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集裝箱式柴油發(fā)電機(jī)組的選擇和安裝條件 |
摘要：模塊化集裝箱式數(shù)據(jù)中心是一種新興的數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式，將整個(gè)數(shù)據(jù)中心分為若干個(gè)獨(dú)立集裝箱.各集裝箱內(nèi)設(shè)備的規(guī)模、功率負(fù)載、配置等均按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著業(yè)務(wù)需求的變化，不斷增加獨(dú)立模塊，從而實(shí)現(xiàn)快速建設(shè)。通過(guò)分析集裝箱式數(shù)據(jù)中心負(fù)荷的特點(diǎn)及柴油發(fā)電機(jī)組功率特性以及相關(guān)規(guī)范的研究，提出了集裝箱式數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組功率選型方式與安裝條件。
近年來(lái)，隨著客戶需求的不斷提高，對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房硬件方面的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。其中，提供高度可靠的電力供應(yīng)，成為必備條件之一。為做到這一點(diǎn)，數(shù)據(jù)中心通常都由兩路獨(dú)立市電供電，同時(shí)由UPS和柴油發(fā)電機(jī)組配合，為關(guān)鍵設(shè)備提供市電中斷時(shí)的備用電源。其中UPS依靠備用電池組提供短時(shí)斷電的后備保證，而較長(zhǎng)時(shí)間的市電中斷，則依靠柴油發(fā)電機(jī)組來(lái)提供電源。因此，柴油發(fā)電機(jī)組的正確選用，對(duì)數(shù)據(jù)中心的高可用性至關(guān)重要。
一、柴油發(fā)電機(jī)組的選用
針對(duì)上述應(yīng)用特點(diǎn)，康明斯發(fā)電機(jī)公司可以從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，就做出針對(duì)性的安排，以在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，最大程度地提高其可靠性。
在選擇發(fā)電機(jī)組容量時(shí)，首先需要確定的問(wèn)題是發(fā)電機(jī)組的功率定義。按照國(guó)標(biāo)GB/T2820（等效于ISO8528），發(fā)電機(jī)組的功率定額分三種，即持續(xù)功率（COP）、基本功率（PRP）、限時(shí)運(yùn)行功率（LTP）以及應(yīng)急備用功率（ESP）。對(duì)集裝箱式數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，通常都有兩路市電供電，市電的可靠性非常高，所備柴油發(fā)電機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間不可能超過(guò)500h，因此，在確定發(fā)電機(jī)組功率定額時(shí)，應(yīng)按限時(shí)運(yùn)行功率來(lái)選擇。其功率的計(jì)算方法和負(fù)載類型密切相關(guān)，主要分為以下幾項(xiàng)：
1、電動(dòng)機(jī)類負(fù)載
（1）采用PWM（高速切換IGBTS整流）型變頻器，（絕緣柵雙極晶體管）啟動(dòng)的用電設(shè)備，計(jì)算方法為發(fā)電機(jī)組容量=1.4倍系數(shù)變頻器的容量；其它變頻器，計(jì)算方法為發(fā)電機(jī)組容量=2倍系數(shù)變頻器的容量。
（2）采用軟起動(dòng)的用電設(shè)備，計(jì)算方法為發(fā)電機(jī)組容量=2倍系數(shù)運(yùn)行容量。
（3）采用直接起動(dòng)的用電設(shè)備，計(jì)算方法為2KW/HP優(yōu)化后→1KW/HP。
（4）采用降壓起動(dòng)的用電設(shè)備，計(jì)算方法為直接起動(dòng)容量*SkVA factor。
2、空調(diào)類負(fù)載
（1）估算
以TONS為單位，按照2HP/ton折算成馬達(dá)負(fù)載。
（2）精確計(jì)算
按實(shí)際的馬達(dá)負(fù)載計(jì)算選出的容量再乘以同時(shí)率。
3、消防泵類負(fù)載
（1）沖擊負(fù)載PkW= SkW； PkVA = SkVA。
（2）最大容許的峰值電壓驟降： 15%。
4、UPS類負(fù)載
（1）一般發(fā)電機(jī)組容量估算系數(shù)為：1.15（12脈沖）～1.4（6脈沖)。
（2）按UPS銘牌容量選，計(jì)算方法為（電池充電容量*1.25系數(shù)）+將來(lái)擴(kuò)容容量。
（3）按冗余N+1系統(tǒng)，計(jì)算方法為電池充電容量*1.25系數(shù)。
5、非線性負(fù)載選型建議和注意事項(xiàng)
