高壓柴油發(fā)電機在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

高壓柴油發(fā)電機在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用伴隨著越來越多高標(biāo)準(zhǔn)、高電力需求的數(shù)據(jù)中心項目的建設(shè)，作為備用電源的柴油發(fā)電機組容量要求越來越大，需要多臺大功率柴油發(fā)電機組單機或并網(wǎng)才能滿足負(fù)載需求，由于機組數(shù)量的增加需要建設(shè)獨立的機房且與實際使用負(fù)載間距離也越來越遠(yuǎn)，多臺低壓柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行存在傳輸缺陷，為了能夠更加安全、可靠地運行，采用高壓機組無疑是最佳的選擇。大功率柴油機、大容量高壓發(fā)電機以及發(fā)電機控制技術(shù)的發(fā)展和完善，使高電壓柴油發(fā)電機組的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，市場需求旺盛，成為解決大容量、較遠(yuǎn)距離傳輸、高智能、高可靠性備用電源的主要技術(shù)方案。北京某數(shù)據(jù)中心項目建筑面積約為13473.4m2，地上兩層，地下兩層，地上建筑面積約為8599.74m2，地下建筑面積約為4873.66m2，建筑高度12m，建筑層高：地上5.7m和4.7m，地下6.6m和4.0m。項目建筑功能定位主要為IDC數(shù)據(jù)機房，樓內(nèi)具備必要的辦公用房和配套設(shè)施，以及建筑基本使用功能的電力、空調(diào)、電梯機房等配套功能用房，項目建成后具備裝機和辦公條件。項目滿足至少3.5萬臺服務(wù)器的運算及存儲?？傆秒娯?fù)荷11386kW，共需外電容量為25000kVA（主用+備用），滿足2N系統(tǒng)架構(gòu)。從園區(qū)兩個不同的110kV變電站，分別引入一路10kV電源，每路12500kVA，共兩路10kV市電給機房，互為備用，高壓有聯(lián)絡(luò)，當(dāng)一路斷電時，另一路能承擔(dān)全部負(fù)荷。IDC業(yè)務(wù)不同的客戶對業(yè)務(wù)等級有不同的需求，因此項目機房電源系統(tǒng)的建設(shè)參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中A級建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（如表1所示）。>>>>負(fù)荷計算本工程各層數(shù)據(jù)機房功率需求如表2~表4所示。冷凍站內(nèi)為機房提供制冷系統(tǒng)的設(shè)備、火災(zāi)應(yīng)急照明為一級負(fù)荷；其中所有消防用電設(shè)備、IT設(shè)備、安防設(shè)備、二級冷凍泵、數(shù)據(jù)機房專用空調(diào)風(fēng)扇為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷；余熱回收系統(tǒng)為二級負(fù)荷；其余為三級負(fù)荷。>>>>柴油發(fā)電機組的配備整個數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)按照全部為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷方式建設(shè)，在滿足兩個獨立電源供電（一個電源發(fā)生故障時，另一個電源不應(yīng)同時受到損壞）外，還另配置柴油發(fā)電機組作為備用電源。柴油發(fā)電機作為通信局站及數(shù)據(jù)中心的后備電源，主要為UPS系統(tǒng)及空調(diào)負(fù)荷供電。UPS、空調(diào)的變頻電機均為非線性負(fù)載，會產(chǎn)生大量諧波電流。由于柴油發(fā)電機的內(nèi)阻比電網(wǎng)的等效內(nèi)阻大得多，因此諧波電流對于發(fā)電機電樞繞組電勢波形有不利影響，造成發(fā)電機輸出電壓畸變、電流諧振及頻率振蕩，從而降低柴油發(fā)電機的帶載能力，尤其是非線性負(fù)載較大而發(fā)電機組容量又較小時，這種危害就更加明顯。在后期工程選擇UPS設(shè)備時，應(yīng)選擇IGBT整流UPS，降低系統(tǒng)諧波水平。同時還應(yīng)通過動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)與變配電設(shè)備統(tǒng)籌考慮，實現(xiàn)負(fù)載順序加載、負(fù)載順序減載、UPS功率緩啟動與分時啟動、加減載動態(tài)調(diào)整。