数据中心柴油发电机系统应用分析

杨瑛洁， 柯媛华

(1. 中讯邮电咨询设计院有限公司，郑州 450000；2. 中国建设银行股份有限公司，北京 100033)

0 引言

我国“新基建”形势下，数据中心的建设迎来一波新的热潮。数据中心是大数据和云计算的基础承载者，需要提供极高的供电可靠性和连续性。

柴油发电机组是数据中心的长时间备用电源，担负着系统市电供电停止时为数据中心负荷提供长时间、可靠的保证电源的任务。当市电故障时，柴油发电机组需要在短时间内启动、并机、带载，完成从空载到满载、从0到1的功率输出，对机组自身稳定性、并机系统同步能力、整个机组系统的负荷控制能力都提出了较高的要求。

目前，各种高低压柴油发电机组系统已经应用得非常普遍，但是使用者对于机组系统的选型、配置和计算普遍还有一些忽视的地方，本文将分为三个部分加以阐述。

1 柴油发电机组功率选择

根据GB/T 2820.1-2009 《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第1部分：用途、定额和性能》中“13 功率定额定义”规定，柴油发电机组的功率定额种类分为持续功率(COP)、基本功率(PRP)、限时运行功率(LTP)和应急备用功率(ESP)四种。四种功率定义在标准描述中有图示和解释，其中持续功率和限时运行功率的工况是恒定负载，基本功率和应急备用功率的工况是可变负载，都有持续运行和限时运行的区别(持续功率和基本功率要求机组运行除大修外全年无休，限时运行功率每年运行500h，应急备用功率每年运行200h)。但是与实际使用时厂家提供的机组运行能力有所出入，很多用户都有困惑。

在YD/T 502-2020《通信用低压柴油发电机组》标准讨论时，起草组与各使用单位和制造单位进行了广泛深入的讨论，一致同意主要选取持续功率(COP)、基本功率(PRP)和限时运行功率(LTP)三种功率，分别等同定义于通信行业标准的持续功率、主用功率和备用功率(参见YD/T502-2020中“3 术语和定义”)。其中需要说明的是，YD/T502-2020中基本功率明确要求“机组每次启动后持续以该功率供电时间不少于12h，每12h内能以该功率110%超载运行1h。”。关于基本功率的超载运行显然与GB/T 2820.1中描述的PRP功率(图1)(没有超载时间)不符合，这是基于配套发动机功率标定为ICXN(可超负荷10%的ISO标准功率)，发电机组在满足限定条件时有过载能力，从而进行了修正。关于平均载荷系数为制造商公布基本功率的70%，有部分主流发电机组厂家允许平均载荷系数为75%或80%，可按厂家规定使用，标准中也明确写明“除非往复式内燃机(RIC)制造商另有规定”。需要注意的是，长期高负荷运行是以缩短发电机组的寿命为代价的。一般来说，某一型号的机组如果能够提供某一功率的主用功率，则可以以提高10%的功率提供备用功率。

图1 基本功率(PRP)图解

图1中，t为时间，P为功率，a为本功率(100%)b为24h内允许的平均功率(Ppp)，c为24h内实际的平均功率(Ppa)，d为停机时间，t1+t2+t3+……+tn=24h。在24 h周期内允许的平均输出功率(Ppp)应不大于PRP的70%，除非往复式内燃(RIC)机制造商另有规定。

在工程建设中进行柴油发电机组的功率选择计算时，除了对机组运行条件进行充分评估后核定选用哪种功率描述的机组，对于机组功率的选择还需要充分考虑以下几点因素。

(1)机组通风条件对于机组出力的限制折损。良好的通风条件可以无折损，工程实践证明，较差的通风条件对于机组出力限制可高达30%。尤其在机组降噪要求较高的场合，可能由于错误的做法阻挡了较多的通风面积，从而降低机组出力。

(2)并机系统中机组间功率分配不均衡对于机组系统出力的折损，实际运行中发现个别情况下并机的两台机组功率分配不均衡对系统出力影响较大。

(3)机组系统的非线性负载对于机组带载能力的影响。柴油发电机组的功率选择和容量计算与运行条件密切相关，与负载性质、机组稳态性能、突加突减能力、土建条件等密切相关，所以在工程建设前期需要认真考虑，不能过多放大导致投资浪费，也不能考虑不足导致后期无法带满载。

2 柴油发电机组的常用供电系统架构

在数据中心建设中，“使用380V低压柴油机组好、还是10kV高压柴油机组优”这个话题讨论已久，相关的架构形式争论很多。笔者认为没有最好的架构，只有最合适的架构，只有针对确定的容量要求、投资条件以及维护要求才能提出更合适的机组形式和架构形式。

低压柴油发电机组应用的限制主要是在于380V出线在电流较大的情况下对电缆配置、传输距离、土建通道和布局要求很高，且由于电流的问题无法实现多台并机，无法形成资源池。但是低压机组的主要优势也很明显，除了低压设备的维护要求稍低、对人员能力要求稍宽之外，主要是备用电源与负载之间的电气距离很近，可靠性显著提高，这是很多情况下尤其是小规模机房使用低压机组的重要因素。

图2所示为小容量数据中心，低压柴油发电机组使用N配置时使用较多的系统架构。

图2 低压柴油机组常用架构(N的配置)

