數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機系統(tǒng)應(yīng)用分析

楊瑛潔， 柯媛華

(1. 中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，鄭州 450000；2. 中國建設(shè)銀行股份有限公司，北京 100033)

0 引言

我國“新基建”形勢下，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)迎來一波新的熱潮。數(shù)據(jù)中心是大數(shù)據(jù)和云計算的基礎(chǔ)承載者，需要提供極高的供電可靠性和連續(xù)性。

柴油發(fā)電機組是數(shù)據(jù)中心的長時間備用電源，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)市電供電停止時為數(shù)據(jù)中心負(fù)荷提供長時間、可靠的保證電源的任務(wù)。當(dāng)市電故障時，柴油發(fā)電機組需要在短時間內(nèi)啟動、并機、帶載，完成從空載到滿載、從0到1的功率輸出，對機組自身穩(wěn)定性、并機系統(tǒng)同步能力、整個機組系統(tǒng)的負(fù)荷控制能力都提出了較高的要求。

目前，各種高低壓柴油發(fā)電機組系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用得非常普遍，但是使用者對于機組系統(tǒng)的選型、配置和計算普遍還有一些忽視的地方，本文將分為三個部分加以闡述。

1 柴油發(fā)電機組功率選擇

根據(jù)GB/T 2820.1-2009 《往復(fù)式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組 第1部分：用途、定額和性能》中“13 功率定額定義”規(guī)定，柴油發(fā)電機組的功率定額種類分為持續(xù)功率(COP)、基本功率(PRP)、限時運行功率(LTP)和應(yīng)急備用功率(ESP)四種。四種功率定義在標(biāo)準(zhǔn)描述中有圖示和解釋，其中持續(xù)功率和限時運行功率的工況是恒定負(fù)載，基本功率和應(yīng)急備用功率的工況是可變負(fù)載，都有持續(xù)運行和限時運行的區(qū)別(持續(xù)功率和基本功率要求機組運行除大修外全年無休，限時運行功率每年運行500h，應(yīng)急備用功率每年運行200h)。但是與實際使用時廠家提供的機組運行能力有所出入，很多用戶都有困惑。

在YD/T 502-2020《通信用低壓柴油發(fā)電機組》標(biāo)準(zhǔn)討論時，起草組與各使用單位和制造單位進(jìn)行了廣泛深入的討論，一致同意主要選取持續(xù)功率(COP)、基本功率(PRP)和限時運行功率(LTP)三種功率，分別等同定義于通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)功率、主用功率和備用功率(參見YD/T502-2020中“3 術(shù)語和定義”)。其中需要說明的是，YD/T502-2020中基本功率明確要求“機組每次啟動后持續(xù)以該功率供電時間不少于12h，每12h內(nèi)能以該功率110%超載運行1h。”。關(guān)于基本功率的超載運行顯然與GB/T 2820.1中描述的PRP功率(圖1)(沒有超載時間)不符合，這是基于配套發(fā)動機功率標(biāo)定為ICXN(可超負(fù)荷10%的ISO標(biāo)準(zhǔn)功率)，發(fā)電機組在滿足限定條件時有過載能力，從而進(jìn)行了修正。關(guān)于平均載荷系數(shù)為制造商公布基本功率的70%，有部分主流發(fā)電機組廠家允許平均載荷系數(shù)為75%或80%，可按廠家規(guī)定使用，標(biāo)準(zhǔn)中也明確寫明“除非往復(fù)式內(nèi)燃機(RIC)制造商另有規(guī)定”。需要注意的是，長期高負(fù)荷運行是以縮短發(fā)電機組的壽命為代價的。一般來說，某一型號的機組如果能夠提供某一功率的主用功率，則可以以提高10%的功率提供備用功率。

圖1 基本功率(PRP)圖解

圖1中，t為時間，P為功率，a為本功率(100%)b為24h內(nèi)允許的平均功率(Ppp)，c為24h內(nèi)實際的平均功率(Ppa)，d為停機時間，t1+t2+t3+……+tn=24h。在24 h周期內(nèi)允許的平均輸出功率(Ppp)應(yīng)不大于PRP的70%，除非往復(fù)式內(nèi)燃(RIC)機制造商另有規(guī)定。

在工程建設(shè)中進(jìn)行柴油發(fā)電機組的功率選擇計算時，除了對機組運行條件進(jìn)行充分評估后核定選用哪種功率描述的機組，對于機組功率的選擇還需要充分考慮以下幾點因素。

(1)機組通風(fēng)條件對于機組出力的限制折損。良好的通風(fēng)條件可以無折損，工程實踐證明，較差的通風(fēng)條件對于機組出力限制可高達(dá)30%。尤其在機組降噪要求較高的場合，可能由于錯誤的做法阻擋了較多的通風(fēng)面積，從而降低機組出力。

