10kV發(fā)電機(jī)組在數(shù)據(jù)中心園區(qū)的應(yīng)用

徐姝

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司　廣東　廣州　510630）

10kV發(fā)電機(jī)組在數(shù)據(jù)中心園區(qū)的應(yīng)用

徐姝

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司廣東廣州510630）

結(jié)合某通信運(yùn)營(yíng)商云計(jì)算信息園項(xiàng)目，探討在大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)動(dòng)力中心內(nèi)10kV發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用。

10kV發(fā)電機(jī)組；動(dòng)力中心；數(shù)據(jù)中心；并機(jī)；復(fù)用；綠色節(jié)能

前言

世界各地不斷興建著大大小小的數(shù)據(jù)中心，其中規(guī)模越來愈大的數(shù)據(jù)中心園區(qū)的數(shù)量也越來越多，隨著我們?cè)絹碓揭揽啃畔⒌奶幚砗痛鎯?chǔ)，使得數(shù)據(jù)中心在我們的生活中的地位顯得日漸重要。數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)把握著數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的命脈，它也從某種程度上決定了數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)營(yíng)及可用性。為數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急后備電源保障的發(fā)電機(jī)組在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)中就顯得尤為重要，尤其在大型的數(shù)據(jù)中心園區(qū)，可以通過建設(shè)動(dòng)力中心，將發(fā)電機(jī)組集中放置，采用10kV高壓發(fā)電機(jī)組供電，使供電系統(tǒng)更加靈活且在后期的維護(hù)管理上也更加方便及人性化。

1　發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）發(fā)電機(jī)組容量配置應(yīng)按IT設(shè)備的運(yùn)行功率、蓄電池組的充電功率、保證空調(diào)功率及其他必須保證設(shè)備的功率確定。

（2）優(yōu)選高效、抗諧波能力強(qiáng)并具有快速自啟動(dòng)、自動(dòng)切換、自動(dòng)停機(jī)和遙測(cè)、遙信功能的發(fā)電機(jī)組。

（3）對(duì)于規(guī)模較大的單體或園區(qū)型數(shù)據(jù)中心，不同變配電系統(tǒng)間可復(fù)用發(fā)電機(jī)組，并符合下列規(guī)定：

①復(fù)用發(fā)電機(jī)組的變配電系統(tǒng)，其主用市電電源應(yīng)引自不同變電站，或同一變電站內(nèi)不同的主變壓器。

②如果復(fù)用發(fā)電機(jī)組的變配電系統(tǒng)的市電電源均故障，則發(fā)電機(jī)應(yīng)優(yōu)先保障較高等級(jí)機(jī)房負(fù)荷的變配電系統(tǒng)。

③宜采用10kV高壓發(fā)電機(jī)組。

（4）對(duì)于諧波含量較大的設(shè)備（如不間斷電源、變頻器、照明等），核定其需要發(fā)電機(jī)組保證的功率時(shí)應(yīng)根據(jù)其輸入電流諧波含量的大小確定，當(dāng)輸入電流諧波含量＜5%時(shí)，其需要的發(fā)電機(jī)組保證功率宜按該類設(shè)備容量的1.2倍計(jì)算。

（5）市電與發(fā)電機(jī)組的切換宜采用自動(dòng)切換，切換裝置須具備電氣和機(jī)械聯(lián)鎖。

（6）當(dāng)供電負(fù)荷有調(diào)整分配需要時(shí)，宜采用并列運(yùn)行的方式；并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，當(dāng)自動(dòng)同步控制出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)能手動(dòng)控制同步。

2　動(dòng)力中心應(yīng)急電源復(fù)用原則

為響應(yīng)集約化、低成本、高效率思路，園區(qū)規(guī)劃中的A7～A10共計(jì)4棟數(shù)據(jù)中心機(jī)樓機(jī)房面積相同，單個(gè)機(jī)樓用電容量需求30000kVA，其中有功功率約為27000kW；4個(gè)機(jī)樓總功耗預(yù)計(jì)108000kW，動(dòng)力中心終期規(guī)劃安裝28臺(tái)備用2500kVA/2000kW高壓柴油發(fā)電機(jī)組，能提供70000kVA/56000kW應(yīng)急保障供電容量，能保障A7～A10機(jī)樓群約50%的B級(jí)應(yīng)急供電能力（C級(jí)機(jī)房在有兩路獨(dú)立市電情況下不需要配置油機(jī)），根據(jù)目前數(shù)據(jù)中心用戶使用特性和結(jié)合數(shù)據(jù)中心發(fā)展?fàn)顩r，動(dòng)力中心供電擬對(duì)各機(jī)樓負(fù)荷采用分級(jí)保障制度和A7～A9與A8～A10供電復(fù)用等供電模式，大幅提高發(fā)電機(jī)組有效利用率，滿足和適應(yīng)不同等級(jí)數(shù)據(jù)中心的供電要求。