對備用電源的要求>>>>數(shù)據(jù)中心的運行分析本工程柴油發(fā)電機組采用10kV油機，使用并機運行方式，動力樓內(nèi)配置的油機并機系統(tǒng)按終期配置，所有機組發(fā)電均送上10kV油機母線段后集中送往10kV高壓配電系統(tǒng)進線端進行切換，由機組自身控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷量的大小調(diào)整機組啟停。為保證油機投入可靠，每套并機系統(tǒng)需要配置1套自動化控制系統(tǒng)，具備與主電源自動切換、輕載自動停機、系統(tǒng)遙控及狀態(tài)監(jiān)視功能。由于重要負(fù)荷在低壓側(cè)均為主備變壓器帶載，自動切換，故只有當(dāng)兩路10kV市電均停電、備用油機自動啟動后方可切換負(fù)荷。當(dāng)市電停電后，柴油發(fā)電機組尚未啟動之前，此段時間由電池室蓄電池組來保證向通信負(fù)荷供電。在市電恢復(fù)后，自動切換到市電供電，同時柴油發(fā)電機組控制器檢測到市電恢復(fù)時發(fā)出停機信號。為滿足通信設(shè)備對供電系統(tǒng)不間斷要求，本工程配置10kV大容量通信專用自動化柴油發(fā)電機組作為備用電源，其容量按滿足全部負(fù)荷配置。本工程在北區(qū)室外設(shè)置8臺額定容量不小于1800kW的室外10kV柴油發(fā)電機組，構(gòu)成1套8臺“7+1”并機系統(tǒng)，分別接入高壓Ⅰ段、Ⅱ段母線。本工程配置的油機配套設(shè)備均包含柴油發(fā)電機組自帶的控制屏、啟動電池、電池充電整流器、油機水套加熱器和油機并機控制系統(tǒng)。單臺油機箱體內(nèi)除柴油發(fā)電機組本體外還包括：配套交流配電箱1臺、控制箱1臺、接地柜1臺、蓄電池和充電整流器1套。室外油機降噪需滿足GB3096-2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求。本工程在地下一層安裝油機并機系統(tǒng)控制柜1套，直流操作電源1套。>>>>儲油設(shè)備的配置綜合考慮儲油量對園區(qū)場地條件的要求和運行維護費用等因素，本工程油機儲油采用單臺柴油發(fā)電機日用燃油箱和地下油庫相結(jié)合的方式?？們τ土堪凑諠M足主用油機滿載運行不低于12h儲備。在室外配備1個容量49m3的地下儲油罐，滿足備用電源系統(tǒng)不小于12h燃油儲備。為便于維護使用，在室外柴油發(fā)電機組箱內(nèi)為每臺發(fā)電機組配置1臺1m3日用燃油箱，本工程共8臺。此外，本工程安裝的供回油管路、通氣管管路均應(yīng)設(shè)置相關(guān)閥門及法蘭接口，便于后期改造檢修。燃油系統(tǒng)中設(shè)置油泵，負(fù)責(zé)將儲油罐內(nèi)燃油送至柴油發(fā)電機組箱內(nèi)。每個儲油罐配置1主1備兩個燃油泵，燃油箱進出油口處應(yīng)有柴油過濾和油水分離器。燃油箱應(yīng)帶液位顯示，以便維護人員隨時掌握油量情況。燃油供給系統(tǒng)應(yīng)自帶RS485接口，提供監(jiān)控協(xié)議，便于監(jiān)控系統(tǒng)采集日用燃油箱及室外儲罐的外部防水淹告警信號、油位、油溫、燃油流量，油泵工作狀態(tài)等燃油供給系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)。備用電源方案的確立>>>>備用電源規(guī)范要求GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》第8.1.12條規(guī)定：“A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電，并應(yīng)設(shè)置備用電源。備用電源宜采用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組，也可采用供電網(wǎng)絡(luò)中獨立于正常電源的專用饋電線路。當(dāng)正常電源發(fā)生故障時，備用電源應(yīng)能承擔(dān)數(shù)據(jù)中心正常運行所需要的用電負(fù)荷?！眰溆秒娫词潜Ｕ螦級數(shù)據(jù)中心正常運行的必要條件，獨立于正常電源的發(fā)電機組和供電網(wǎng)絡(luò)中獨立于正常電源的專用饋電線路都可以作為備用電源。