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中压柴油发电机组在通信行业的应用特点 |
中压柴油发电机组的输出电压的等级有6kV、6.3kV、6.6kV、10kV、10.5kV、11kV等，国内常用电压等级为10kV，单台发电机组功率一般在1000kW以上，若电力需求超过单台柴油发电机组的最大容量，一般采用多台发电机组并联使用。
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一、在通信行业的应用优势
中压柴油发电机组的在通信行业应用具有以下优势：
（1）发电机组利用率的提高
传统方式的每幢数据机楼配置相应400V低压发电机组，平时市电正常时发电机组都闲置着，使用率极低，对机楼空间占用、投资都是浪费。而大型数据中心园区内一般单体数据机楼较多，总体用电量大，采用10kV中压发电机组后可以统一设置动力中心（内含10kV 中压发电机组、发电机组并机系统、10kV中压发电机组与10kV市电切换及输出配电系统）。采用1：N（N≥2）的比例（即只需配置1/N的发电机组数量）进行复用，将1个后备供电单元（10kV中压发电机组群）作为N个用电单元的后备电源。通过复用，实现供电保障范围最大化，当任意1个用电单元市电发生中断时，后备供电单元（10kV中压发电机组群）对此用电单元进行保障供电。以此提高发电机组利用率，实现资源的动态调配和共享，提高效益的同时大大降低土建及设备的建设成本，也符合绿色、环保及节能的主题。
（2）用电容量与机房密度的匹配性
受限于传统400V低压发电机组一定的装机容量（发电机组机房在机楼建设初期的规划容量一定，加上安装场地、机房进排风等因素的制约），由于数据中心IT设备负载的不确定性，负载密度跨度大（单机架功耗从低密设备4.5kW/架以内、中密设备4.5～7.5kW/架、高密设备7.5kW/架以上），数据中心供电设备安装区域与IT机房区域很难匹配，对于低密设备很容易出现IT机房区域已装满而供电机房空间及供电容量有剩余，对于高密设备很容易出现供电机房空间及供电容量已满而IT机房空间空余较多的情况。随着10kV 中压发电机组在大型数据中心的应用，发电机组容量将不再受限（集中设置动力中心），可以在机楼内划定一块区域设置成机动区域，根据IT设备功耗来决定是否为配电区域或者IT设备区域，从而提高灵活性及机房利用率。
（3）适合远距离供电
传统400V低压发电机组由于电压低，相同发电机组容量情况下供电线路上的电流就比较大，所以一般不可能把发电机组设置到离供电负载较远的距离，这样损耗就比较大，使得发电机组布局必须分散，增加土建和降噪成本，发电机组也难以实现共用共享。采用10kV中压发电机组后，由于供电电压提高25倍，相同发电机组容量情况下供电线路上的电流就是400V发电机组的1/25，就是说相同供电距离时损耗就减少到1/25。同时由于供电电流大大减小，可以采用较小发电机组输出电缆给负载供电，此部分投资也大大减小。因此，建议把10kV发电机组集中设置，形成一个动力中心，统一向各个数据机楼应急保障供电。
（4）大容量并机系统
传统400V低压发电机组受公共母排和断路器容量的限制（一般最大电流只能达到6000A左右），发电机组并机数量不会很多，比如2000kW油机并机数量不能超过3台。采用10kV发电机组后，2000kW油机并机数量可以大大增加，十几台甚至20多台都不成问题。
（5）机房等级多样化
紧跟市场前端需求量身定制“低成本、差异化”机房，电源保障等级及保障比例可与客户灵活协商。对于低端用户，不用发电机组进行后备保障供电，而只需市电保障；对于高端用户在市电断电后采用后备发电机组进行保障供电，这样也间接为10kV 中压发电机组复用创造了条件。
（6）负载切换灵活
传统400V低压发电机组并机容量小，抗负载冲击能力弱，采用10kV 中压发电机组集中设置动力中心后并机容量大大提高，发电机组与市电的切换在10kV端完成，对400V负载影响较小，负载挂接更具灵活性。这样也有利于大型数据中心10kV设备的选用，比如10kV空调冷水发电机组的应用，其相对于400V低压发电机组启动电流小，对电网冲击小，可以降低电缆规格，减少线路压降和损耗，减少线缆投资，既节能又环保。
