高压柴油发电机在数据中心的应用

高压柴油发电机在数据中心的应用伴随着越来越多高标准、高电力需求的数据中心项目的建设，作为备用电源的柴油发电机组容量要求越来越大，需要多台大功率柴油发电机组单机或并网才能满足负载需求，由于机组数量的增加需要建设独立的机房且与实际使用负载间距离也越来越远，多台低压柴油发电机组并联运行存在传输缺陷，为了能够更加安全、可靠地运行，采用高压机组无疑是最佳的选择。大功率柴油机、大容量高压发电机以及发电机控制技术的发展和完善，使高电压柴油发电机组的优势逐步显现，市场需求旺盛，成为解决大容量、较远距离传输、高智能、高可靠性备用电源的主要技术方案。北京某数据中心项目建筑面积约为13473.4m2，地上两层，地下两层，地上建筑面积约为8599.74m2，地下建筑面积约为4873.66m2，建筑高度12m，建筑层高：地上5.7m和4.7m，地下6.6m和4.0m。项目建筑功能定位主要为IDC数据机房，楼内具备必要的办公用房和配套设施，以及建筑基本使用功能的电力、空调、电梯机房等配套功能用房，项目建成后具备装机和办公条件。项目满足至少3.5万台服务器的运算及存储。总用电负荷11386kW，共需外电容量为25000kVA（主用+备用），满足2N系统架构。从园区两个不同的110kV变电站，分别引入一路10kV电源，每路12500kVA，共两路10kV市电给机房，互为备用，高压有联络，当一路断电时，另一路能承担全部负荷。IDC业务不同的客户对业务等级有不同的需求，因此项目机房电源系统的建设参考国家标准GB50174-2017《数据中心设计规范》中A级建设标准（如表1所示）。>>>>负荷计算本工程各层数据机房功率需求如表2~表4所示。冷冻站内为机房提供制冷系统的设备、火灾应急照明为一级负荷；其中所有消防用电设备、IT设备、安防设备、二级冷冻泵、数据机房专用空调风扇为一级负荷中特别重要的负荷；余热回收系统为二级负荷；其余为三级负荷。>>>>柴油发电机组的配备整个数据中心配电系统按照全部为一级负荷中特别重要的负荷方式建设，在满足两个独立电源供电（一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏）外，还另配置柴油发电机组作为备用电源。柴油发电机作为通信局站及数据中心的后备电源，主要为UPS系统及空调负荷供电。UPS、空调的变频电机均为非线性负载，会产生大量谐波电流。由于柴油发电机的内阻比电网的等效内阻大得多，因此谐波电流对于发电机电枢绕组电势波形有不利影响，造成发电机输出电压畸变、电流谐振及频率振荡，从而降低柴油发电机的带载能力，尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时，这种危害就更加明显。在后期工程选择UPS设备时，应选择IGBT整流UPS，降低系统谐波水平。同时还应通过动环监控系统与变配电设备统筹考虑，实现负载顺序加载、负载顺序减载、UPS功率缓启动与分时启动、加减载动态调整。对备用电源的要求>>>>数据中心的运行分析本工程柴油发电机组采用10kV油机，使用并机运行方式，动力楼内配置的油机并机系统按终期配置，所有机组发电均送上10kV油机母线段后集中送往10kV高压配电系统进线端进行切换，由机组自身控制系统根据负荷量的大小调整机组启停。为保证油机投入可靠，每套并机系统需要配置1套自动化控制系统，具备与主电源自动切换、轻载自动停机、系统遥控及状态监视功能。由于重要负荷在低压侧均为主备变压器带载，自动切换，故只有当两路10kV市电均停电、备用油机自动启动后方可切换负荷。当市电停电后，柴油发电机组尚未启动之前，此段时间由电池室蓄电池组来保证向通信负荷供电。在市电恢复后，自动切换到市电供电，同时柴油发电机组控制器检测到市电恢复时发出停机信号。为满足通信设备对供电系统不间断要求，本工程配置10kV大容量通信专用自动化柴油发电机组作为备用电源，其容量按满足全部负荷配置。本工程在北区室外设置8台额定容量不小于1800kW的室外10kV柴油发电机组，构成1套8台“7+1”并机系统，分别接入高压Ⅰ段、Ⅱ段母线。本工程配置的油机配套设备均包含柴油发电机组自带的控制屏、启动电池、电池充电整流器、油机水套加热器和油机并机控制系统。单台油机箱体内除柴油发电机组本体外还包括：配套交流配电箱1台、控制箱1台、接地柜1台、蓄电池和充电整流器1套。室外油机降噪需满足GB3096-2008《声环境质量标准》要求。本工程在地下一层安装油机并机系统控制柜1套，直流操作电源1套。>>>>储油设备的配置综合考虑储油量对园区场地条件的要求和运行维护费用等因素，本工程油机储油采用单台柴油发电机日用燃油箱和地下油库相结合的方式。总储油量按照满足主用油机满载运行不低于12h储备。在室外配备1个容量49m3的地下储油罐，满足备用电源系统不小于12h燃油储备。为便于维护使用，在室外柴油发电机组箱内为每台发电机组配置1台1m3日用燃油箱，本工程共8台。此外，本工程安装的供回油管路、通气管管路均应设置相关阀门及法兰接口，便于后期改造检修。燃油系统中设置油泵，负责将储油罐内燃油送至柴油发电机组箱内。每个储油罐配置1主1备两个燃油泵，燃油箱进出油口处应有柴油过滤和油水分离器。燃油箱应带液位显示，以便维护人员随时掌握油量情况。燃油供给系统应自带RS485接口，提供监控协议，便于监控系统采集日用燃油箱及室外储罐的外部防水淹告警信号、油位、油温、燃油流量，油泵工作状态等燃油供给系统监控数据。备用电源方案的确立>>>>备用电源规范要求GB50174-2017《数据中心设计规范》第8.1.12条规定：“A级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源。备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组，也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路。当正常电源发生故障时，备用电源应能承担数据中心正常运行所需要的用电负荷。”备用电源是保障A级数据中心正常运行的必要条件，独立于正常电源的发电机组和供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路都可以作为备用电源。由于柴油发电机在可操作性上优于其他备用电源，故大部分数据中心采用柴油发电机组作为备用电源。>>>>高低压柴油发电机对比高压柴油发电机组与低压柴油发电机组的组成基本相同，主要区别在于相同容量的柴油发电机组，400V机组发电机出口电流比10kV机组出口电流大25倍以上，高低压机组技术特性分析对比见表5。本工程综合考虑地上8600m2的计容面积限制以及机柜数量最大化，选择室外集装箱式10kV高压柴油发电机组。>>>>高压柴油发电机容量确定>>柴油发电机功率持续功率（COP）：在机组规定的维修间隔和维护保养时间外，机组以100%功率运行，可以不间断为恒定负载供电的最大功率。基本功率（PRP）：在机组规定的维修间隔和维护保养时间外，可以不间断为可变负载供电的最大功率。在24h周期内的允许平均输出功率不应大于PRP的70%。70%为机组经济运行功率。大型数据中心（IDC）多采用PRP作为选择柴油机组的指标。限时运行功率（LTP）：在机组规定的维修间隔和维护保养时间外，机组以100%功率运行，每年供电达500h的最大功率。应急备用功率（ESP）：在机组规定的维修间隔和维护保养时间外，当供电网出现故障或在试验条件下，发电机每年运行达200h的某一可变功率系列中的最大功率。在24h运行周期内允许的平均功率不应大于ESP的70%。>>柴油发电机的容量选择和计根据《钢铁企业电力设计手册》（上册）公式（7-21）、（7-22）、（7-24），按照供全部负荷正常工作时的计算容量PG1、按满足大容量电动机负荷启动时计算的发电机容量PG2、按负荷启动时允许电压降的发电机容量PG3

