创新型数据中心供电系统设计与规划的探讨

  从这个事故案例、可以得到的经验和教训有:(1)对于金融机构的数据中心而言,理应选择Tier-4级的2N型UPS双总线输出供电系统来向它的IT设备供电。然而,该金融机构的外包负载却被连接在托管机房Tier-2级的”3+1”UPS冗余供电系统中;(2)对于金融机构的数据中心而言,一旦出现故障时、所可能造成的负面影响会很大。因此,应尽可能地将维护及升级改造工作安排在夜间进行。然而,遗憾的是:却将升级改造工作安排业务交易最繁忙的白天;(3)当UPS的输入电源因故从市电供电转变为发电机供电的条件下,同高频机UPS的高达0.99的输入功率因数相比,IT设备输入功率因数不仅绝对值更低。而且,还呈现电容性的运行特性。这样一来,一旦UPS转交流旁路供电后,发电机所带负载将会UPS转变为IT设备。此时,由于IT设备输入功率因数仅为0.93。在此条件下,发电机设计容量配比应≧2.45:1,由于设计时未考虑UPS在维修或损坏时,需转交流旁路的这种运行工况,实际所配的发电机的“容量配比”只达到2.33:1,从而导致发电机供电系统“出故障”。有鉴于此,为了避免在今后的工作中,再出现类似情况,有必要花一定的精力来研讨发电机的带载特性。

  在设计数据中心机房的发电机供电系统时,应在能确保发电机安全带载的前提下,尽量地降低发电机的设计容量配比。大量的运行实践显示:影响发电机的带载能力的因素有:(1)用电设备的输入功率因数的绝对值和符号(电感性?电容性?);(2)用电设备的输入THDI;(3)发电机带“阶跃性负载”的能力;(4)发电机带电容性负载的能力。

  在设计发电机的容量配比时,我们所面临的第一个问题是:能否清晰和正确地理解发电机的额定输出功率(例:100KVA/80KW,2000KVA/1600KW等)的物理念义? 我们所常见的发电机的额定输出功率值[有功输出功率(KW)/视在输出功率(KVA)]是在下述检测条件下所检测到的的技术参数:(1)负载的输入电流谐波的THDI=0;(2)负载的相移功率因数Cosф=0.8(电感性);(3)在后接负载的加载量(δW)很小的条件下,从零逐渐增大到其额定值时所获得的KW/KVA。

  在设计时,首先需要做好发电机的选型工作。目前,可供选择的发电机品种有:限时运行功率(LTP)型发电机和应急备用功率(ESP)型发电机,由于这两种发电机均无法满足持续运行的要求,因此,为确保重要和关键数据中心机房的供电安全,一般不推荐选用,宜优选持续功率(COP)型发电机和基本功率(PRP)型的发电机。COP型发电机和PRP型发电机之间的运行特性是差异性是:对于COP型发电机而言,允许长期满载运行;对于PRP型发电机而言,不允许长期满载运行,它的平均带载率应≦70%。

  此外,还需要说明的一点是,对于上述发电机来说,它们的带载容量一般是指在后接负荷慢慢增加的情况下,才能获得的带载能力。相反,如果发电机的用电设备是属于“突然增大”的阶跃性负载时,则发电机的带载能力将会明显下降。在这里,影响发电机带阶跃性负载能力的强弱的技术参数是:柴油发电机中的发动机的平均有效压力。下面,将以平均有效压力=2000KPa的10 KV 2000 KVA/1600KW的发电机为例来进行说明。当它的阶跃性负载的每次增加量为50 kW时,发电机的实际输出功率可达1500 kW(93.8%的标称输出功率);当它的阶跃性负载的每次增加量为200 kW时,发电机的实际输出功率为1200 KW(75%的标称输出功率);当它的阶跃性负载的每次增加量为450 kW时,发电机的实际输出功率仅为900 kW(56.3%的标称输出功率)。由此可见,发电机的实际带载能力与阶跃性负载的每次增加量δW的大小密切相关。

  在考虑到发电机的后接负载的相移功率因数Cosф对它的输出功率大小的影响之后,所推荐的发电机“设计容量配比”为:

  1)当用电设备的输入THDI<5%,输入功率因数为电感性(滞后)负载,发电机容量与用电设备的容量配比为1.3~1.4:1。

  2)当用电设备的输入功率因数为电容性(超前)负载、用电设备的输入THDI为0的情况下,建议按表3来选择发电机的容量配比。

  表3: 当发电机带电容性负载时,推荐的发电机容量配比

  3)推荐的负载输入电流谐波THDI的修正值

  当用电设备的输入THDI<5%时,容量配比宜在增加1.04; 当用电设备的输入THDI<10%时,容量配比宜再增加1.1; 当用电设备的输入THDI>25%时,容量配比宜再增加1.2~1.3。