1、設(shè)計規(guī)范要求和應用難點
1.1 設(shè)計規(guī)范要求
關(guān)于柴油發(fā)電機的容量選型要求，在設(shè)計規(guī)范中主要有以下幾條：
GB51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》中6.3.11當UPS的輸入電源直接由自備柴油發(fā)電機組提供時，其與柴油發(fā)電機容量的配比不宜小于1:1.2。
GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中8.1.14后備柴油發(fā)電機組的性能等級不應低于G3級；A級數(shù)據(jù)中心發(fā)電機組應連續(xù)和不限時運行，發(fā)電機組的輸出功率應滿足數(shù)據(jù)中心最大平均負荷的需要。B級數(shù)據(jù)中心發(fā)電機組的輸出功率可按限時500h運行功率選擇。
再參考行業(yè)規(guī)范YD/T1818-2018《電信數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)》9.1.2.2規(guī)定：
T4等級數(shù)據(jù)機房備用發(fā)電機應選擇YD/T2888-2015中持續(xù)功率的機組；
T3等級數(shù)據(jù)機房備用發(fā)電機應選擇YD/T2888-2015中主用功率的機組；
T2等級及T1數(shù)據(jù)機房備用發(fā)電機應選擇YD/T2888-2015中備用功率的機組；
可以看到在《民用建筑電氣設(shè)計標準》中只給出了柴油發(fā)電機組和UPS的配比，沒有給出柴油發(fā)電機組和數(shù)據(jù)中心機房整體負荷的配比，所以無法直接計算數(shù)據(jù)中心整體柴油發(fā)電機組功率。另外根據(jù)GB/T2820.1《往復式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組 第一部分：用途、定額和性能》可知，同一臺柴油發(fā)電機組有以下四種標定功率：
表1 柴油發(fā)電機功率定義
以上四種功率之間的關(guān)系為：
持續(xù)功率(COP)＜基本功率(PRP)＜限時運行功率(LTP)＜應急備用功率(ESP)
1.2 柴油發(fā)電機選型應用難點
查詢柴油發(fā)電機廠家的產(chǎn)品彩頁發(fā)現(xiàn)，不會同時標明以上4種功率，大多數(shù)只給出主用功率和備用功率，對主用功率大多數(shù)標PRP功率但經(jīng)常不說明，對備用功率大多數(shù)標ESP功率，個別也有標LTP功率的。大多數(shù)廠家甚至不會直接給出COP功率。即使根據(jù)負載算出所需柴油發(fā)電機組容量，要再根據(jù)幾種不同的標定功率來選柴油發(fā)電機組，也足以讓大多數(shù)用戶迷茫。
另外雖然《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中給出了A/B級數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組的容量選擇要求，但在大多數(shù)實際項目中并不嚴格按此選擇。筆者曾調(diào)研過數(shù)十個數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機組選型，情況如下：
表2 筆者統(tǒng)計的部分數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機選型情況
1.3 最新行業(yè)定義
面對以上難題，在2018年2月ISO發(fā)表新修訂的ISO8528-1《往復式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組》專門為數(shù)據(jù)中心增加一個DCP功率定義：無運行時間限制，為恒定或可變負載持續(xù)供電的最大功率DCP=100%PRP，大修時間DCP為8000小時，PRP為15000小時，以犧牲大修壽命的方式來補償柴油發(fā)電機組功率，降低柴油發(fā)電機投資成本。但因為數(shù)據(jù)中心油機為備用運行，所以仍然可以滿足數(shù)據(jù)中心使用20年。所以遵照以上定義數(shù)據(jù)中心按DCP(即PRP)功率選擇柴油發(fā)電機即可。
2、典型案例
筆者在兩年前曾遇到一個典型案例，某A級數(shù)據(jù)中心設(shè)計有300多個機柜，計算出IT總負荷為954kW，按2N架構(gòu)設(shè)計4臺600kVA高頻UPS帶IT負載，另有1臺300kVA高頻UPS帶空調(diào)末端和輔助設(shè)備負載242kW，2臺一體化冷水主機共230kW，其它負荷140kW，總負荷為1566kW，設(shè)計1臺1600kW柴油發(fā)電機。進入施工階段后，第三方驗證機構(gòu)發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機功率可能不足。