（1）規(guī)定合理電壓降10-15%；
（2）限制非線性負(fù)載容量(<20%)；
（3）限制再生功率負(fù)載(<10%)；
（4）留意苛刻的保護(hù)設(shè)置；
（5）采用電壓/頻率容差大的VFD；
（6）配置諧波過(guò)濾器；
（7）采用同步調(diào)速器；
（8）采用永磁發(fā)電機(jī)（PMG）。
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圖1 雙消聲器式集裝箱型發(fā)電機(jī)組 |
圖2 吸風(fēng)式集裝箱型發(fā)電機(jī)組 |
二、非線性負(fù)載對(duì)設(shè)備的影響
線性負(fù)載和非線性負(fù)載是電路中兩種基本負(fù)載，在UPS設(shè)備和電路中常遇到這兩種負(fù)載，特別是非線性負(fù)載。因此，對(duì)這兩種負(fù)載的特征和區(qū)別應(yīng)有清晰明確的認(rèn)識(shí)，其不同的波形分別如圖3和圖4所示。
發(fā)電機(jī)組所帶負(fù)載中，如果非線性負(fù)載小于其額定功率的25%時(shí)，可以不必特別考慮其影響。但是在大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)中心內(nèi)以UPS為主的非線性負(fù)載，已經(jīng)占到了發(fā)電機(jī)組額定功率的40%甚至更高，因此在設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，必須充分考慮UPS的因素。UPS對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響主要體現(xiàn)在兩方面：
1、諧波
盡管現(xiàn)在的UPS在引入了輸入濾波器后，已經(jīng)很大程度上控制了諧波電流，但是在發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，因其容量遠(yuǎn)小于市電，相對(duì)而言存在比較大的內(nèi)阻，當(dāng)UPS整流器的諧波電流注入到同步發(fā)電機(jī)定于繞組中時(shí)，會(huì)使交流輸出電壓產(chǎn)生畸變。這種畸變嚴(yán)重時(shí)就可能影響發(fā)電機(jī)組本身，如調(diào)壓系統(tǒng)和/或控制系統(tǒng)的正常工作、定子線圈的過(guò)熱等，也可能影響其后續(xù)設(shè)備如UPS的正常工作。
解決方案除了選用輸入諧波電流小的UPS（如12脈沖整流或高頻整流）外，在發(fā)電機(jī)組的選擇上，可采取的相應(yīng)措施包括：
（1）永磁發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用永磁勵(lì)磁，以保證調(diào)壓器供電的穩(wěn)定。采用永磁勵(lì)磁，保證了調(diào)壓器的電源與發(fā)電機(jī)負(fù)載無(wú)關(guān)，可以有效地避免因諧波電流對(duì)主磁場(chǎng)的擾動(dòng)而對(duì)調(diào)壓器的電源供應(yīng)產(chǎn)生的不利影響。
（2）RMS檢測(cè)
調(diào)壓器必須采用三相均方根（RMS）檢測(cè)輸出電壓，必要時(shí)檢測(cè)回路加隔離變壓器或低通濾波器。由于諧波電流的存在，很顯然單相檢測(cè)可能導(dǎo)致調(diào)壓器誤調(diào)節(jié)。均方根（RMS）值也叫有效值，采用RMS檢測(cè)，能有效地反應(yīng)出總電流的發(fā)熱能力，比其他檢測(cè)方式如平均值等檢測(cè)，能更準(zhǔn)確地體現(xiàn)實(shí)際電流的效果。
（3）增大發(fā)電機(jī)容量
這是一種目前廣泛采用的行之有效的解決發(fā)電機(jī)組與UPS兼容問(wèn)題的方法。增大容量的實(shí)質(zhì)，是通過(guò)降低發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻，從而弱化諧波電流的不利影響。注意由于負(fù)載的有功功率并不增大，因此柴油機(jī)功率并不需要放大，而僅選用較大容量的發(fā)電機(jī)，即俗稱的“小馬拉大車”方式。
2、容性輸入特性
隨著輸入濾波器的應(yīng)用，UPS輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流失真度（THDI）降低，這是一個(gè)很好的改進(jìn)。但是，這種UPS在空載或輕載的時(shí)候，輸入特性呈容性，且功率因數(shù)非常低，甚至接近于理想的容性負(fù)載，此時(shí)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。
盡管這種因UPS空載或低載時(shí)的容性特性而產(chǎn)生的問(wèn)題并不必然發(fā)生，在設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)盡可能的避免這種情況的發(fā)生。首先是在UPS的容量及使用方式選擇上，應(yīng)盡量避免使其工作在空載或低載狀態(tài)；其次，在發(fā)電機(jī)組投入使用時(shí)，應(yīng)考慮優(yōu)先投入感性負(fù)載，如空調(diào)等，由于UPS可由蓄電池維持一段時(shí)間，這一點(diǎn)并不難做到。