二、10kV中压在通信行业应用的供电方案
1、市电与发电机组切换的运行模式
当市电正常时，各数据机楼10kV配电系统采用单母线分段方式运行，中间设有母线并联开关，两段母线互为备用。10kV市电电源和10kV发电机组电源之间设置自动切换装置，市电电源失电后，切换装置自动切换，10kV母线由动力中心的10kV发电机组并机系统供电。10kV配电系统二段母线有两路10kV市电进线和两路10kV 发电机组进线、母联开关之间设有电气联锁装置，不容许任何两路电源并网运行。
（1）当一路市电中断/故障时，通过自动/手动操作，转换到另一路市电供电，两路市电进线与母联开关之间有电气联锁装置，任何情况下只能有两个开关处在闭合状态。
（2）当两路市电中断/故障时，发电机组快速自启动，并机成功后，向各机楼10kV配电系统两段母线供电。
2、动力中心供电预案
首先，应该对机楼及机房内由发电机组应急保障供电的负载进行分级，做好动力中心的应急保障供电预案，一旦一个数据机楼或者多个数据机楼的市电中断或故障时，对动力中心的10kV发电机组进行复用供电，或者在复用基础上对部分机楼或部分机房进行限制供电。
（1）当机楼的市电中断/故障容量小于动力中心发电机组配置容量时，通过动力中心复用，为所有用电单元保障供电。
（2）当机楼的市电中断/故障容量大于动力中心配置的发电机组容量时，在复用基础上，需对机楼或机房进行分级，限制一部分机楼或部分机房用电，保障重要机楼或重要机房的供电。
三、在某通信系统数据中心的应用案例
1、某信息港项目的概况
某信息港是2015年前中国移动已建规模最大的基础设施建设项目。以“立足创新，服务全网”为核心定位，围绕创新与服务两大主题，培育高科技、信息化、绿色环保三大理念，打造集国际化运营支撑、研发创新、信息服务、交流展示等功能于一体的国际一流信息园区。选址于北京昌平中关村国家工程技术创新基地，位于北六环和八达岭高速公路交叉口，总占地面积1300亩（1亩＝666.6666667㎡），总规划建筑规模约为130万㎡。分9个地块进行建设。其中北侧1＃地块设置两栋30000㎡数据中心机房楼，建筑层数为四层。工程总用地面积为53431㎡；建筑面积为65245㎡。
信息港一期工程数据中心机房负载密度高，每栋机房楼的单体建筑的用电负载达20000kVA，用电负载基本都需有自备发电机组来保证，自备发电机组需求容量大。单层建筑的面积相对较大。对于这种数据机房楼，若采用传统的低压发电机组，将会造成首层大量建筑面积的占用，影响高低压变配电设备及空调制冷设备的布置，并且给解决发电机组运行时的振动、噪声问题和发电机房的进、排风带来困难。若低压发电机组设置在楼外独立设置的发电机房内，低电压、大电流、长距离也会在运行维护、能量损耗、施工等方面带来不利。
从供电系统节能角度考虑，将自备发电机组电压从400V提高到10kV，电压可提高25倍，线路损耗减少近690倍。10kV备用发电机供电系统比较400V备用发电机供电系统在方案评估上具有一定优势，中国移动信息港一期工程决定采用中压发电机组。
2、中压柴油发电机组的应用
自备发电机组的发动机机型有两种：往复式柴油发电机组、燃气轮机发电机组两种机型。燃气轮发电机组具有运行可靠性高、电力输出稳定、带非线性负载能力强、体积小、重量轻、噪声低等特点，但其单位kW·h的耗油量要比往复式柴油发电机组高，大约是往复式柴油发电机组的1.7倍，而且造价高。在国内通信行业尚无中压燃气轮机发电机组实际应用案例，从建设成本及运行维护安全角度考虑。信息港一期工程采用了往复式柴油发电机组。
一期地块建设的发电机房共有34个发电机组机位。考虑信息港的今后发展，在机位数量不能改变的前提下，尽可能提高现有发电机房的供电保证能力。目前，大容量的备用中压发电机组单机容量分别为1800kW、2000kW、2200kW、2400kW、2600kW。一期工程对不同容量的并机系统方案保障能力及价格进行分析对比，最终选择了单机容量为2000kW自备发电机组。其理由是：提高单位机位的供电能力；减少系统中压发电机组的并机台数，使得多机并机系统的并机控制简单；减少单系统的维护工作量；设备性价比高。