3　10kV發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)

（1）采用10kV高壓機(jī)組并機(jī)運(yùn)行，有利于發(fā)電機(jī)組統(tǒng)計(jì)復(fù)用，大量減少園區(qū)配置發(fā)電機(jī)數(shù)量，節(jié)省投資。

（2）數(shù)據(jù)中心采用10kV空調(diào)制冷主機(jī)，動(dòng)力中心采用10kV發(fā)電機(jī)組供電節(jié)省了變壓器投資，且減少線路損耗。

（3）有利于機(jī)組并機(jī)運(yùn)行及負(fù)荷分配，以及遠(yuǎn)距離供電。

（4）采用10kV發(fā)電機(jī)組，在輸送同樣功率的情況下，所用導(dǎo)體規(guī)格是傳統(tǒng)380V發(fā)電機(jī)組的1/25，節(jié)省大量線纜投資，降低工程運(yùn)行損耗，總成本最小。

（5）節(jié)省了大量低壓雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的投資。

4　需發(fā)電機(jī)保障的一級(jí)負(fù)荷

（1）消防負(fù)荷：消防中心用電、消防水泵、消防電梯、防排煙風(fēng)機(jī)、消防應(yīng)急照明等；

（2）機(jī)房數(shù)據(jù)設(shè)備用電負(fù)荷（一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷）；

（3）機(jī)房專用空調(diào)負(fù)荷。

5　負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

根據(jù)A9數(shù)據(jù)中心機(jī)樓提供的總負(fù)荷，本工程的負(fù)荷主要為通信設(shè)備與空調(diào)設(shè)備負(fù)荷，主用設(shè)備安裝容量為：26820kW。需要A12動(dòng)力中心為A9數(shù)據(jù)中心提供6路，每路10000kVA發(fā)電機(jī)保障容量。動(dòng)力中心自身設(shè)備安裝容量為781kW，其中約450kW容量需要發(fā)電機(jī)保障。需建設(shè)2臺(tái)400kVA變壓器，需要A12動(dòng)力中心提供2路，每路400kVA市電保障容量。詳見發(fā)電機(jī)負(fù)荷計(jì)算表1。

經(jīng)過負(fù)荷計(jì)算，一期需配置14臺(tái)備用功率2000kW/2500kVA總安裝容量為的28000kW/35000kVA的10kV柴油發(fā)電機(jī)組為A9數(shù)據(jù)中心供電，設(shè)計(jì)負(fù)荷率約為85.4%。

6　市電發(fā)電機(jī)切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為增加供電方案的靈活性，市電和發(fā)電機(jī)電源的切換方式采用在A12動(dòng)力中心內(nèi)集中切換。本工程供電等級(jí)為一級(jí)，對(duì)供電可靠性要求很高，根據(jù)A9樓的提資需求，需要設(shè)置6個(gè)10kV高壓輸出配電柜，每個(gè)容量為1萬kVA。

從園區(qū)110kV變電站引入6路10kV專線電源供電，作為正常工作電源。每路10kV市電電源和10kV發(fā)電機(jī)備用電源在動(dòng)力中心切換后為A9數(shù)據(jù)中心及A12動(dòng)力中心提供10kV電源供電。

6路電源組成3套市電發(fā)電機(jī)切換系統(tǒng)，每套切換系統(tǒng)正常情況下兩路市電同時(shí)工作，互為備用。市電發(fā)電機(jī)切換系統(tǒng)采用分段單母線運(yùn)行方式，不設(shè)置母聯(lián)，在各個(gè)數(shù)據(jù)中心高壓系統(tǒng)設(shè)置母聯(lián)。當(dāng)每套高壓系統(tǒng)兩路10kV市電電源均失電后，柴油發(fā)電機(jī)自啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)并機(jī)成功后，向變電所兩段10kV母線供電。10kV母線的市電電源和發(fā)電機(jī)電源間設(shè)電氣連鎖，不允許市電與發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)低成本數(shù)據(jù)中心的理念，A12動(dòng)力中心的14臺(tái)發(fā)電機(jī)是同時(shí)保障A7和A9機(jī)樓的B級(jí)IT設(shè)備的。因此為滿足發(fā)電機(jī)后期復(fù)用及分級(jí)供電的可能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配電的靈活性，本期要預(yù)留A7機(jī)樓復(fù)用高壓輸出配電柜的安裝位置，并預(yù)留好和后期配電柜的接口（如圖1）。

