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柴油发电机组选型原则、设置要求和容量计算 |
摘要∶柴油发电机组的功率选择一直是困扰发电设备购买者的难题，买大了经济不划算造成了资金浪费，买小了带不起负载更是得不偿失。因此，如何抉择适合自己用电需求的供电装置成了购置前必须研究的课题。特别是对于第一次购买发电机组的用户，在选购发电机组上有什么标准或者说基础配置是不清楚的，现在我们就拿柴油发电机组来说，它的选购标准包含了外观要求、绝缘电阻和绝缘强度、相序要求、柴油发电机维持准备运行状态要求、自动启动供电和自动停机的可靠性检查、自动启动成功率等方面的标准。康明斯公司通过分析数据中心用电负荷的特点及柴油发电机组功率特性以及相关规范的研究，提出了数据中心柴油发电机组选型原则、功率确定方法以及计算公式。
一、柴发的容量确定
针对数据中心的柴油发电机组应用特点，康明斯公司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。图1是数据中心室内机型应用案例，图2是数据中心室外静音机型应用案例。
1、柴发额定容量的选确定
（1）综合考虑因素
在选购柴油发电机组时应充分考虑柴油发电机组的综合性能和经济指标，供应商的敬业精神、地理位置和实际专业程度，供应商是否具备售后服务手段，如抢修车、专用机具等。然后再考虑所选发电机组功率与用电负荷功率是否匹配。
（2）向供应商咨询
一般以柴油发电机组额定功率ｘ0.8=用电设备功率来选定发电机组功率为好。若有大中型电动机则还需考虑 2~5倍的起动电流。若发电机组主要用于对UPS充电，则必须根据UPS的实际情况作一次专业咨询，然后再决定发电机额定功率。
（3）按实际用电需求
按柴油发电机组长期持续运行输出功率能满足全工程大计算负荷选择，并应根据负荷的重要性确定发电机组备用发电机组容量。柴油机持续进行的输出功率，一般为标定功率的0.9倍。
（4）功率不够数量来凑
常用柴油发电机组台数的设置通常为2台以上，以保证供电的连续性及适应用电负荷曲线的变化。发电机组台数多，才可以根据用电负荷的变化确定投入发电机组的进行台数，使柴油机经常是在经济负荷下运行，以减少燃油消耗率，降低发电成本。柴油机的佳经济运行状态是在标定功率的75%-90%之间。为保证供电的连续性，常用发电机组本身应考虑设置备用发电机组，当进行发电机组故障检修或停机检查时，使发电机组仍然能够满足对重要用电负荷不间断地持续供电。
2、功率计算方式
最基本的方法就是计算全部应急负荷的容量，公式如下：
SYJ=√(PSZ/ηSZ+∑PM/ηM×K)2+(PSZ/ηSZ×tgφSZ+∑PM/ηM×tgφM×K)2
式中：SYJ——按所供全部应急负荷计算的发电机容量，kVA；
PSZ——事故照明负荷，kW；
ηSZ——事故照明负荷的效率；
tgφSZ——事故照明负荷功率因数角的正切值；
PM——电动机的额定容量，kW；
ηM——.电动机的额定效率，通常可以取0.8~0.9，或由产品样本中查得；
tgφM——电动机功率因数角的正切值；
K——需要系数，在数据中心机房应急情况下取1。
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图1 数据中心室内机型应用案例 |
图2 数据中心室外静音机型应用案例 |
二、谐波和容性负载对柴发的影响
柴油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。而内以数据中心内以UPS为主的非线性负载，已经占到了发电机组额定功率的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（如12脉冲整流或高频整流）外，在发电机组的选择上，可采取的相应措施包括∶
① 励磁系统选用
发电机励磁系统采用永磁励磁，以保证调压器供电的稳定。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。
② 调压器选用
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。
③ 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，因此柴柴发功率并不需要放大，而仅选用较大容量的发电机，即俗称的“小马拉大车”方式。
2、容性输入特性
随着输入滤波器的应用，UPS输入功率因数提高，输入谐波电流失真度（THDI）降低，这是一个很好的改进。但是，这种UPS在空载或轻载的时候，输入特性呈容性，且功率因数非常低，甚至接近于理想的容性负载，此时发电机组的运行可能会产生问题。
尽管这种因UPS空载或低载时的容性特性而产生的问题并不必然发生，在设计时仍应尽可能的避免这种情况的发生。首先是在UPS的容量及使用方式选择上，应尽量避免使其工作在空载或低载状态；其次，在发电机组投入使用时，应考虑优先投入感性负载，如空调等，由于UPS可由蓄电池维持一段时间，这一点并不难做到。
