10 kV高壓油機作為備用電源在數據中心中的應用

熊振華

（湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

隨著大數據時代的來臨，高功率密度設備的大量使用，使得數據中心規模越來越大。作為備用電源的柴油發電機組，容量要求也越來越高，需并網多臺大功率柴油發電機組來滿足負荷的要求，且機組與負載間距離越來越遠。然而，采用傳統的多臺低壓柴油發電機組并聯運行暴露出諸多運行缺陷和傳輸缺陷。為更加安全、可靠地運行，高壓柴油發電機組正逐漸受到更多數據中心建設者和運營者的青睞。

1 高壓柴油發電機組簡介

1.1 高壓柴油發電機組概述

高壓柴油發電機組與低壓柴油發電機組的組成和基本工作原理相同，均是由柴油發動機、柴油發電機、控制系統及底盤等附屬裝置構成的一體發電設備。一般以國內外優質品牌柴油發動機帶動同步發電機，在附屬裝置和控制系統的配合下共同發電。相對于作為市電備用電源而廣泛應用于數據中心的低壓柴油發電機組（400 V線電壓），線電壓為6 kV、6.3 kV、6.6 kV、10 kV、10.5 kV及11 kV等的柴油發電機組被稱為高壓柴油發電機組。單臺機組功率一般在1 000 kW以上，具備相同的電壓有效值與波形、相同的電壓相位及相同頻率，且相序一致的機組可多臺并聯使用。

1.2 高壓柴油發電機組與低壓柴油發電機組的對比

在選擇備用柴油發電機組的電壓等級時，需考慮發電機系統及其配電系統的經濟性、主母線的額定電流和短路電流、線路輸送壓降及損耗等因素。高壓柴油發電機組額定輸出的線電壓是低壓柴油發電機組額定輸出400 V線電壓的15～25倍，而國內大部分低壓配電柜主母線最大額定電流控制在6 300 A以內，決定了高低壓柴油發電機組的差異性。高壓與低壓柴油發電機組的差異性主要體現在13個方面，如表1所示。

2 高壓、低壓柴油發電機組系統案例對比

某數據中心一期工程，主機樓建筑面積近10 000 m2，可安裝機柜1 350個，單機柜功耗5.5 kW，IT設備總功耗7 425 kW。本項目用電設備總容量需求約9 400 kVA，需從市政不同變電站引入兩路10 kV獨立電源作為正常工作電源，且兩路電源互為備用。當一路電源發生故障時，另一路電源不應同時受損，每路市電引入容量約為10 000 kVA。高壓、低壓柴油發電機組系統供電方案的不同，在于市電和油機電的切換分別在高壓側、低壓側實施。下面將說明本項目高、低壓系統的方案，并分析比較采用高壓、低壓柴油發電機組系統供電方案和投資。

2.1 采用高壓、低壓柴油發電機組系統供電方案對比

2.1.1 本項目高、低壓系統建設方案（不含油機系統）

（1）本項目高壓系統建設方案。從不同的變電站引入2路10 kV電源，每路電源可提供100%的供電能力。正常情況下，10 kV兩路電源同時工作，互為備用，母聯斷路器斷開運行。母聯設自投裝置，兩路進線和母聯開關之間設電氣聯鎖，任何時候只能有兩臺開關處于合閘狀態。

（2）本項目低壓系統建設方案。在數據中心配置5套低壓配電系統，每套系統配置2臺互為備用的2 000 kVA變壓器（10 kV/0.4 kV）和配套低壓柜，每臺變壓器負載率不大于47.5%。低壓配電系統采用模組化設計，促使供電電源臨近負荷供電區，減短供電路由。低壓配電系統采用單母線分段方式運行，兩段母線之間設母聯開關。兩臺變壓器出線總開關與聯絡開關之間設機械與電氣聯鎖，任何時候只能有兩臺開關處于合閘狀態。當一臺變壓器失電后，另一臺變壓器帶起故障變壓器一、二級等重要負荷。當失電電源恢復供電后，自動恢復正常狀態。

表1 高壓與低壓柴油發電機組的差異性

市電和油機電的切換分別在高壓側、低壓側實施。

2.1.2 采用高壓柴油發電機組系統供電方案

本項目需要油機保障的負荷約為8 300 kW，安全系數按1.2章節考慮。需配置5臺（5用0備）常用功率為2 000 kW的10 kV柴油發電機組組成并機系統，分別與兩路10 kV市電切換，將經過切換的10 kV保障用電直接輸送至數據中心10 kV配電系統。此方案配電系統如圖1所示。

圖1 采用高壓柴油發電機組系統供電方案示意圖

2.1.3 采用低壓柴油發電機組系統供電方案

本方案與高壓柴油發電機組系統供電方案的不同，在于市電和油機電的切換在低壓400 V側實現。鑒于國內大部分低壓配電柜主母線最大額定電流為5 000～6 300 A，單組低壓柴油發電機組合容量不應超過3 600 kW。當備用發電機組容量需求大于3 600 kW時，需采用低壓發電機組分組方案。本方案將5臺2 000 kW低壓柴油發電機組分別通過ATS切換開關接入5個低壓配電系統，配電系統如圖2所示。

2.2 采用高壓、低壓柴油發電機組系統供電方案的投資對比

同功率高壓發電機組和低壓發電機組，機房通風、消音設計及進出線配置完全相同。因此，投資比較時忽略此方面的投資，僅考慮油機系統和不同部分的投資。

2.2.1 采用高壓柴油發電機組系統供電方案投資

采用10 kV高壓柴油發電機組系統供電方案，需投資1 482萬元，詳細情況如表2所示。

圖2 采用低壓柴油發電機組系統供電方案示意圖

表2 采用10 kV高壓柴油發電機組系統供電方案投資表

表3 采用0.4 kV低壓柴油發電機組系統供電方案投資表

2.2.2 采用低壓柴油發電機組系統供電方案投資

采用0.4 kV低壓柴油發電機組系統供電方案，需投資1 780萬元，詳細情況如表3所示。

由表2、表3數據對比可知，在同等規模、相同場景下，采用10 kV高壓柴油發電機組比0.4 kV低壓柴油發電機組更經濟（投資節省298萬元）。若用于更大規模的數據中心，需綜合考慮柴油發電機房和線纜使用等其他配套設施的建設進行選擇。

3 結 論

高壓柴油發電機組具備輸電線路損耗較小、供電距離較遠、抗諧波能力較強、可并機數量較高及供電效率更高等優點，可適用于容量要求較大和送電距離較遠的大型或超大型綠色數據中心建設。