④柴油发电机组超转速引起停机保护，导致市电停电后机组无法正常工作输出备用电源，机楼配置的柴油发电机组形同虚设。
解决谐波问题大致可以从改善负载特性和优化柴油机组两个方面来处理。
UPS应选择具有良好的交流输入谐波抑制技术，UPS具备功率缓启动和分时启动功能，UPS和油机匹配最好、运行最稳定的整流和谐波治理技术包括：
IGBT整流、12脉冲整流＋11次谐波滤波器、有源滤波器＋无源滤波器＋相控整流、6脉冲整流＋5次谐波滤波器等。
从源头治理谐波源可极大的减轻柴油发电机组的运行压力，性价比好，可靠性高。
业界一般会有下表的柴油发电机和UPS容量之间的关系：
表13柴油发电机和UPS容量之间的关系
UPS整流技术
功率匹配关系
采用6脉冲整流技术
Sg=2-2.5Su
采用12脉冲整流技术（或有源滤波）
Sg=1.4-2Su
采用高频脉宽调制技术
Sg=1.2-1.4Su
注：
（1）Sg表示发电机的标称功率（kVA），Su表示UPS的标称功率（kVA）：
优化柴油机组的措施主要如下：
首先，采用无刷永磁式励磁交流发电机。
永磁励磁系统由五部分组成：
发电机主励磁绕组（转子），永磁发电机（PMG），自动电压调节器（AVR），励磁机和旋转二极管。
图10-37是无刷永磁式励磁交流发电机的工作原理图，在这个系统中有以下几个特点：
①由于PMG系统提供一个与定子输出电压波形畸变及大小无关的恒定的励磁电源，因而能提供较高的电动机起动承受能力，并对非线性负载产生的主机定子输出电压的波形畸变具有抗干扰性，可提高发电机带非线性负载能力。
②AVR检测三相输出电压（三相方均根检测），具有精度极高的稳态电压调整率（通常可达±0.5%）。
图32无刷永磁式励磁交流发电机的工作原理图
③更强的抗无线电干扰能力。
④更强的承受短路电流能力（通常可达3倍额定电流，持续10S）。
其次，在不增加柴油机功率的条件下配置一台较大容量的发电机，以提高机组带非线性负载的能力。
增大容量的实质是通过降低发电机的内阻，从而弱化谐波电流的不利影响。
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