3种要求算出柴油发电机容量后，如果PG2、PG3比PG1大得较多，则说明电动机的启动方式需要进行适当改变。在选择柴油发电机容量的时候，需要分析是电动机降压启动选择小容量发电机组，还是电动机直接启动选择较大容量发电机组，应该根据综合技术经济比较来确定。本工程IT负荷所需柴油发电机容量7072.8kW，动力负荷所需柴油发电机容量为5888.4×0.85

=5005.14kW（柴油发电机功率因数取0.85），故本工程柴油发电机容量总计为12077.94kW。为满足柴油发电机N+1的配置要求，并考虑配置经济，选择PRP功率为1800kW的10kV柴油发电机8台，7+1冗余运行模式。10kV柴油发电机系统设计>>>>10kV柴油发电机并机系统>>柴油发电机参数a.数据中心使用功率（PRP）：1800kW；发电机组功率是指除掉水箱风扇、水泵和油泵自耗后的发电机组净输出功率。以制造商原始数据单描述为准，需提供设备制造商对此要求进行承诺。b.额定电压：10.5kV。c.额定功率因数：0.85（滞后）。d.额定转速/频率：1500rpm/50Hz。e.输出连接：三相三线。f.发电机的性能等级不应低于G3级。>>>>发电机组性能a.机组在常温（增压机组不低于10℃）下经3次启动应能成功，两次启动的时间间隔为10s，启动成功率应大于99％；启动成功后应能在3min（1min）内带100%负载运行。b.开机指令发出后至允许首次加载50%负荷（PF=1.0）的时间≤6s。c.稳态电压调整率：≤±0.5%。d.电压波动率：≤±0.5%。e.电压波形的正弦波畸变率≤5%。f.瞬态频率调整率：≤±10%（50%负载突加、突减时）。g.频率稳定时间：≤5s（50%负载突加、突减时）。h.稳态频率调整率：≤±0.25%。i.