由于柴油發(fā)電機在可操作性上優(yōu)于其他備用電源，故大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心采用柴油發(fā)電機組作為備用電源。>>>>高低壓柴油發(fā)電機對比高壓柴油發(fā)電機組與低壓柴油發(fā)電機組的組成基本相同，主要區(qū)別在于相同容量的柴油發(fā)電機組，400V機組發(fā)電機出口電流比10kV機組出口電流大25倍以上，高低壓機組技術(shù)特性分析對比見表5。本工程綜合考慮地上8600m2的計容面積限制以及機柜數(shù)量最大化，選擇室外集裝箱式10kV高壓柴油發(fā)電機組。>>>>高壓柴油發(fā)電機容量確定>>柴油發(fā)電機功率持續(xù)功率（COP）：在機組規(guī)定的維修間隔和維護保養(yǎng)時間外，機組以100%功率運行，可以不間斷為恒定負(fù)載供電的最大功率?；竟β剩≒RP）：在機組規(guī)定的維修間隔和維護保養(yǎng)時間外，可以不間斷為可變負(fù)載供電的最大功率。在24h周期內(nèi)的允許平均輸出功率不應(yīng)大于PRP的70%。70%為機組經(jīng)濟運行功率。大型數(shù)據(jù)中心（IDC）多采用PRP作為選擇柴油機組的指標(biāo)。限時運行功率（LTP）：在機組規(guī)定的維修間隔和維護保養(yǎng)時間外，機組以100%功率運行，每年供電達500h的最大功率。應(yīng)急備用功率（ESP）：在機組規(guī)定的維修間隔和維護保養(yǎng)時間外，當(dāng)供電網(wǎng)出現(xiàn)故障或在試驗條件下，發(fā)電機每年運行達200h的某一可變功率系列中的最大功率。在24h運行周期內(nèi)允許的平均功率不應(yīng)大于ESP的70%。>>柴油發(fā)電機的容量選擇和計根據(jù)《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》（上冊）公式（7-21）、（7-22）、（7-24），按照供全部負(fù)荷正常工作時的計算容量PG1、按滿足大容量電動機負(fù)荷啟動時計算的發(fā)電機容量PG2、按負(fù)荷啟動時允許電壓降的發(fā)電機容量PG3

3種要求算出柴油發(fā)電機容量后，如果PG2、PG3比PG1大得較多，則說明電動機的啟動方式需要進行適當(dāng)改變。在選擇柴油發(fā)電機容量的時候，需要分析是電動機降壓啟動選擇小容量發(fā)電機組，還是電動機直接啟動選擇較大容量發(fā)電機組，應(yīng)該根據(jù)綜合技術(shù)經(jīng)濟比較來確定。本工程IT負(fù)荷所需柴油發(fā)電機容量7072.8kW，動力負(fù)荷所需柴油發(fā)電機容量為5888.4×0.85

=5005.14kW（柴油發(fā)電機功率因數(shù)取0.85），故本工程柴油發(fā)電機容量總計為12077.94kW。為滿足柴油發(fā)電機N+1的配置要求，并考慮配置經(jīng)濟，選擇PRP功率為1800kW的10kV柴油發(fā)電機8臺，7+1冗余運行模式。10kV柴油發(fā)電機系統(tǒng)設(shè)計>>>>10kV柴油發(fā)電機并機系統(tǒng)>>柴油發(fā)電機參數(shù)a.數(shù)據(jù)中心使用功率（PRP）：1800kW；發(fā)電機組功率是指除掉水箱風(fēng)扇、水泵和油泵自耗后的發(fā)電機組凈輸出功率。以制造商原始數(shù)據(jù)單描述為準(zhǔn)，需提供設(shè)備制造商對此要求進行承諾。b.額定電壓：10.5kV。c.額定功率因數(shù)：0.85（滯后）。d.額定轉(zhuǎn)速/頻率：1500rpm/50Hz。e.輸出連接：三相三線。f.發(fā)電機的性能等級不應(yīng)低于G3級。>>>>發(fā)電機組性能a.機組在常溫（增壓機組不低于10℃）下經(jīng)3次啟動應(yīng)能成功，兩次啟動的時間間隔為10s，啟動成功率應(yīng)大于99％；啟動成功后應(yīng)能在3min（1min）內(nèi)帶100%負(fù)載運行。b.開機指令發(fā)出后至允許首次加載50%負(fù)荷（PF=1.0）的時間≤6s。c.穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率：≤±0.5%。d.電壓波動率：≤±0.5%。e.電壓波形的正弦波畸變率≤5%。f.瞬態(tài)頻率調(diào)整率：≤±10%（50%負(fù)載突加、突減時）。g.頻率穩(wěn)定時間：≤5s（50%負(fù)載突加、突減時）。h.穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率：≤±0.25%。i.