3、其他因素的影響
確定了發(fā)電機(jī)組容量、數(shù)量、運(yùn)行方式、技術(shù)要求等因素后，在設(shè)計(jì)階段，還應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題。
（1）集裝箱式數(shù)據(jù)中心一般采用靜音箱式油機(jī)，應(yīng)考慮采用靜音箱對(duì)油機(jī)運(yùn)行容量的影響，一般要求不得超過(guò)油機(jī)額定容量的5%。
（2）發(fā)電機(jī)組應(yīng)能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，即市電故障后自動(dòng)起動(dòng)，自動(dòng)投入，市電恢復(fù)后自動(dòng)退出。發(fā)電機(jī)組的控制器應(yīng)具備RS232/485通訊接口，并采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus通訊協(xié)議，以便實(shí)現(xiàn)第三方集中監(jiān)控。
（3）電池的充電器應(yīng)為全自動(dòng)均充/浮充充電器，并具備故障報(bào)警功能，以方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。在寒冷的地區(qū)，通常都應(yīng)配備自動(dòng)溫控冷卻液加熱器，以使發(fā)電機(jī)組始終保持在適宜的溫度，保證隨時(shí)順利起動(dòng)。
（4）發(fā)電機(jī)組應(yīng)就近布置日用油箱。
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圖3 柴油發(fā)電機(jī)線性負(fù)載電流波形圖 |
圖4 柴油發(fā)電機(jī)非線性負(fù)載電流波形 |
四、安裝環(huán)境要求
1、戶外使用
對(duì)于室外使用的集裝箱式發(fā)電機(jī)組，其周邊環(huán)境安全要求主要包括以下幾個(gè)方面：
（1） 地面平整：
集裝箱式發(fā)電機(jī)組需要放置在平整的地面上，以確保其穩(wěn)定性和安全性。如果地面不平整，需要進(jìn)行加固或者調(diào)整，以保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性。
（2）防水防潮：
由于集裝箱式發(fā)電機(jī)組通常放置在室外，因此需要進(jìn)行防水和防潮處理，以避免雨水或者潮氣對(duì)設(shè)備的損壞。
（3）防雷防電：
集裝箱式發(fā)電機(jī)組需要進(jìn)行防雷和防電處理，以避免雷擊或者電擊對(duì)設(shè)備的損壞。
（4）安全距離：
集裝箱式發(fā)電機(jī)組需要與周圍的建筑物、設(shè)備等保持一定的安全距離，以避免發(fā)生意外事故。
2、室內(nèi)使用
對(duì)于室內(nèi)使用的集裝箱式發(fā)電機(jī)組，其周邊環(huán)境安全要求主要包括以下幾個(gè)方面：
（1）通風(fēng)良好：
集裝箱式發(fā)電機(jī)組需要放置在通風(fēng)良好的室內(nèi)，以確保其正常運(yùn)行和安全性。
（2）防火防爆：
集裝箱式發(fā)電機(jī)組需要進(jìn)行防火和防爆處理，以避免發(fā)生火災(zāi)或者爆炸事故。
（2）安全距離：
集裝箱式發(fā)電機(jī)組需要與周圍的設(shè)備、人員等保持一定的安全距離，以避免發(fā)生意外事故。
無(wú)論是室內(nèi)還是室外使用的集裝箱式發(fā)電機(jī)組，其周邊環(huán)境安全要求都非常重要。只有在保證周邊環(huán)境的安全性的前提下，才能確保發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行和使用。因此，在使用集裝箱式發(fā)電機(jī)組時(shí)，一定要注意周邊環(huán)境的安全要求，以避免發(fā)生意外事故。
總結(jié)：
康明斯發(fā)電機(jī)廠家認(rèn)為集裝箱式數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)的選擇關(guān)鍵在于與UPS負(fù)載的容量匹配。UPS與柴油發(fā)電機(jī)容量較為接近時(shí)，兩者間匹配問(wèn)題十分突出，需從UPS的運(yùn)行工況、整流方式和柴油發(fā)電機(jī)組的工作方式、勵(lì)磁方式、額定功率等方面對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組和UPS進(jìn)行合理選型，實(shí)現(xiàn)兩者間有效的匹配工作，以保證平臺(tái)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、連續(xù)運(yùn)行。
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