摘要：计算机设备、服务器设备、网络设备、存储设备等作为数据中心的关键IT设备，配套供配电、制冷、机柜、消防、监控等系统。数据中心的供电高可靠性要求，使柴油发电机组系统作为后备应急电源在数据中心广泛应用。本文将结合工程中遇到的问题分析探讨数据中心柴油发电机电气设计的若干问题。
关键词：柴油发电机；数据中心；电气设计；问题
一、发电机功率及特性
根据国标GB/T2820.1（等效于IS08528）《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》中明确的发电机功率种类和要求，分为持续功率（COP）、基本功率（PRP）、限时运行功率（LTP）和应急备用功率（ESP），必须明确的是一般同一台发电机可标定上述4种功率，分别在不同的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，其比值约为：ESP：LTP：PRP：COP=1000：920：850：780，工程上可以按比例进行折算。各种功率的定义区别在于，约定的运行时间、负载率与发动机组的寿命相关，因而对应不同的维护措施。GB/T2820.1规范中还定义了G1～G4的性能等级，考虑数据中心对发电机组的输出功率、电压和波形有严格要求，建议选用性能等级不应低于G3级。当然数据中心选型时应结合规范要求、市电可靠性、数据中心等级及建设成本折中考虑。一个供电正常的数据中心中，发电机系统一年的启动工作时间一般不会超过80～100小时（包括正常测试和带载测试）。
柴油发电机组从系统分由发动机、发电机、安全监控和控制器组成。发电机从结构上主要由定子、转子、励磁系统和控制系统组成。励磁系统由励磁电源、自动电压调节器AVR/DVR、励磁发电机和三相整流二极管组成。励磁电源经AVR/DVR整流调节提供给三相励磁发电机励磁用直流，按AVR／DVR提供的直流大小，励磁发电机发出不同电源的交流，再经过整流二极管整流提供不同的励磁直流给发电机的转子，产生不同大小的磁场，从而使得发电机发出不同的电压。
发电机感应电动势数值大小：E=BVL=4.44fф：其中，E—感应电势（电压）、B—磁场强度、V—导体运动速度、L—导体在磁场中的有效长度、f—发电机电势频率、ф—每极磁通量。
典型的柴油发电机组输出功率和负载功率因素关系曲线如图1所示。
基本上与发电机极限运行曲线一致，柴油发电机带容性（超前）负载能力较弱，而且呈快速衰减回缩。影响发电机带载的因素主要为励磁电流限制条件、原动机功率限制条件、并列运行稳定性条件。发电机低于额定功率因素运行时，定子电流或视在功率不超额定值，励磁电流为限制条件；发电机以高于额定功率因素运行时，原动机功率与额定有功功率相等，即原动机功率为限制条件；发电机以超前功率因素运行时，定子电流和励磁电流都不再是限制条件，并列稳定性成了限制条件。
二、数据中心负载分析
正确地选型备用柴油发电机组，了解数据中心的负载特性是非常必要的。负载类型分为电阻性、电感性、电容性等线性负载和采用整流技术或SCR（可控硅）技术的非线性负载。柴油发电机在数据中心应用的负载主要是UPS负载（或高压直流）和空调负载，即容性负荷和冲击负荷是影响发电机的关键。
UPS后挂服务器、路由器、网络交换机、存储器等IT设备，主要的耗电设备是服务器，大都是开关型的非线性负载，且IT设备电源系统大体类似。服务器电源标准主要分为ATX电源和SSI电源，在负荷计算时需考虑其电源设计的工况特点。上述IT设备在IEC62040-3标准中被称之为“RCD型负载”，表现为低额定电流、高峰值因素，低输入功率因素、2～41n的启动电流。在市电直供的系统中需考虑其容性的冲击电流。UPS作为整流设备，采用三相不控或相控整流时，输入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（5，7，11，13次）。若电源模块是采用带PFC（功率因素校正）功能的IGBT高频整流器时，其输入电流的谐波含量会较少（THDl<5%），可减少对发电机的影响。UPS的输入LC谐波滤波器会减低谐波电流，但低负载时也可能会导致负载特性呈容性（比如典型服务器电源实测工作时PF值为-0.92）。