首先與柴油發(fā)電機廠家核實得知，訂貨時的1600kW為應急備用功率(ESP)，基本功率(PRP)僅為1470kW。即使按1600kW的基本功率(PRP)計算，容量也不夠。因為在前期設(shè)計方?jīng)]有與各方溝通過柴油發(fā)電機容量問題，沒有考慮UPS給電池充電功率還有空調(diào)動力設(shè)備的啟動電流，僅因為預算緊張就按1600kW(剛剛滿足數(shù)據(jù)中心滿負荷)來選擇柴油發(fā)電機組。而在施工采購階段，施工方為了節(jié)省成本又擅自將1600kW的基本功率改為ESP備用功率。好在此時柴油發(fā)電機組僅完成訂貨，尚未生產(chǎn)，亡羊補牢猶未為晚，所以又重新研究合適的柴油發(fā)電機功率。
3、分析計算和提示
3.1 計算方法
柴油發(fā)電機啟動后必須優(yōu)先供電的是UPS和空調(diào)冷水機組，剩余140kW負荷可以推遲供電。考慮到配電柜、密集母線、電纜的供電損耗，應該按：柴油發(fā)電機組功率＞UPS最大輸入功率+空調(diào)冷水機組最大啟動功率
3.2 UPS最大輸入功率
當雙路市電停電UPS電池放電后，柴油發(fā)電機啟動恢復供電切換時，UPS既要給后端負載供電又要給UPS充電，此時達到最大輸入功率。
此項目中采用某國際一線品牌600kVA和300kVA高頻UPS，輸入功率因數(shù)0.99，輸出功率因數(shù)0.9，雙變換效率96%，
UPS充電電流為電池容量的0.1C。600kVA的UPS后備15分鐘需要配4組40節(jié)12V250AH電池，電池組總?cè)萘?000AH，充電電流為100A，電池均充電壓為每節(jié)電池14.1V，40節(jié)電池串聯(lián)均充電壓為564V，充電效率按照95%計算，可以得出
同理可算出300kVA滿載且充電時最大輸入功率為310.9kW。
3.3 空調(diào)冷水機組最大啟動功率
此項目中2臺一體化冷水主機(內(nèi)含冷水主機和水泵、電動閥等)，廠家提供的額定功率為每臺115kW，2臺共230kW，綜合啟動電流為2.33倍，輸入功率因數(shù)按0.8。
按照分步啟動計算的空調(diào)冷水機組最大啟動有功功率=115kW×2.33+115kW=382.95kW。
3.4 匯總計算
因為柴油發(fā)電機的輸出功率因數(shù)為0.8，所以只要輸出有功功率足夠，輸出無功功率和視在功率必然滿足要求。按照UPS單邊滿載加全部充電條件計算：
柴油發(fā)電機組功率＞UPS最大輸入功率+空調(diào)動力和輔助設(shè)備最大啟動功率=2×621.87kW+4×59.37kW+1×310.9kW+382.95kW=2175.07kW。
查詢主流柴油發(fā)電機廠家的產(chǎn)品手冊可知，1800kW之上是2000kW，2000kW之上是2200kW。也就是說柴油發(fā)電機選型至少要2200kW，容量偏大。
考慮到UPS實際不是也不會滿載，可以將柴油發(fā)電機功率略微減小，按UPS計算負載配置：4臺2N配置的600kVA UPS最大輸入功率=+4臺UPS充電功率=1231.23kW；1臺300kVA UPS最大輸入功率=+UPS充電功率=281.77kW
所需柴油發(fā)電機組功率＞UPS實際最大輸入功率+空調(diào)冷水機組最大啟動功率
=1231.23kW+281.77kW+382.95kW =1895.95kW，柴油發(fā)電機按1臺2000kW選型就足夠。
3.5 特別提示和建議
關(guān)于UPS與柴油發(fā)電機配比。十幾年前UPS還是工頻機為主，當時UPS輸入功率因數(shù)較低，輸入電流諧波大，柴油發(fā)電機組容量需要在UPS基礎(chǔ)上放大1.5-2.5倍；但目前市場主流UPS已經(jīng)進化到第四代高頻機為主，第三代高頻機正在淘汰中，少數(shù)第五代高頻機已經(jīng)上市，其輸入功率因數(shù)已經(jīng)高達0.99，輸入電流諧波＜3%(滿載)/＜5%(半載)。所以柴油發(fā)電機并不需要為UPS放大太多，當采用滿足泰爾檢測I類標準的高頻UPS時，按照設(shè)計規(guī)范的1:1.2進行選型已經(jīng)足夠；選擇的高頻UPS性能稍差時，最多按1:1.3選型就可以。
反倒是空調(diào)動力部分，因為以感性負載為主并且大量使用變頻器，輸入功率因數(shù)較低(在0.8左右)，輸入電流諧波更大(變頻器輸入諧波普遍在30%以上)，加上啟動電流的影響，需要放大柴油發(fā)電機功率。但空調(diào)動力部分可以設(shè)計分時分步啟動，以減小對柴油發(fā)電機容量的要求。
4、總結(jié)
數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機容量計算和選擇的難點，首先是具體的功率計算，要參照UPS電池放電后柴油發(fā)電機剛剛恢復供電時的最大負載功率，而不能僅按照市電正常供電時的滿負荷功率。其次是柴油發(fā)電機標稱功率的選擇，已經(jīng)有明確的設(shè)計規(guī)范和功率定義可參考。筆者建議，對T4級數(shù)據(jù)中心還是應按照持續(xù)功率(COP)進行柴油發(fā)電機選型，對T3+和T3級數(shù)據(jù)中心按照DCP功率(即PRP功率)選型，對T2級及以下數(shù)據(jù)中心可以按照限時運行功率(LTP)選型。但不建議按應急備用功率(ESP)選型。最后選擇具體產(chǎn)品時，要注意柴油發(fā)電機標定功率的準確性，防止被中途偷換概念。
作者：楊毅哲