10kV发电机组供电系统为多台并联运行方式，将每台发电机组提供的电源连接汇合成单一电源给负载供电，并机运行方式的市电与发电机的转换是在市电进线断路器和发电机供电系统输出断路器之间的转换。
发电机组并机供电系统硬件运行条件需具备的条件是可靠的并机系统。
同时还具有运行保护装置，能自动地、合理地分配和调整有功功率和无功功率，使发电机组间的调频特性和调压特性曲线趋向接近。
中压发电机组采用多台并机供电系统，能承受较大负载变化的冲击。发电机并机供电系统的容量需根据业务需求分期实施。
● 并机系统通运行方式
（1）发电机组同型号、同厂家、同容量发电机组多台并机系统；
（2）发电机组不同型号、不同厂家、同容量发电机组多台并机系统。
上述两种运行方式在信息港一期工程初期和终期均有应用。
本信息港项目中出现不同型号、不同厂家、同容量发电机组多台发电机组在移动及通信行业首次应用。结合项目实际应用情况，对发电机组不同型号、不同厂家、同容量发电机组进行分析：
● 并机时应考虑的主要因素
① 并机控制系统的兼容性。解决的办法：统一为其中一个控制系统品牌（一般后并入发电机组的并机系统品牌为首选），或者全部更换为第三种控制系统品牌（多适用于两种不同品牌发电机组均为原有，原有控制器不具备并机功能，或并机控制方式、功能落后）。
② 不同品牌发电机组的发动机和发电机品牌、型号均有差异，带来调速系统和调压系统上的差别。其解决的办法：
原有发电机组的发动机为电子调速，而新并入发电机组为中压共轨喷油系统（其核心一般是电脑控制板），不管是发动机为何种调速控制方式，主流分散式并机控制器均能够通过跳线、外部接线或者参数设置，输出与发动机调速信号接口匹配的或CANBUS 调速信号，再通过PID闭环微调调节，实现新、旧发动机调速性能的一致。
同理，不同品牌发电机组的发电机所采用电压调节器（DVR）也不尽相同（如，模拟式电压调节器（AVR）和数字式电压调节器AVR），但不管是发电机为何种电压调节器AVR，主流分散式并机控制器也均能够通过跳线、外部接线或者参数设置，输出与发电机调压信号接口匹配的或CANBUS 调压信号，再通过PID闭环微调调节，实现新、旧发电机调压性能的一致。
③ 发电机的绕组节距不同造成的中性点环流问题。
发电机的绕组节距不同时，由于不同节距发电机输出电压的波形并不完全一样，同时不同节距对高次谐波的抑制效果也不同，2/3节距的绕组对3次谐波及其倍数的奇次谐波有很强的抑制作用，而5/6节距的绕组对5次和7次谐波有很强的抑制作用，2/3节距的绕组和5/6节距的绕组并机运行，综合作用的结果是表面看起来完全重叠的并机发电机组波形还是与正弦波形存在细微差异，在中性线存在的情况下，即使发电机组间电压有效值完全一样，但瞬时电压幅值并不一样，存在电压差，相应就会产生电流，并机时不可避免地会产生由于波形不完全重叠产生的高次谐波环流，一方面浪费柴油机的有功功率，损失效率；另外一方面由于环流的存在，发电机无法输出铭牌标定的输出电流或者容量。
解决的办法如下：
首先尽量采用绕组节距一样的发电机型号，不同厂家、不同型号的节距可能都不一样，因此需要仔细查阅厂家的技术参数。
其次利用中压发电机的负载基本对称和三角形联结的变压器，不需要中性线这一特点，取消中性线，保护采用中性点通过高阻接地方式，通过设置PLC，控制实现采用中性点接地电阻控制用的接触器切换控制逻辑，保证在发电机组运行时有或只有一台运行并合闸发电机组的中性点接地电阻是通过接触器投入的，切断环流通过中性点接地电阻形成回路（由于功率管理或者故障造成的发电机组调换，在切换过程中出现的中性点接地电阻存在的短时间重叠运行不影响），3次谐波由于缺乏回路就只能在三角形联结的变压器绕组里面循环，在发电机和负载侧不造成影响，大大减少了3次谐波的危害。
④ 发电机组与开关柜保护配合的问题
由于后期扩容项目往往都是在第一期的时候就已经采购了开关柜，柜子中可能没有安装差动电流互感器或者安装的差动电流互感器由于尺寸问题，在发电机中性点一侧无法安装，因此在项目实施过程中需要特别关注差动电流互感器的配合问题，原则是尽量采用同一厂家、同一型号的差动电流互感器，如果无法实现，也需要尽量选择特性曲线和参数接近的CT。
