如何正确的选用柴油发电机组的对IDC至关重要

IDC（Internet Data Center）,即互联网数据中心，按照互联网实验室的定义，IDC是指“一种拥有完善的设备、专业化的管理、 完善的应用级服务的服务平台。在这个平台基础上，IDC服务商为企业和ISP、ICP、ASP等客户提供互联网基础平台服务以及各种增值服务”。近年来， 随着客户需求的不断提高， 对 IDC 机房硬件方面的要求也越来越严格。 其中，提供高度可靠的电力供应， 成为 IDC必备条件之一。通常,IDC服务商都会承诺99.99%以上的持续供电能力，即每年的电力中断时间不能超过52分钟。为做到这一点，IDC通常都由两路或多路市电供电，同时由UPS和柴油发电机组配合，为关键设备提供市电中断时的备用电源。其中UPS依靠备用电池组提供短时断电的后备保证，而较长时间的市电中断，则依靠柴油发电机组来提供电源。因此，柴油发电机组的正确选用，对IDC 的高可用性至关重要。

融合着电信技术和网络技术IDC,主要用电设备也包括传输设备、交换设备（交换机等）、数据设备（服务器）。以及维持机房环境的辅助设施如机房空调照明、安保等设施，其中的用电大户为数据设备和机房空调。

各种电信机网络设备。通常都采用标准机柜安装，一个40U标准机柜，通常安装约20台左右的服务器。早期的IDC机房，一般每个标准机柜的供电容量为1.6KW，而现在的IDC每个机柜的供电容量已经达到了4kW。而且随着芯片密度的增加，单位空间设备能耗仍保持着增长的趋势。按照每100m2 机房面积布置70个电信标准机柜估算，不计入空调、照明等负载，仅考虑机房内的电信/网络设备，耗电量即可高达1kW/m2（三相），这些电信/网络设备大都由UPS来保证电力供应。大量使用的UPS，由于其整流逆变的工作原理，不可避免地会产生大量谐波。
相应地，柴油发电机组在IDC上的应用，表现出以下几个明显的特点即：1) 机组的重要程度非常高，即可靠性要求高，必须能随时投入使用；2)机组作为紧急备用电源，实际投入使用的概率低，这一点在市电可靠场所更为明显；3)机组的主要负荷为UPS及机房空调，其中UPS等非线性负荷占到机组总负荷的40% 以上，系统中存在比较大的谐波。

IDC柴油发电机组的选用针对上述应用特点，我们可以从设计阶段开始就做出针对性的安排，以在经济合理的前提下，最大程度地提高其可靠性。在选择发电机组容量时，首先需要确定的问题是机组的功率定义。按照国标GB/T2820（等效于ISO8528），机组的功率定额分三种，即主用功率（PRP）、限时运行功率（LTP） 以及持续功率（COP）。而在机组行业内， 除上述三种外， 还定义了备用功率，各种功率定额定义如下：备用功率：也叫备载功率，适用于有可靠市电供电的场所带变动负载。变动负载平时由市电供电，市电中断时由发电机组供电。备用功率不允许过载。每个机组在定义其额定备用功率的同时，也定义了它的平均负载率。具体的平均负载率与生产厂家及具体机组型号有关，一般在60% 至85%间。典型的备用功率定义为每年运行时间不超过400h。如果年运行时间需要超过400h，则需按照主用功率来选择机组。主用功率：也叫基本功率、常用功率、常载功率、长行功率等等，适用于没有市电或市电不可靠的场所带变动负载，年运行小时数不受限制。同样，机组也有相应的平均负载率定义。主用功率每运行12 小时，允许有累计1个h10%的过载， 但总的过载时间不应超过400h/n。