頻率波動率：≤0.25%。j.

中性點接地方式：電阻接地。k.

燃油型號：國產(chǎn)輕柴油。l.

機組噪音：≤107dB（A）（距機組1m處）。m.機組振動（100%負(fù)荷時）的單振幅值不大于0.5mm。n.發(fā)電機在承受1.5倍的超速運行時不發(fā)生有害變形。o.發(fā)電機額定工況效率：≥95%。p.大修時間間隔：運行累計不少于10000h，需提供發(fā)動機原廠大修手冊或操作保養(yǎng)手冊。q.底座：發(fā)動機、發(fā)電機、水箱共用底座。r.配備缸套水加熱器及空間防潮加熱器。s.滿足項目現(xiàn)場環(huán)境使用要求，設(shè)備全季節(jié)使用不能有功率降。t.滿足機組突加100%負(fù)載使用要求，且廠驗必須滿足此要求測試。本工程備用電源為柴油發(fā)電機組，10kV系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖1所示。>>>>市電與備用電源切換邏輯>>一次系統(tǒng)說明本工程共設(shè)置2路市電，每路市電可提供12500kVA電力。備用電源為柴油發(fā)電機組，共設(shè)置8臺機組，按7+1冗余配置。同組兩路市電同時工作、互為備用，高壓聯(lián)絡(luò)。>>自動裝置配置說明備用電源設(shè)置并機控制系統(tǒng)，并機控制系統(tǒng)由發(fā)電機組設(shè)備供應(yīng)商深化設(shè)計。并機控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整個備用電源系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。每段市電配電母線處設(shè)置一臺控制器：a.控制功能可由PLC實現(xiàn)，也可由綜保繼電器實現(xiàn)。b.控制器具備自動、手動功能，備用電源系統(tǒng)啟動測試功能。c.市電電源的兩臺控制器具備通信功能，以實現(xiàn)：相互監(jiān)視運行和故障狀態(tài)；同步控制信號，確保同組兩段母線相同電源類型的進線開關(guān)和饋電至同組變壓器的兩個饋電開關(guān)同時分閘或合閘。d.控制器監(jiān)視和控制功能至少應(yīng)包括（1#和2#市電同理）：①監(jiān)測市電電源進線前PT201A的狀態(tài)，通過PT201A監(jiān)測市電電源進線狀態(tài)。②監(jiān)測市電電源進線開關(guān)S201A的手車位置（試驗、工作）、開關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開關(guān)保護動作分閘信號、故障狀態(tài)；控制S201A分合閘。③監(jiān)測備用電源進線前PT211A的狀態(tài)，通過PT211A監(jiān)測備用電源進線狀態(tài)。④監(jiān)測備用電源進線開關(guān)S211A的手車位置（試驗、工作）、開關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開關(guān)保護動作分閘信號、故障狀態(tài)；控制S211A分合閘。⑤監(jiān)測饋線開關(guān)S212A手車位置（試驗、工作）、開關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開關(guān)保護動作分閘信號、故障狀態(tài)；控制S212A分合閘。⑥監(jiān)測饋線開關(guān)S213A手車位置（試驗、工作）、開關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開關(guān)保護動作分閘信號、故障狀態(tài)；控制S213A分合閘。