(2)并機系統(tǒng)中機組間功率分配不均衡對于機組系統(tǒng)出力的折損，實際運行中發(fā)現(xiàn)個別情況下并機的兩臺機組功率分配不均衡對系統(tǒng)出力影響較大。

(3)機組系統(tǒng)的非線性負(fù)載對于機組帶載能力的影響。柴油發(fā)電機組的功率選擇和容量計算與運行條件密切相關(guān)，與負(fù)載性質(zhì)、機組穩(wěn)態(tài)性能、突加突減能力、土建條件等密切相關(guān)，所以在工程建設(shè)前期需要認(rèn)真考慮，不能過多放大導(dǎo)致投資浪費，也不能考慮不足導(dǎo)致后期無法帶滿載。

2 柴油發(fā)電機組的常用供電系統(tǒng)架構(gòu)

在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，“使用380V低壓柴油機組好、還是10kV高壓柴油機組優(yōu)”這個話題討論已久，相關(guān)的架構(gòu)形式爭論很多。筆者認(rèn)為沒有最好的架構(gòu)，只有最合適的架構(gòu)，只有針對確定的容量要求、投資條件以及維護(hù)要求才能提出更合適的機組形式和架構(gòu)形式。

低壓柴油發(fā)電機組應(yīng)用的限制主要是在于380V出線在電流較大的情況下對電纜配置、傳輸距離、土建通道和布局要求很高，且由于電流的問題無法實現(xiàn)多臺并機，無法形成資源池。但是低壓機組的主要優(yōu)勢也很明顯，除了低壓設(shè)備的維護(hù)要求稍低、對人員能力要求稍寬之外，主要是備用電源與負(fù)載之間的電氣距離很近，可靠性顯著提高，這是很多情況下尤其是小規(guī)模機房使用低壓機組的重要因素。

圖2所示為小容量數(shù)據(jù)中心，低壓柴油發(fā)電機組使用N配置時使用較多的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 低壓柴油機組常用架構(gòu)(N的配置)

如果使用N+1的配置，一般需要一臺公用柴油機與其余機組進(jìn)行切換，或者使用少量機組并機輸出的方式完成公用機組的接入。

由于數(shù)據(jù)中心的用電規(guī)模飛速增加，10kV高壓柴油發(fā)電機組在2010年左右進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用。10kV柴油發(fā)電機組的出口電流顯著減小，約為低壓機組的1/25，電纜使用量急劇減少，可以節(jié)約大量的走線空間，簡化施工要求，提高了系統(tǒng)的安全性。同時由于功率輸送距離更長，允許機組遠(yuǎn)離機房進(jìn)行布局，建設(shè)階段規(guī)劃布局更加靈活。值得一提的是，小電流、多臺機組并機的運行方式，使得機組容量池化，避免出現(xiàn)發(fā)電機組容量和負(fù)荷容量不匹配，或者是近遠(yuǎn)期負(fù)荷不容易在機組之間靈活調(diào)配的問題。然而高壓機組雖然擁有上述諸多優(yōu)點，為工程建設(shè)帶來了多種便捷條件，但除了高壓機組的運維要求提高這個問題之外，高壓機組并機后與10kV市電集中切換，節(jié)約了分散在機房各處的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的同時也帶來了切換點距離負(fù)荷較遠(yuǎn)，降低了系統(tǒng)可靠性的問題。圖3所示為高壓柴油機組常用架構(gòu)。

圖3 高壓柴油機組常用架構(gòu)(N+1的配置)

可以看出，高壓側(cè)集中切換的方式帶來一個問題，在10kV高壓母線處做試驗或者是檢修的時候都會造成只有單側(cè)變壓器能夠運行，即使10kV兩段母線中間有聯(lián)絡(luò)斷路器也無法避免。

要避免這個問題，需要將柴油機組與市電的切換點下移至每臺變壓器的進(jìn)線端，做成高壓分散切換(限于篇幅，此處不再圖示)，可靠性大為提高，只是投資增加較多。但是即使采用這種架構(gòu)，與低壓機組架構(gòu)中直接在UPS進(jìn)線側(cè)切換的方式相比，切換點還是距離負(fù)荷較遠(yuǎn)，系統(tǒng)可靠性降低。

3 10kV柴油發(fā)電機組輸出斷路器和電纜的選擇

10kV柴油發(fā)電機組已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，但是機組周邊相關(guān)的設(shè)備選型還有不少工程存在誤區(qū)，認(rèn)為市電側(cè)怎么選，機組這一側(cè)就怎么選，實際上造成了不少浪費。