机房空调负载大致分为定频和变频两类。定频空调负载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。变频空调负载为非线性负载，数据中心主要是风机和水泵等电机型负荷。电动机机常用的启动方式有直接启动、星形-三角形启动、自耦变压器降压启动、软启动、变频器启动。不同的启动方式表现不同的启动电流、压降和谐波影响。电机从启动到运行的过渡过程中产生很大的浪涌电流，冲击负荷引起电压下降，而电机转矩与电压的平方成正比，启动方式的选择不在本文讨论范围，但需考虑对发电机启动容量的影响。在变频启动应用较多的场合，变频器本身导致的谐波失真THDI一般30%～50%，配电回路配套相应的滤波器，在大量变频设备存在时需考虑谐波对发电机的影响。
三、容性负荷和冲击负荷对发电机影响
发电机电枢反应磁场与负载情况有关，发电机带上感性负载后（带容性负载具有相反的增磁作用），由于电枢反应的去磁作用，而使磁场强度B下降，感应电动势E就会降低，同时，由于绕组发热后电阻增加也会使端电压下降。
容性负载会导致电枢增磁效应，为了维持输出电源稳定，发电机电压调节器（AVR）必须减少转子的激磁电流以减少发电机电势，但是电压调节器可能没有足够的调节范围完全控制输出电压，由于转子有一定剩磁，可能即使完全关闭发电机电压调节器，仍有足够的剩磁产生输出电压，这是导致输出过压或发电机关闭的原因。
柴油发电机一般采用涡轮增压技术，对突加负载的能力有所下降，随着有效压力增加突加负载的容量越小。因而数据中心发电机所带负荷的UPS、高压直流等需功率的软启动或walkin功能，空调系统则要求能够逐台启动。通过开关的延时或控制系统实现分步加载。延迟时间（几秒）能够满足电压调节器（AVR）稳定电压，要求发电机具有较高的瞬态响应能力。采用高压柴油发电机并机系统方案，负载可以根据重要等级以及系统最小加载量等优先加载或卸载，通过控制将多个变压器逐个分时投入，所以对于集中式高压柴油发电机并机系统，系统容量相对较大，负载侧引入的瞬时负载冲击对系统电压和发电机输出影响不大，通常大多能正常逐个带载成功。但是，如果采用分布式低压柴油发电机系统架构则会完全不一样，因为每台分布式低压柴油发电机需要承当两个变压器ATS切换后的所有负荷，甚至可能是一步直接加到重载甚至满载，此时会对分布式柴油发电机有很大的瞬时冲击，特别是带纯IT的开关电源类容性负载重启时的大电流冲击。在恒功率负载作用下，电压越低，需要的电流也越大，呈恶性循环之势，从而导致配电空开的失压线圈动作，造成开关跳闸。
中性线接地电阻的选择应考虑允许通流时间和温升，中性点电阻值的选择必须根据电网的具体条件，要考虑限制间隙弧光接地过电压的倍数、继电保护的灵敏度、对通讯线路的干扰、接触电压及跨步电压等因素，分析比较，按综合效果最佳的原则进行选择。在数据中心10kV并机系统中通常采用100A，10s的低电阻接地系统，利于系统的选择性保护。即采用58Ω（≈10kV/1.732/100A）接地电阻。
参考文献：
[1]晁怀颇.数据中心柴油发电机组设计的若干问题[J].智能建筑电气技术，2011
[2]龙岐山.柴油发电机组在数据中心的应用[J].智能建筑电气技术，2007.
论文作者:杨铁军,张玉柱
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/13
标签：发电机论文; 负载论文; 电流论文; 功率论文; 数据中心论文; 电压论文; 系统论文; 《电力设备》2019年第2期论文;