油机复用在数据中心的应用

徐 坚

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

1 项目概况

北京某数据中心是一个具有多套高压供电系统的大型数据中心，其外市电为一类市电，且三路高压供电系统市电电源分别引自不同方向的110 kV（220 kV）变电站，因此外电同时停电的概率极低。备用发电机组选用10 kV备用发电机组，可采用油机复用方式组建后备电源系统，使其能够为两个高压供电系统做公共备用电源。通过复用的方式，可以节约一半的油机设备投资和1/3的土建投资，从而达到降本增效的目的。

2 油机复用方案介绍

采用油机复用方案在某数据中心柴油发电机房新建8台3 000 kVA（2 400 kW）10 kV柴油发电机组组成1套油机并机系统，总的油机系统容量为24 000 kVA。考虑带载率和负载谐波问题后，可以为单方向最大供电容量20 000 kVA的高压市电提供后备电源保障。

2.1 市电现状

北京某数据中心市电采用10 kV电缆5路引入，其中1#变电站1路，2#变电站2路，3#变电站2路，并设分界室2座，每路供电容量为10 000 kVA，每套高压系统2用1备，总主用容量可达到40 000 kVA。1#变电站1路电源作为1#分界室和2#分界室的热备用电源。目前，市电供电架构为采用油机复用方案提供了良好的前提条件。

2.2 油机供电方案比较

2.2.1 常规方案

常规方案为2套高压系统分别配置和1套10 kV油机并机系统，每套系统包含7台2 400 kW 10kV柴油发电机组，共需要配置14台柴油发电机组[1]。

2.2.2 油机复用方案

油机复用方案为2套高压系统配置和1套共用的10 kV油机并机系统，系统包含8台2 400 kW 10 kV柴油发电机组，总油机系统容量为24 000 kVA。考虑带载率、负载谐波的问题后，可以为单方向最大供电容量20 000 kVA的高压市电提供后备电源保障[1]。

2.2.3 方案比较

常规方案和油机复用方案优劣势对比，如表1所示。

北京市电可靠性高。某数据中心为出租型IDC定位，从降本增效的方面考虑这种复用方式，既可保证一定的安全可靠性，又可以大大节约建设投资和运维成本。因此，最终选用油机复用的方案。

2.3 油机复用方案

2.3.1 高压油机并机系统

高压发电机组额定输出电压为10.5 kV，频率为50 Hz，额定转速为1 500 r/m，出线为三相Y形接法，中心点经电阻接地，系统最高工作电压为12 kV。

当市电供电正常时，基地内所有设备由市电供电，发电机组的并机系统自动检测市电状态。机组在接到启动指令后，系统会启动所有自动状态的发电机组。发电机组启动后，自动将电压和频率调整至设定值。系统中最先到达设定值的发电机组，最先投入到并联母线，余下的机组检测各自的并机电压、频率和相位，追踪自动控制发动机的频率和电压，达到一定的设定值和同步时间后，开关闭合，自动同步过程结束，系统将自动分配功率给所有在线机组。此时，机组只供基地内重要用电负荷。

当并机控制系统接收到市电来电信号时，系统经过可调整的时间延迟，负载将由发电机组供电转换为市电供电。机组控制系统确认机组带载率低于设定值时，供电系统断路器将断开，机组解列。机组控制系统自动进行冷却停机程序，停机后进行下一循环程序。

10 kV市电和油机能够保证电源采用主、备用运行方式，转换方式为备用电源手动合闸，主用电源手动恢复[3]。

表1 油机方案对比表

2.3.2 设备配置

在油机房内新建8台2 400 kW 10 kV柴油发电机组和并机柜，能够为油机系统配套设置1套高压供电系统供电，共配置14台高压开关柜，包括8台进线柜、6台出线柜、1台PT柜、2台接地开关柜以及1台接地电阻柜。高压断路器操作电源采用直流220 V电源，直流操作电源由蓄电池柜和直流电源柜组成。

2.3.3 油机并机系统运行

（1）油机运行方式

本工程配置的8台2 400 kW高压柴油发电机组和油机供电系统，采用并机运行工作方式。控制系统由1台油机主控屏（落地安装）和7台机组控制箱（壁挂安装）组成，能够实现机组启动、运行和并机控制。机组能实现自动起动、自动切换、自动投入、自动撤出、自动停机、自动保护以及自动补给等各种控制功能[2]。机组控制方式具有自动和手动两种工作方式，手动控制能够实现机组并机运行或单机运行[2]。

（2）油机自动启动功能

机组接收到启动指令后，在10 s内应一次启动成功，在60 s内实现一个自启动循环（即三次启动），两次启动的间隔时间应为10～30 s。若自启动连续3次失败，则发出报警信号，并闭锁自启动回路。机组一次启动成功率不低于99%[2]。

（3）油机并机控制功能

每组并联8台机组，并联系统采用分布式控制方式。发电机组控制器独立，可安装于发电机控制屏旁或集中布置，并机控制系统装置可互换。各台机组的并联控制器通过网络集线器连接，即插即用，互不影响。当系统中的一台或多台机组发生故障时，对应的机组会自动停止运行并报警输出，其他机组正常运行。第一台自动作为主控，其余依次作为主控的热备份。当第一台发生故障时，系统会自动转到第二台作为主控，不需要停机设定，且过渡过程对整个系统无任何扰动，然后依次类推。

单台的机组10 s内启动，可达到额定电压、频率，具备一次性100投加负载。多台并联的机组，系统母排在10 s内第一台投入，所有机组正常情况下30 s内完全投入，并可保证100%的输出额定功率。

（4）油机负载管理功能

市电断电，全部机组并联运行2～10 min（可调）后，系统判断负载率，减少机组运行的数量。当负载小于机组总额定功率的80%时，自动解除一台机组的运行。然后，根据上述原则判断是否需要再减一台机组运行。依次类推，直到剩余机组无法再减。运行过程中，如果负载增加，则加机原则如下：当负载超过当前运行机组总额定功率的85%时，自动再启动一台机组，投入并联供电。可以根据用户运维要求，对80%、85%两个参数进行调整。

2.4 市电油机系统切换方案

当市电正常时，由市电电源为基地内所有重要负荷和一般负荷供电；当市电电源停电或发生故障时，可通过倒闸操作，由油机电源为最重要的负荷供电。高压油机配电系统可为高压配电室一的4段母线供电或为高压配电室二的2段母线供电。但是，应避免同时为所有母线段供电，以免超过油机系统的最大供电能力。具体操作如表2所示。

3 结 论

目前，我国数据中心市场规模继续保持快速增长，柴油发电机组在数据中心的使用范围也越来越广泛。在规模较大的数据中心机房，数台甚至数十台柴油发电机并列运行的情况越来越多。在数据中心建设成本中，油机部分投资占很大比例。油机复用方式既可满足出租型数据中心可靠性的要求，又可以节约大量设备和土建投资，为数据中心运营商提供了能够降本增效的有效途径。

表2 市电油机投切