如果使用N+1的配置，一般需要一台公用柴油机与其余机组进行切换，或者使用少量机组并机输出的方式完成公用机组的接入。

由于数据中心的用电规模飞速增加，10kV高压柴油发电机组在2010年左右进入大规模应用。10kV柴油发电机组的出口电流显著减小，约为低压机组的1/25，电缆使用量急剧减少，可以节约大量的走线空间，简化施工要求，提高了系统的安全性。同时由于功率输送距离更长，允许机组远离机房进行布局，建设阶段规划布局更加灵活。值得一提的是，小电流、多台机组并机的运行方式，使得机组容量池化，避免出现发电机组容量和负荷容量不匹配，或者是近远期负荷不容易在机组之间灵活调配的问题。然而高压机组虽然拥有上述诸多优点，为工程建设带来了多种便捷条件，但除了高压机组的运维要求提高这个问题之外，高压机组并机后与10kV市电集中切换，节约了分散在机房各处的自动转换开关的同时也带来了切换点距离负荷较远，降低了系统可靠性的问题。图3所示为高压柴油机组常用架构。

图3 高压柴油机组常用架构(N+1的配置)

可以看出，高压侧集中切换的方式带来一个问题，在10kV高压母线处做试验或者是检修的时候都会造成只有单侧变压器能够运行，即使10kV两段母线中间有联络断路器也无法避免。

要避免这个问题，需要将柴油机组与市电的切换点下移至每台变压器的进线端，做成高压分散切换(限于篇幅，此处不再图示)，可靠性大为提高，只是投资增加较多。但是即使采用这种架构，与低压机组架构中直接在UPS进线侧切换的方式相比，切换点还是距离负荷较远，系统可靠性降低。

3 10kV柴油发电机组输出断路器和电缆的选择

10kV柴油发电机组已经大规模应用，但是机组周边相关的设备选型还有不少工程存在误区，认为市电侧怎么选，机组这一侧就怎么选，实际上造成了不少浪费。

机组输出断路器和电缆的选择，首先是根据运行电压选定器件额定电压，这一点没有难度。对于断路器来说，需要根据长期工作电流确定断路器的额定电流，然后根据短路电流选择其开断能力，校验断路器的动稳定和热稳定性能；接下来对于电缆来说需要依据工作电流和长期允许载流量核定电缆截面，根据短路电流校验电缆的热稳定，从而校验电缆截面，最后根据敷设条件进行温度修正和同时敷设系数的修正。

采用GB/T 15544.1-2013《三相交流系统短路电流计算 第1部分 电流计算》规定的方法计算发电机组的三相短路电流。以1台10kV电压额定容量为2 000kW的机组为例来提供算例,使用标幺制进行计算，系统基准容量取Sj=100MVA，基准电压Uj为电网的平均额定电压。机组的次暂态电抗xd”=0.108(假设值),折算至基准容量后的电抗为Xd”=0.108×100/2=5.4。

其基准电流值Ij=Sj/(1.732×Uj)=100/(1.732×10.5)=5.5kA。机组出口三相短路电流初始值Ik”=Ij/Xd”=5.5/5.4=1.018kA。机端短路情况下，其峰值电流为2.69Ik”=2.74kA。

由计算过程可知，机组的次暂态电抗越大，其短路电流越小。大量的机组计算实例表明，2 000kW 功率机组的次暂态电抗相差不大，其短路三相电流稳态值一般都在这个数值左右。所以2 000kW 功率的机组出线端的断路器选择一般额定电流选择最低档的630A。

机组出线侧断路器的开断能力需要根据10kV发电机组母线短路和机端短路两种情况进行分析。

当发电机组并机母线处短路时，流经单台发电机组回路的短路电流为上述算例的单台机组出口处短路电流；而单台发电机组出口、与并机母线断路器之间的回路发生短路时，流经该断路器的短路电流则变成并机系统台数减1。在10台并机的情况下，此处短路电流初始值Ik”=9×1.018kA=9.162kA，故选择发电机组回路的断路器开断能力20kA即可满足需要，短路动热稳定均可满足要求。

机组出线电缆选择时需要使用100%持续工作电流或者经济电流截面法来选择电缆截面，2 000kW 机组可选择50mm2的铜芯电缆截面，选择完毕后使用三相短路情况校验电缆的热稳定性能。热稳定计算时间见式(1)：

t=tb+tgu+thu

(1)

式中，tb为主保护动作时间，si，tgu为断路器固有分闸时间，ms；thu为断路器燃弧时间，ms。

由于机组出口断路器保护动作时间tb需要与负载侧断路器保护时间进行配合，一般取0.6s，断路器固有分闸时间取80ms，燃弧时间20ms，故一般热稳定计算时间可使用1s进行粗略计算。

热稳定校验公式见式(2)：

(2)

其中，10kV交联聚乙烯绝缘的铜芯电缆的热稳定系数C值取137×102。

故对于2 000kW机组来说，电缆截面使用70mm2的三相铜芯电缆即可，如果考虑同时敷设系数、温度系数等敷设条件的校正，一般也只需要放大到95mm2的截面。这与工程惯例中使用150mm2的电缆相比差距较大，值得注意。

当然，此算例中所取的保护动作时间为常规值，实际工程中可长可短，也会影响到电缆的选择，总的趋势是切断越快电缆越好选择。机组并机侧的断路器和电缆的选择可以参照以上方法进行计算和校验。

4 其他

一个运行良好的柴油发电机组系统，除了进行硬件和一次电路的配置，还需要有强大的“神经系统”，也就是机组的并机控制系统、负荷控制系统、油路控制系统以及继电保护配置等。这些系统的合理配置很大程度上决定了机组系统的运行表现。另外，在可靠性等级较高的数据中心，机组控制系统的电源供给也需要特别注意提供不间断电源的保障。

5 结束语