三、柴发选型要求和原则
1、基本功能性要求
（1）接自控或遥控的启动指令后，柴油发电应能自动启动
（2）发电机组自动启动后第3次失败时，应发出启动失败信号，设有备用发电机组时，程序启动系统应能自动地将启动指令传递给另一台备用发电机组。
（3）从自动启动指令发出至向负载供电的时间应不超过3min。
（4）柴油发电机自动启动成功后，首次加载量应不低于50%标定负载。
（5）接自控或遥控的停机指令后，发电机组应自动停机，对于市电电网并用的备用发电机组，当电网恢复正常后，柴油发电机应能自动切换或自动停机，其停机方式停机延迟时间应符合产品技术条件规定。
2、选型原则
（1）安装现场的环境温度、湿度和海拔高度，当使用环境的温湿度和海拔高度超过发电机的额定值时，发电机需要降容使用；
（2）柴油发电机供电负荷总容量。需要所有柴油发电机供电负荷的容量，包括装机容量，负荷系数，功率因数。电动机负荷还要给出台数、效率、起动电流倍数等参数；
（3）起动顺序：
① 按照负荷的重要性分出起动的先后顺序；
② 按照负荷大小及起动电流大小，同样重要的电动机容量大、起动电流大的优先。
3、可选件的配置
柴油发电机的配套件除供应商所提供的外，还有一些是选购件，如燃油箱、市电充电器、燃油输油管等。懂得如何去选购这些附加件是十分必要的。
（1）发电机组燃油箱的储油量应能提供发电机组满负荷连续运行8小时以上，尽量避免在发电机组运行时往油箱里加油。
（2）市电充电器应选用带浮充的专用充电器，以保证电瓶随时可带动发电机组运行。
（3）冷却液尽量选用防锈、防冻、防沸液。
（4）必须使用CD级以上的柴油机专用机油。
（5）市电切换开关分手动和自动（简称ATS）两种。若你的柴油发电机作为备有电源使用，则必须在电源的输入点装置市电切换开关。严禁依靠临时接线的办法及记忆操作的办法向负荷输入自备电源。因为一旦发生自备电源擅自并网（简称倒送电），则会造成人员伤亡、设备毁坏的严重后果。切换开关的安装正确与否，要得到当地供电部门的检查认可，方可投入使用。
四、柴发设计的注意事项
1、集装箱式柴发的注意事项
集装箱柴油发电机组基本结构如图3所示。在确定了柴油发电机组容量、数量、运行方式、技术要求等因素后，在设计阶段，还应注意以下几个问题。
（1）集装箱式数据中心一般采用静音箱式柴发，应考虑采用静音箱对柴发运行容量的影响，一般要求不得超过柴发额定容量的5%
（2）发电机组应能实现全自动运行，即市电故障后自动起动，自动投入，市电恢复后自动退出。发电机组的控制器应具备RS232/485通讯接口，并采用标准Modbus通讯协议，以便实现第三方集中监控。
（3）电池的充电器应为全自动均充/浮充充电器，并具备故障报警功能，以方便远程监控。在寒冷的地区，通常都应配备自动温控冷却液加热器，以使发电机组始终保持在适宜的温度，保证随时顺利起动。
2、开架式柴发的注意事项
开架式柴油发电机组基本结构如图4所示。在柴油发电机组使用前，应进行安装与联接。柴油发电机组安装时，应注意以下事项：
（1）安装地点需通风良好，发电机端应有足够的进风口，柴油机端应有良好的出风口。出风口面积应大于水箱面积1.5倍以上。
（2）安装地的周围应保持清洁，避免在附近放置能产生酸性、碱性等腐蚀性气体和蒸汽的物品。有条件的应配置灭火装置。
（3）若在室内使用，必须将排烟管道通到室外，管径必须≥消音器的出烟管直径，所接之管路的弯头不宜超过3个，以保证排烟畅通，并应将管子向下倾斜5--10度,避免雨水注入;若排气管是垂直向上安装的，则必须加装防雨罩.
（4）基础采用混凝土时,在安装时须用水平尺测其水平度,使发电机组固定于水平的基础上。发电机组与基础之间应有专用防震垫或用底脚螺栓。
（5）发电机组外壳必须有可靠的保护接地，对需要有中性点直接接地的发电机，则必须由专业人员进行中性点接地，并配备防雷装置，严禁利用市电的接地装置进行中性点直接接地。
（6）发电机与市电的双向开关必须十分可靠，以防倒送电。双向开关的接线可靠性需经过当地供电部门的检验认可。
（7）起动电瓶的接线必须牢固。
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图3 集装箱式柴油发电机组主要构成要素 |
图4 柴油发电机组主件构成图 |
总结：
对于数据中心的用户，柴油发电机选型的关键在于柴油发电机与UPS负载的容量匹配。UPS与柴油发电机容量较为接近时，两者间匹配问题十分突出，需从UPS的运行工况、整流方式和柴油发电机组的工作方式、励磁方式、额定功率等方面对柴油发电机组和UPS进行合理选型，实现两者间有效的匹配工作，以保证平台电力系统的稳定、可靠、连续运行。
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