数据中心—柴油发电机组供配电系统

一、概述

柴油发电机组作为用电设备的备用电源，在各行各业应用广泛，是各类电源保障系统不可或缺的重要电力装备。

二、设计标准

数据中心柴油发电机组系统的设计规范主要参照以下标准：

（1）《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）。

（2）《自动化柴油发电机组分级要求》（GB/T 4712—2008）。

（3）《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》（GB/T 2820.1—2009）。

（4）《自动化内燃机电站通用技术条件》（GB/T 12786—2006）。

（5）《通信用柴油发电机组》（YD/T 502—2007）。

三、一般规定

（一）A级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源。备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组，也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路。当正常电源发生故障时，备用电源应能承担数据中心正常运行所需要的用电负荷。

（二）发电机组性能分为：G1、G2、G3、G4。

1、G1:连接的负载只规定基本电压和频率参数，适用于照明和简单的电气负载。

2、G2:电压特性与电网类似，当负载发生变化时，允许暂时的电压和频率的偏差，适用于照明、水泵、风机等。

3、G3:连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有严格要求，适用于电信负载和晶闸管控制的设备。

4、G4：连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有严格要求，适用于数据处理设备和计算机系统。

由于数据中心对发电机组的输出频率、电压和波形有严格要求，因此要求发电机组的性能等级不应低于G3级。

（三）发电机组的输出功率分为4种：持续功率（COP）、基本功率（PRP）、限时运行功率（LTP）和紧急备用功率（ESP）。

1、持续功率（COP）：无运行时间限制，为恒定负载持续供电的最大功率。

2、基本功率（PRP）：无运行时间限制，为可变负载持续供电的最大功率。

3、限时运行功率（LTP）：为恒定负载供电，年运行时间小于500h。

4、紧急备用功率（ESP）：为可变负载供电，年运行时间小于200h。

COP标定的输出功率值最低，ESP标定的输出功率值最高。例如，对于同一台柴油发电机，铭牌可以标注COP=1 000kW，也可以标注PRP=1 300kW、LTP=1400kW、ESP=1 500kW。因此，A级数据中心要求柴油发电机组的输出功率选择COP功率，或者选择70%的PRP功率。

四、柴油发电机组的原理、组成及分类

（一）原理和组成

柴油发电机组主要由柴油内燃机组、同步发电机、油箱、控制系统4个部分组成，利用柴油为燃料，柴油内燃机组控制柴油在汽缸内有序燃烧，产生高温、高压的燃气，当燃气膨胀时推动活塞使曲轴旋转，产生机械能，通过传动装置带动同步交流发电机旋转，将机械能转换为电能输出，给各用电负载提供电源。

(二）分类

柴油发电机组有多种分类方法，按柴油机的转速，可分为高速机组（3 000rpm）、中速机组（1 500rpm）和低速机组（1000rpm以下）；按柴油机的冷却方式，可分为水冷机组和风冷机组；按柴油机的柴油调速方式，可分为机械调速、电子调速、液压调速和电子喷油管理控制调速系统（简称电喷或ECU）；按机组使用的连续性，可分为常用机组和备用机组；柴油发电机组通常采用三相交流同步无刷励磁发电机，按发电机的励磁方式，可分为自励式和他励式。本次重点介绍柴油发电机组应用场地、冷却方式和控制方式的分类。

1、柴油发电机组应用场地分为：标准机组、方舱式机组。

（1）标准机组：标准机组广泛应用于机房内安装的一般场所，由柴油机、封闭式水箱、油箱、消声器、同步交流发电机、励磁电压调节装置、控制箱（屏）、联轴器和底盘等组成。机组具有电压和转速自动调节功能，通常能作为大楼或重要负载设备的主电源或备用电源，该类型的机组大多固定安装在专用柴油发电机组机房内，需要对机房进行特殊的进排风设计和降噪处理。

（2）方舱式机组：方舱式机组是相对于基本型机组而言的，将基本型机组设计整装于坚固的金属机箱内，经过特殊设计和降噪处理的金属机箱替代了专用的混凝土机房，油机和金属机箱合为一体，安装使用时免除了大量的土建基础安装工作，机组运输落地后即可投入使用。机箱采用高效吸音材料，箱内可自带油箱。可选配电缆架和动力电缆、快速电缆插件，使用非常便利。方舱式机组根据使用方式的不同，又分为防音型、拖车或拖挂防音型、汽车电站等发电机组，具有快速移动、投入迅速等优点。该类型的机组降噪效果显著，机组1m外噪声仅为70～80dB（A），并能满足户外全天候工作要求，操作检修也非常方便。由于方舱式机组结构设计非常紧凑，在满足降噪的同时，机箱的进排风系统设计是个难题，设计过小的进排风系统会降低机组满载时的容量输出，对生产厂家的技术能力和产品品质提出了很高的要求。

3、柴油发电机组冷却方式分为：风冷、水冷。

（1）风冷：柴油机带动风扇对水箱内高温的冷却水进行冷却。

（2）水冷：通过水池或冷却塔的水来冷却柴油机内部的冷却水。

4、柴油发电机组控制方式分为：基本型机组、自启动机组、微机控制（三遥功能）自动化机组。

五、数据中心柴油发电机组容量选择

（一）柴油发电机组功率

功率选型是机组选型的核心内容，其原则是在最少投资的前提下满足使用要求。柴油发电机组功率的定义比较复杂，因此首先应该明确各种功率的定义，分析机组的工况性质，确定功率条件。然后根据机组的现场条件和负载特性，计算并修正所需要的机组输出功率。