⑦監(jiān)測饋線開關(guān)S214A手車位置（試驗、工作）、開關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開關(guān)保護動作分閘信號、故障狀態(tài)；控制S214A分合閘。⑧監(jiān)測饋線開關(guān)S215A手車位置（試驗、工作）、開關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開關(guān)保護動作分閘信號、故障狀態(tài)；控制S215A分合閘。⑨監(jiān)測饋線開關(guān)S216A手車位置（試驗、工作）、開關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開關(guān)保護動作分閘信號、故障狀態(tài)；控制S216A分合閘。⑩控制器PLC-A發(fā)送發(fā)電機組啟動信號給發(fā)電機組并機控制系統(tǒng)。>>市電電源和備用電源切換控制邏輯a.每段市電母線上的控制器監(jiān)測本段母線市電電源進線前的PT狀態(tài)，當(dāng)同組兩路市電電源進線前的PT均失電、且市電電源進線開關(guān)無保護分閘時，延時5s發(fā)出發(fā)電機組啟動信號至發(fā)電機組并機控制系統(tǒng)。b.發(fā)電機并機控制系統(tǒng)同時接收到同組兩臺市電母線上的控制器發(fā)來的啟動信號后，所有發(fā)電機組啟動，并在應(yīng)急母線上完成并機，并機發(fā)電機組臺數(shù)達到7臺（可根據(jù)負(fù)荷調(diào)整數(shù)量）時，發(fā)電機組完成并機，并機控制系統(tǒng)閉合并機母線上的饋電開關(guān)，并機母線向市電母線輸出電能。c.市電母線上控制器監(jiān)測到備用電源進線開關(guān)前PT帶電后，延時2s發(fā)出信號斷開本段母線上的市電進線開關(guān)，斷開本段母線上次要變壓器的饋電開關(guān)，保留一路主要變壓器饋電開關(guān)在線，延時2s閉合本段母線上的備用電源進線開關(guān)。d.每延時5s，閉合本段母線上饋電至任意一組的次要變壓器饋電開關(guān)。e.此時，完成市電電源向備用電源的切換和備用電源分步加載過程。f.市電電源向備用電源的切換和備用電源分步加載完成后，在與供電單位確定其他市電電源無失電風(fēng)險時，備用電源可根據(jù)實際負(fù)載需要適當(dāng)退出部分柴發(fā)機組（可由機組功率管理模塊自動控制完成）。g.市電恢復(fù)后，手動恢復(fù)到市電供電狀態(tài)。h.若油機測試時任意2路市電失電，此時應(yīng)為手動操作，不涉及控制邏輯。>>閉鎖要求為防止市電與發(fā)電機電源之間并聯(lián)，同一段母線上的市電進線開關(guān)和備用電源進線開關(guān)之間設(shè)電氣聯(lián)鎖，任何時候兩個開關(guān)不能同時處于合閘狀態(tài)。>>>>柴油發(fā)電機保護高壓發(fā)電機組系統(tǒng)與低壓發(fā)電機組系統(tǒng)在保護上主要差別是高壓發(fā)電機組通常把差動保護和接地保護作為必須的保護，由于高壓發(fā)電機組的電壓高，對繞組的絕緣要求更高，當(dāng)定子繞組發(fā)生三相或兩相短路時，將產(chǎn)生很大的短路電流，造成繞組過熱，故障點產(chǎn)生的電弧使繞組絕緣損壞，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)電機起火，這是發(fā)電機內(nèi)部最嚴(yán)重的故障。因此，對高壓發(fā)電機組繞組相間短路進行保護是十分必要的。>>發(fā)電機組差動保護發(fā)電機組差動保護是根據(jù)比較被保護發(fā)電機定子繞組兩端電流的相位和大小的原理而構(gòu)成。為此，在發(fā)電機中性點側(cè)與靠近發(fā)電機出口斷路器各處安裝一組型號、變比相同的電流互感器。如