限时运行功率：适用于负载大小不变的场所，年运行时间不超过700h，不允许过载。 如果运行时间超过700h，则应选用连续功率。连续功率：适用于给不变负载连续供电， 稳定输出100%额定功率，运行小时数不受限制。没有过载能力。各种功率的定义与发动机的寿命相关。典型的发动机输出负载及寿命（平均大修时间）之间的关系。对IDC来说，通常都两路或以上的市电供电，市电的可靠性非常高，所备柴油发电机组年运行时间不可能超过400h，因此，在确定机组功率定额时，应按备用功率来选择。有的设计人员按照备用功率选择了机组，可能出于提高保险系数的目的，又要求机组具有每12小时累计1小时10%的过载能力，这样实际上是在按主用功率在选择机组，提高了造价， 是没有必要的。需要注意的是、设计中计算出最大所需保证的负荷容量后，即可把此容量作为对机组的备用功率要求，无需考虑机组平均负载率的问题。因为机组实际投入使用的机会不多，主要运行时间为维护试运行。一般工厂对日常维护的建议是一个月至少起动一次，空载运行15min，每年至少带载运行一次。按照每个月机组空载运行15min（负载低于30%时按30%计算），再假设每年满载运行60min，半载运行60min，则其平均
负载率为( 30% x 15 x 12 + 100% x 60 + 50% x 60 ) /(15x12+60+60)即仅为60%。 因此在设计选型时，无需考虑机组的负载率问题。实际应用中，选择的机组容量通常都偏大，这可能与设计选型时考虑的是极端情况如最大负载，而该极端情况实际出现的概率总是较低的有关。按照N+1的原则来确定机组数量由于IDC负载的重要性，各种工况下的供电均应考虑到冗余备用，以消除单点故障，发电机组的设置也不例外。具体的做法是在配置油机时，按照N+1的原则来配置机组的数量，N+1台机组并联运行，为IDC提供可靠的应急备用电源。通常并联控制逻辑有三种：第一种是接到断电信号后，所有机组同时起动，同时运行，即无论实际负载大小，N+1 台机组始终同时在线运行；第二种是机组同时起动，然后根据实际负载大小投入或切出机组；第三种是接到断电信号时，只起动一台机组，然后根据负载大小，由系统决定是否需要起动其它机组并联运行。
对IDC机房来说，建议采用第一种控制逻辑，即全部机组始终在线运行，好处是可以避免负载较快速的波动时频繁投入/切除机组，同时多台机组同时运行也可弱化谐波的影响，有益于机组输出性能的稳定。第二种方式通常适用于负载变化缓慢、且机组一次投入后，运行时间较长的场所，这样燃油经济性比较好。第三种控制逻辑负载依次投入，适用于初始负载不大、且负载增长模式已知且固定的场所。在设计阶段需要注意的是，即使是同样需要油机来保证的负载，也应对其进行重要性分级。比如在服务器托管区，可以考虑把VIP室相关电源列为最重要，而其他则为次重要，这样，在特殊情况下，可以由并联控制屏或机组控制屏发出指令，切除部分负载以保证最重要负载的电力供应。

机组的选择必须充分考虑到 UPS 的影响
发电机组所带负载中，如果非线性负载小于其额定功率的25%时，可以不必特别考虑其影响。而IDC内以UPS为主的非线性负载，已经占到了机组额定功率的40%甚至更高， 因此在设计柴油发电机组时，必须充分考虑UPS的因素。UPS对柴油发电机组的影响主要体现在两方面：
1）谐波
尽管现在的UPS 在引入了输入滤波器后，已经很大程度上控制了谐波电流， 但是在发电机组供电时，因其容量远小于市电，相对而言存在比较大的内阻，当UPS整流器的谐波电流注入到同步发电机定于绕组中时，会使交流输出电压产生畸变。这种畸变严重时，
就可能影响发电机组本身，如调压系统和/或控制系统的正常工作、 定子线圈的过热等， 也可能影响其后续设备如 UPS 的正常工作。解决方案除了选用输入谐波电流小的 UPS（12脉冲整流）外，在机组的选择上，可采取的相应措施包括：
a. 发电机励磁系统采用永磁励磁，以保证调压器供电的稳定。典型的发电机励磁系统调压器检测主发电机输出，输出直流电到励磁机磁场，从而改变励磁机的输出电压， 进而改变主发电机的磁场。在转速不变的情况下，发电机的电压完全由其磁场来决定。区别不同的励磁方式的关键，在于给调压器的供电方式的不同。采用永磁励磁，保证了调压器的电源与发电机负载无关，可以有效地避免因谐波电流对主磁场的扰动而对调压器的电源供应产生的不利影响。
b.调压器必须采用三相均方根（ RMS）检测输出电压，必要时检测回路加隔离变压器或低通滤波器。由于谐波电流的存在，很显然单相检测可能导致调压器误调节。均方根（ RMS）值也叫有效值，采用RMS 检测，能有效地反应出总电流的发热能力，比其他检测方式如平均值等检测，能更准确地体现实际电流的效果。
c.增大发电机容量
这是一种目前广泛采用的行之有效的解决发电机组与UPS兼容问题的方法。增大容量的实质，是通过降低发电机的内阻，从而弱化谐波电流的不利影响。注意由于负载的有功功率并不增大，因此柴油机功率并不需要放大，而仅选用较大容量的发电机，即俗称的“小马拉大车”方式。发电机定子流过电流时，其线圈温度上升，不同的绝缘材料对应不同的允许温升。NEMA将发电机绝缘材料分为A,B,F和H四级，每个级别对应不同的最
大允许温升，如下表所示。注意其中的连续运行（即主用）及间断运行（即备用）为发电机的不同运行方式，在备用温升下运行1h，绝缘的热老化相当于在主用方式下运行 2~6h。增大容量的基本原则如下：在带12脉冲整流UPS或类似非线性负载时，发电机的功率可按 105℃温升主用功率选取；在带6脉冲整流UPS或类似负载时，发电机的功率可按80℃温升主用功率选取。