機組輸出斷路器和電纜的選擇，首先是根據(jù)運行電壓選定器件額定電壓，這一點沒有難度。對于斷路器來說，需要根據(jù)長期工作電流確定斷路器的額定電流，然后根據(jù)短路電流選擇其開斷能力，校驗斷路器的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性能；接下來對于電纜來說需要依據(jù)工作電流和長期允許載流量核定電纜截面，根據(jù)短路電流校驗電纜的熱穩(wěn)定，從而校驗電纜截面，最后根據(jù)敷設(shè)條件進(jìn)行溫度修正和同時敷設(shè)系數(shù)的修正。

采用GB/T 15544.1-2013《三相交流系統(tǒng)短路電流計算 第1部分 電流計算》規(guī)定的方法計算發(fā)電機組的三相短路電流。以1臺10kV電壓額定容量為2 000kW的機組為例來提供算例,使用標(biāo)幺制進(jìn)行計算，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量取Sj=100MVA，基準(zhǔn)電壓Uj為電網(wǎng)的平均額定電壓。機組的次暫態(tài)電抗xd”=0.108(假設(shè)值),折算至基準(zhǔn)容量后的電抗為Xd”=0.108×100/2=5.4。

其基準(zhǔn)電流值Ij=Sj/(1.732×Uj)=100/(1.732×10.5)=5.5kA。機組出口三相短路電流初始值Ik”=Ij/Xd”=5.5/5.4=1.018kA。機端短路情況下，其峰值電流為2.69Ik”=2.74kA。

由計算過程可知，機組的次暫態(tài)電抗越大，其短路電流越小。大量的機組計算實例表明，2 000kW 功率機組的次暫態(tài)電抗相差不大，其短路三相電流穩(wěn)態(tài)值一般都在這個數(shù)值左右。所以2 000kW 功率的機組出線端的斷路器選擇一般額定電流選擇最低檔的630A。

機組出線側(cè)斷路器的開斷能力需要根據(jù)10kV發(fā)電機組母線短路和機端短路兩種情況進(jìn)行分析。

當(dāng)發(fā)電機組并機母線處短路時，流經(jīng)單臺發(fā)電機組回路的短路電流為上述算例的單臺機組出口處短路電流；而單臺發(fā)電機組出口、與并機母線斷路器之間的回路發(fā)生短路時，流經(jīng)該斷路器的短路電流則變成并機系統(tǒng)臺數(shù)減1。在10臺并機的情況下，此處短路電流初始值Ik”=9×1.018kA=9.162kA，故選擇發(fā)電機組回路的斷路器開斷能力20kA即可滿足需要，短路動熱穩(wěn)定均可滿足要求。

機組出線電纜選擇時需要使用100%持續(xù)工作電流或者經(jīng)濟電流截面法來選擇電纜截面，2 000kW 機組可選擇50mm2的銅芯電纜截面，選擇完畢后使用三相短路情況校驗電纜的熱穩(wěn)定性能。熱穩(wěn)定計算時間見式(1)：

t=tb+tgu+thu

(1)

式中，tb為主保護(hù)動作時間，si，tgu為斷路器固有分閘時間，ms；thu為斷路器燃弧時間，ms。

由于機組出口斷路器保護(hù)動作時間tb需要與負(fù)載側(cè)斷路器保護(hù)時間進(jìn)行配合，一般取0.6s，斷路器固有分閘時間取80ms，燃弧時間20ms，故一般熱穩(wěn)定計算時間可使用1s進(jìn)行粗略計算。

熱穩(wěn)定校驗公式見式(2)：

(2)

其中，10kV交聯(lián)聚乙烯絕緣的銅芯電纜的熱穩(wěn)定系數(shù)C值取137×102。

故對于2 000kW機組來說，電纜截面使用70mm2的三相銅芯電纜即可，如果考慮同時敷設(shè)系數(shù)、溫度系數(shù)等敷設(shè)條件的校正，一般也只需要放大到95mm2的截面。這與工程慣例中使用150mm2的電纜相比差距較大，值得注意。

當(dāng)然，此算例中所取的保護(hù)動作時間為常規(guī)值，實際工程中可長可短，也會影響到電纜的選擇，總的趨勢是切斷越快電纜越好選擇。機組并機側(cè)的斷路器和電纜的選擇可以參照以上方法進(jìn)行計算和校驗。

4 其他

一個運行良好的柴油發(fā)電機組系統(tǒng)，除了進(jìn)行硬件和一次電路的配置，還需要有強大的“神經(jīng)系統(tǒng)”，也就是機組的并機控制系統(tǒng)、負(fù)荷控制系統(tǒng)、油路控制系統(tǒng)以及繼電保護(hù)配置等。這些系統(tǒng)的合理配置很大程度上決定了機組系統(tǒng)的運行表現(xiàn)。另外，在可靠性等級較高的數(shù)據(jù)中心，機組控制系統(tǒng)的電源供給也需要特別注意提供不間斷電源的保障。

5 結(jié)束語