數據中心柴油發電機系統應用分析

楊瑛潔， 柯媛華

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

0 引言

我國“新基建”形勢下，數據中心的建設迎來一波新的熱潮。數據中心是大數據和云計算的基礎承載者，需要提供極高的供電可靠性和連續性。

柴油發電機組是數據中心的長時間備用電源，擔負著系統市電供電停止時為數據中心負荷提供長時間、可靠的保證電源的任務。當市電故障時，柴油發電機組需要在短時間內啟動、并機、帶載，完成從空載到滿載、從0到1的功率輸出，對機組自身穩定性、并機系統同步能力、整個機組系統的負荷控制能力都提出了較高的要求。

目前，各種高低壓柴油發電機組系統已經應用得非常普遍，但是使用者對于機組系統的選型、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 柴油發電機組功率選擇

根據GB/T 2820.1-2009 《往復式內燃機驅動的交流發電機組 第1部分：用途、定額和性能》中“13 功率定額定義”規定，柴油發電機組的功率定額種類分為持續功率(COP)、基本功率(PRP)、限時運行功率(LTP)和應急備用功率(ESP)四種。四種功率定義在標準描述中有圖示和解釋，其中持續功率和限時運行功率的工況是恒定負載，基本功率和應急備用功率的工況是可變負載，都有持續運行和限時運行的區別(持續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《通信用低壓柴油發電機組》標準討論時，起草組與各使用單位和制造單位進行了廣泛深入的討論，一致同意主要選取持續功率(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標準的持續功率、主用功率和備用功率(參見YD/T502-2020中“3 術語和定義”)。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以該功率供電時間不少于12h，每12h內能以該功率110%超載運行1h。”。關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，這是基于配套發動機功率標定為ICXN(可超負荷10%的ISO標準功率)，發電機組在滿足限定條件時有過載能力，從而進行了修正。關于平均載荷系數為制造商公布基本功率的70%，有部分主流發電機組廠家允許平均載荷系數為75%或80%，可按廠家規定使用，標準中也明確寫明“除非往復式內燃機(RIC)制造商另有規定”。需要注意的是，長期高負荷運行是以縮短發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內允許的平均功率(Ppp)，c為24h內實際的平均功率(Ppa)，d為停機時間，t1+t2+t3+……+tn=24h。在24 h周期內允許的平均輸出功率(Ppp)應不大于PRP的70%，除非往復式內燃(RIC)機制造商另有規定。

在工程建設中進行柴油發電機組的功率選擇計算時，除了對機組運行條件進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)機組通風條件對于機組出力的限制折損。良好的通風條件可以無折損，工程實踐證明，較差的通風條件對于機組出力限制可高達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面積，從而降低機組出力。

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

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

2 柴油發電機組的常用供電系統架構

在數據中心建設中，“使用380V低壓柴油機組好、還是10kV高壓柴油機組優”這個話題討論已久，相關的架構形式爭論很多。筆者認為沒有最好的架構，只有最合適的架構，只有針對確定的容量要求、投資條件以及維護要求才能提出更合適的機組形式和架構形式。

低壓柴油發電機組應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多臺并機，無法形成資源池。但是低壓機組的主要優勢也很明顯，除了低壓設備的維護要求稍低、對人員能力要求稍寬之外，主要是備用電源與負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模機房使用低壓機組的重要因素。

圖2所示為小容量數據中心，低壓柴油發電機組使用N配置時使用較多的系統架構。

圖2 低壓柴油機組常用架構(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。

由于數據中心的用電規模飛速增加，10kV高壓柴油發電機組在2010年左右進入大規模應用。10kV柴油發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，可以節約大量的走線空間，簡化施工要求，提高了系統的安全性。同時由于功率輸送距離更長，允許機組遠離機房進行布局，建設階段規劃布局更加靈活。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，避免出現發電機組容量和負荷容量不匹配，或者是近遠期負荷不容易在機組之間靈活調配的問題。然而高壓機組雖然擁有上述諸多優點，為工程建設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，節約了分散在機房各處的自動轉換開關的同時也帶來了切換點距離負荷較遠，降低了系統可靠性的問題。圖3所示為高壓柴油機組常用架構。

圖3 高壓柴油機組常用架構(N+1的配置)

可以看出，高壓側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變壓器能夠運行，即使10kV兩段母線中間有聯絡斷路器也無法避免。

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，與低壓機組架構中直接在UPS進線側切換的方式相比，切換點還是距離負荷較遠，系統可靠性降低。

3 10kV柴油發電機組輸出斷路器和電纜的選擇

10kV柴油發電機組已經大規模應用，但是機組周邊相關的設備選型還有不少工程存在誤區，認為市電側怎么選，機組這一側就怎么選，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，需要根據長期工作電流確定斷路器的額定電流，然后根據短路電流選擇其開斷能力，校驗斷路器的動穩定和熱穩定性能；接下來對于電纜來說需要依據工作電流和長期允許載流量核定電纜截面，根據短路電流校驗電纜的熱穩定，從而校驗電纜截面，最后根據敷設條件進行溫度修正和同時敷設系數的修正。

采用GB/T 15544.1-2013《三相交流系統短路電流計算 第1部分 電流計算》規定的方法計算發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,使用標幺制進行計算，系統基準容量取Sj=100MVA，基準電壓Uj為電網的平均額定電壓。機組的次暫態電抗xd”=0.108(假設值),折算至基準容量后的電抗為Xd”=0.108×100/2=5.4。

其基準電流值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 功率機組的次暫態電抗相差不大，其短路三相電流穩態值一般都在這個數值左右。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。

機組出線側斷路器的開斷能力需要根據10kV發電機組母線短路和機端短路兩種情況進行分析。

當發電機組并機母線處短路時，流經單臺發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；而單臺發電機組出口、與并機母線斷路器之間的回路發生短路時，流經該斷路器的短路電流則變成并機系統臺數減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，短路動熱穩定均可滿足要求。

機組出線電纜選擇時需要使用100%持續工作電流或者經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定性能。熱穩定計算時間見式(1)：

t=tb+tgu+thu

(1)

式中，tb為主保護動作時間，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動作時間tb需要與負載側斷路器保護時間進行配合，一般取0.6s，斷路器固有分閘時間取80ms，燃弧時間20ms，故一般熱穩定計算時間可使用1s進行粗略計算。

熱穩定校驗公式見式(2)：

(2)

其中，10kV交聯聚乙烯絕緣的銅芯電纜的熱穩定系數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，如果考慮同時敷設系數、溫度系數等敷設條件的校正，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。

當然，此算例中所取的保護動作時間為常規值，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。機組并機側的斷路器和電纜的選擇可以參照以上方法進行計算和校驗。

4 其他

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

5 結束語