频率波动率：≤0.25%。j.

中性点接地方式：电阻接地。k.

燃油型号：国产轻柴油。l.

机组噪音：≤107dB（A）（距机组1m处）。m.机组振动（100%负荷时）的单振幅值不大于0.5mm。n.发电机在承受1.5倍的超速运行时不发生有害变形。o.发电机额定工况效率：≥95%。p.大修时间间隔：运行累计不少于10000h，需提供发动机原厂大修手册或操作保养手册。q.底座：发动机、发电机、水箱共用底座。r.配备缸套水加热器及空间防潮加热器。s.满足项目现场环境使用要求，设备全季节使用不能有功率降。t.满足机组突加100%负载使用要求，且厂验必须满足此要求测试。本工程备用电源为柴油发电机组，10kV系统架构示意如图1所示。>>>>市电与备用电源切换逻辑>>一次系统说明本工程共设置2路市电，每路市电可提供12500kVA电力。备用电源为柴油发电机组，共设置8台机组，按7+1冗余配置。同组两路市电同时工作、互为备用，高压联络。>>自动装置配置说明备用电源设置并机控制系统，并机控制系统由发电机组设备供应商深化设计。并机控制系统实现对整个备用电源系统的监视和控制。每段市电配电母线处设置一台控制器：a.控制功能可由PLC实现，也可由综保继电器实现。b.控制器具备自动、手动功能，备用电源系统启动测试功能。c.市电电源的两台控制器具备通信功能，以实现：相互监视运行和故障状态；同步控制信号，确保同组两段母线相同电源类型的进线开关和馈电至同组变压器的两个馈电开关同时分闸或合闸。d.控制器监视和控制功能至少应包括（1#和2#市电同理）：①监测市电电源进线前PT201A的状态，通过PT201A监测市电电源进线状态。②监测市电电源进线开关S201A的手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态；控制S201A分合闸。③监测备用电源进线前PT211A的状态，通过PT211A监测备用电源进线状态。④监测备用电源进线开关S211A的手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态；控制S211A分合闸。⑤监测馈线开关S212A手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态；控制S212A分合闸。⑥监测馈线开关S213A手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态；控制S213A分合闸。⑦监测馈线开关S214A手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态；控制S214A分合闸。⑧监测馈线开关S215A手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态；控制S215A分合闸。⑨监测馈线开关S216A手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态；控制S216A分合闸。⑩控制器PLC-A发送发电机组启动信号给发电机组并机控制系统。>>市电电源和备用电源切换控制逻辑a.每段市电母线上的控制器监测本段母线市电电源进线前的PT状态，当同组两路市电电源进线前的PT均失电、且市电电源进线开关无保护分闸时，延时5s发出发电机组启动信号至发电机组并机控制系统。b.发电机并机控制系统同时接收到同组两台市电母线上的控制器发来的启动信号后，所有发电机组启动，并在应急母线上完成并机，并机发电机组台数达到7台（可根据负荷调整数量）时，发电机组完成并机，并机控制系统闭合并机母线上的馈电开关，并机母线向市电母线输出电能。c.市电母线上控制器监测到备用电源进线开关前PT带电后，延时2s发出信号断开本段母线上的市电进线开关，断开本段母线上次要变压器的馈电开关，保留一路主要变压器馈电开关在线，延时2s闭合本段母线上的备用电源进线开关。d.每延时5s，闭合本段母线上馈电至任意一组的次要变压器馈电开关。e.此时，完成市电电源向备用电源的切换和备用电源分步加载过程。f.市电电源向备用电源的切换和备用电源分步加载完成后，在与供电单位确定其他市电电源无失电风险时，备用电源可根据实际负载需要适当退出部分柴发机组（可由机组功率管理模块自动控制完成）。g.市电恢复后，手动恢复到市电供电状态。h.若油机测试时任意2路市电失电，此时应为手动操作，不涉及控制逻辑。>>闭锁要求为防止市电与发电机电源之间并联，同一段母线上的市电进线开关和备用电源进线开关之间设电气联锁，任何时候两个开关不能同时处于合闸状态。>>>>柴油发电机保护高压发电机组系统与低压发电机组系统在保护上主要差别是高压发电机组通常把差动保护和接地保护作为必须的保护，由于高压发电机组的电压高，对绕组的绝缘要求更高，当定子绕组发生三相或两相短路时，将产生很大的短路电流，造成绕组过热，故障点产生的电弧使绕组绝缘损坏，甚至会导致发电机起火，这是发电机内部最严重的故障。因此，对高压发电机组绕组相间短路进行保护是十分必要的。>>发电机组差动保护发电机组差动保护是根据比较被保护发电机定子绕组两端电流的相位和大小的原理而构成。为此，在发电机中性点侧与靠近发电机出口断路器各处安装一组型号、变比相同的电流互感器。如