1、持续功率（COP）：在商定的运行条件下并按照制造商的规定进行维护保养，发电机组以恒定负荷持续运行，且每年运行时数不受限制的最大功率。

2、基本功率（PRP）：在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，发电机组以可变负荷持续运行，且每年运行时数不受限制的最大功率。24h运行周期内运行的平均功率输出（Ppp）应不超过PRP的70%，除非与RIC发动机制造商另有商定。在要求允许的平均功率输出Ppp较规定值高的应用场合，应使用持续功率COP。

3、限时运行功率（LTP）：在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，发电机组每年运行时间可达500h的最大功率。也就是说，按100%限时运行功率每年运行的最长时间为500h。

4、紧急备用功率（ESP）：在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，在市电一旦中断或在实验条件下，发电机组以可变负荷运行且每年运行时间可达200h的最大功率。24h运行周期内允许的平均功率输出应该不超过70%ESP，除非与制造商另有商定。

该标准同时也对发电机组运行的现场条件做出了规定：现场条件由用户确定，在现场条件未知且未另规定的情况下，应采取下列额定现场条件：绝对大气压力：89.9kPa（或海拔高度1 000m）；环境温度：40℃；相对湿度：60%。通常，柴油发电机组铭牌标称的输出功率分为备用功率（Standby Power）、常用功率（Prime Power）和连续功率（Consecution Power）。

1、备用功率（Standby Power）：发电机组在规定的维修周期之间和规定的环境条件下能够连续运行300h，每年最多500工作小时的最大功率，等同于国标和ISO标准中的限时运行功率（LTP）。一般适用于通信﹑楼宇等负载变化较多的偶然应急工况。

2、常用功率（Prime Power）：在规定的维修周期之间和规定的环境条件下，每年可能运行的时数不受限制的某一可变功率序列内存在的最大功率，等同于国标和ISO标准中的基本功率（PRP）。一般适用于厂矿﹑军队等负荷变化较小的经常运行工况。

3、连续功率（Consecution Power）：在规定的维修周期之间和规定的环境条件下，每年可能运行的时间不受限制的某一恒定功率序列内存在的最大功率，等同于国标和ISO标准中的持续功率（COP）。一般适用于作为电站或与市电并网使用等负载变化绩效的连续运行工况。

对于柴油机在数据中心的应用，在确定机组功率定额时目前普遍按照常用功率来选择。

（二）机组数量

由于数据中心的重要性，各种工况下的供电设备均应该考虑电气冗余，发电机组的配置也不例外。具体的做法是在配置柴油机系统时，按照N 1或2N的原则来配置机组的数量。机组并联使用是经常采用的一种方式。

通常并联的逻辑控制有如下3种：第一种是接到断电信号以后，所有的机组都同时启动、同时运行，即无论负载多少，并联的N 1台柴油机始终同时在线运行；第二种是机组同时启动，然后根据负载的大小投入或切除机组；第三种是接到断电信号后，只启动一台机组，然后根据负载大小，由系统决定是否需要启动其他机组并联运行。对数据中心来说，一般建议第一种逻辑控制，即全部机组始终在线运行，好处是可以避免负载较快速波动时频繁地投入/切除机组，多台同时运行内阻减小可以弱化谐波的影响，有利于机组的稳定运行。

（三）机组负荷计算

在数据中心内，柴油发电机组主要为UPS、空调、消防负荷和其他重要负载提供后备电源的保障。一般按如下方式进行负荷计算。

式中，P为自备发电机组的功率（kW）；κ为可靠系数，一般取1.1；Kχ为需要系数（一般取0.85～0.95）；Pe为负荷总容量（kW）；η为发电机并联运行不均匀系统，一般取0.9，单台取1。

（四）功率现场条件修正

在非额定现场条件和特殊负载的情况下，机组的额定功率需要修正。

1、环境温度的功率修正。

2、海拔高度的功率修正。

3、加负载的功率因素修正。

六、柴油发电机组与其负载匹配

要正确地选择备用柴油发电机组，了解负载的特性是非常重要的。负载类型一般分为电阻性（如电阻、电炉、白炽灯等）、电感性（如感应电动机、变压器等）、电容性（如电容器等）等线性负载和采用整流技术和SCR（可控硅）技术的非线性负载（又称整流性负载）。

（一）UPS负荷

UPS作为整流性设备，在采用单相或三相不控或相控整流时，因整流器后直流母线滤波电容的存在，输入电流呈瞬间脉动大电流特征，内部包含大量谐波电流，如三相6脉冲整流器输入电流含有的较低次谐波（5、7、11、13次），谐波电流总含量高达30%～35%。如果是电网，容量很大电网输出的等效内阻很低，电流的波动不会对输出电压造成影响。但对于柴油发电机组，其内阻远比电网大得多，UPS的输入谐波电流就会引起油机输出的谐波电压波动。尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时，这种危害就更明显。

（二）机房空调负荷

数据中心机房空调系统大致可分为两类：定频空调和变频空调。

定频空调实质上属于感性负载，感应电动机直接启动时启动电流为正常电流的6～7倍，而且功率因数为0.8左右。对机房空调负荷容量的分析和对电机型负载的分析基本一致。

变频空调实质上是非线性负载，它也属于感性负载，其启动电流为正常电流的2～3倍。此外，由于电磁辐射兼容的考虑，一般在主机房很少采用变频空调。

（三）其它负荷

其他负荷如应急照明、消防负荷等大都属于非线性负载，同时和UPS、空调负荷相比较小，在对柴油机系统容量影响分析时基本可以忽略。

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