7　發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.1并機(jī)方案

14臺(tái)發(fā)電機(jī)組采用一組9臺(tái)并機(jī)和一組5臺(tái)并機(jī)的方案，9臺(tái)并機(jī)系統(tǒng)能提供20000kVA發(fā)電機(jī)后備保障容量，提供4路10000kVA電源至A9機(jī)樓，5臺(tái)并機(jī)系統(tǒng)能提供10000kVA發(fā)電機(jī)后備保障容量，提供2路10000kVA電源至A9機(jī)樓，總計(jì)可滿足A9機(jī)樓6路10000kVA發(fā)電機(jī)后備電源的需求。

圖1　發(fā)電機(jī)供電接線示意圖

7.2并機(jī)總技術(shù)要求

動(dòng)力中心發(fā)電機(jī)主要為機(jī)房IT負(fù)荷、空調(diào)制冷系統(tǒng)、消防供電系統(tǒng)以及應(yīng)急照明提供應(yīng)急電源保障容量。發(fā)電機(jī)組的并機(jī)容量首先應(yīng)滿足以下三個(gè)條件：

（1）發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行額定功率大于或等于穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算功率；

（2）發(fā)電機(jī)的備用運(yùn)行功率大于或等于負(fù)荷的尖峰功率；

（3）在最大的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)電壓降不大于15～20%。

數(shù)據(jù)中心配置有大量的不間斷電源，它的特性是非線性負(fù)載，在供電線路上會(huì)產(chǎn)生諧波，使發(fā)電機(jī)輸出電壓波形產(chǎn)生失真。對(duì)于高阻抗的發(fā)電機(jī)，諧波對(duì)發(fā)電機(jī)影響更大。由于發(fā)電機(jī)組相對(duì)電網(wǎng)是有限容量系統(tǒng)，多臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)除了滿足穩(wěn)定負(fù)荷需求外，還需考慮負(fù)載特性（電能質(zhì)量）、啟動(dòng)性能、沖擊負(fù)載（冷凍機(jī)組和水泵的啟動(dòng)電流、變壓器投入時(shí)的激磁電流）對(duì)發(fā)電機(jī)使用的影響。

表1　

7.3并機(jī)控制技術(shù)要求

為保證響應(yīng)速度，并機(jī)系統(tǒng)同步控制采用準(zhǔn)同期方式，即系統(tǒng)中任一臺(tái)首先達(dá)到額定輸出的機(jī)組，都可以先合閘到母線供電，其他機(jī)組與該機(jī)組同步后再依次合閘供電。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組控制柜控制一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，配備自動(dòng)同步與負(fù)載分配模塊，通過控制機(jī)組得轉(zhuǎn)速與電壓，來實(shí)現(xiàn)機(jī)組互相之間的并聯(lián)及負(fù)載均衡。發(fā)電機(jī)平時(shí)處在自動(dòng)模式，通過外部送來的信號(hào)由并聯(lián)控制系統(tǒng)來監(jiān)視市電狀況。市電失電/故障時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)收到信號(hào)，通過設(shè)定的時(shí)間延遲后，給全部機(jī)組送出啟動(dòng)信號(hào)，并機(jī)機(jī)組啟動(dòng)。率先達(dá)到90%額定頻率和額定電壓的機(jī)組，GCP發(fā)出信號(hào)，自動(dòng)閉合斷路器，機(jī)組合閘到應(yīng)急母線。其他發(fā)電機(jī)與母線同步后，自動(dòng)合閘到母線。

7.4負(fù)載管理技術(shù)要求

全部機(jī)組自動(dòng)并聯(lián)運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)分配負(fù)載。系統(tǒng)帶載運(yùn)行中，任一臺(tái)機(jī)組故障，則系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)冗余機(jī)組投入使用。市電恢復(fù)，則全部在線機(jī)組通過主控柜斷開機(jī)組進(jìn)線斷路器，發(fā)電機(jī)組自動(dòng)冷卻延時(shí)后停機(jī)。

8　結(jié)束語

在大型云計(jì)算園區(qū)中，建設(shè)動(dòng)力中心并且使用10kV發(fā)電機(jī)組已經(jīng)是大勢(shì)所趨，相對(duì)于傳統(tǒng)的380V發(fā)電機(jī)組，10kV機(jī)組有著設(shè)計(jì)配電靈活、帶載能力強(qiáng)、節(jié)省導(dǎo)體用量等優(yōu)勢(shì)，通過多臺(tái)10kV機(jī)組并機(jī)方案，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的復(fù)用設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率思路。且由10kV發(fā)電機(jī)組組成的高壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，經(jīng)濟(jì)合理，可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、維護(hù)管理方便。綜上所述10kV發(fā)電機(jī)組在未來的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中將會(huì)得到更多的應(yīng)用。

TM31

A

1673-0038（2015）12-0171-03

2015-2-10

徐姝（1982-），女，中級(jí)工程師，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，自動(dòng)化專業(yè)，主要從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。