除此之外，可能还存在开关柜提供的位置信号及保护反馈信号不全，开关柜提供的保护不全面等问题，需要完善保护配置，增加开关柜信号继电器的触点，提供给发电机组并机控制系统。在信息港项目中，发现发电机组输出中压开关的接地刀开关位置信号没有反馈给并机控制系统进行闭锁，如果发生接地刀开关处于合闸接地状态时，发电机组突然启动，将发生中压输出直接通过接地刀开关短路的重大隐患。
3、并机系统的改造
发电机组不同型号、不同厂家、同容量发电机组多台并机，一般由新供货设备厂商完成相关的并机改造工作，常规情况下并机系统改造又分为以下几种方式：
（1）旧发电机组控制系统的全部换新
如果原来的发电机组已经超过厂家保修期，原来控制系统陈旧且无备品、备件或者功能缺失，找不到相关的资料，拆除原厂的控制系统也不会带来比较大的发电机组控制失效风险，且柴油机的ECM模块和发电机的AVR模块完全独立于原厂的控制系统，建议除保留发电机组本体的接线之外，拆除原来发电机组的控制模块或者控制系统，全部统一换成与新增发电机组一样的控制模块或者控制系统，这样做的好处是由于扩容前后的发电机组统一控制品牌型号，可以达到同厂家发电机组并机的无缝效果，另外系统最简洁，总接线最少，可以最大限度提高系统的可靠性，缺点是成本较高，现场改造接线工作量较大。
（2）旧发电机组控制系统的不换新
如果由于原来的发电机组在厂家保修期内，拆除原厂的控制系统，可能导致保修失效或者带来比较大的发电机组控制失效风险，另外还有一种情况是原来发电机组的控制系统内高度集成了柴油机的ECM模块甚至发电机的AVR模块，并且没有办法将ECM模块和AVR模块从原厂控制系统独立出来，也就是无法甩掉原厂控制系统，可以考虑以下两种方案：
① 保留原来发电机组除并机和功率管理之外的所有测量，起停控制和保护功能，通过参数设置和改线，将原厂控制系统内置的并机和功率管理功能关闭，并机和功率管理功能由新增发电机组同一品牌同一型号控制模块接管，这样不管新机还是旧机，并机和功率管理功能都有同一品牌同一型号控制模块完成，也可以达到最佳的并机效果。
② 保留原来的并机控制系统，组成一组，组内沿用原来的并机控制系统，新增加的发电机组统一安排到另一组，另外组成一个并机控制系统，两组互相独立，在组内通过数字量实现通信，完成组内发电机组的同步控制和有功功率、无功功率负载分配。发电机组的优先级别和公共母排的无压合闸权由PLC根据优先级别设置统一控制，组与组之间的有功功率和无功功率负载分配信号，可通过增加界面卡模块作为桥梁，将两个组的有功功率和无功功率两个负载分配的数字量信号均转化为组与组之间能够识别的标准接口信号（目前统一为0～5V或者0～10V模拟量信号），组内数字量负载分配，在组外通过模拟量进行负载分配。自动投入及退出的功率管理功能则通过外置的功率检测模块汇总发电机组总的功率输出，通过PLC实时精确计算出需要运行的发电机组台数，对控制系统进行启动停机控制，一般情况下，先在组内进行发电机组的投入退出控制，当超出组内调节能力之后再在组外进行调节，从而简化控制逻辑，提高系统稳定性。这种方案的优点是成本最低，现场改线工作量最少，其缺点是由于存在新旧两套不同的控制系统，控制系统比较复杂，也没有办法完全进行完全通信，因此无法达到无缝并机效果，有些复杂功能无法实现，只能应用在要求较低等级数据中心。当然如果各个品牌控制器通过加强协作，统一相关控制器通信和控制功能标准，实现互联互通，接口模块和PLC等模块完全可以省掉，系统可以更简单可靠。
而在信息港一期项目中，康明斯电力技术有限公司采用了上述方法之外的另一种方法，即由新供康明斯发电机组并机系统追踪与原有某厂家W发电机组原有并机系统保持主控模块统一的基础上，再进行并机系统改造、升级和优化，用以实现不同品牌发电机组并机的目的。
如：康明斯并机系统主控模块追踪与厂家W发电机组并机主控模块品牌一致并版本优于，保留原有集中监控控制屏并通过扩容来实现新增发电机组信息的集中显示及发电机组控制，完成基本并机改造和调试后，再根据各项调试反馈对原有软件进行再编程优化等。从验收后各项指标来看，全面实现了项目之初的各项设计要求并有优化，而且因相关版本的升级和优化，还提升了原有系统的各项指标。
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