GB50174-2017《数据中心设计规范》:数据中心备用电源

关于数据中心备用电源,新版《数据中心设计规范》GB50174-2017第8.1.12条规定:A级数据中心应由双重电源供电,并应设置备用电源。备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组,也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路。当正常电源发生故障时,备用电源应能承担数据中心正常运行所需要的用电负荷。

备用电源是保障A级数据中心正常运行的必要条件,独立于正常电源的发电机组和供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路都可以作为备用电源。由于柴油发电机组在可操作性上优于其他备用电源,故大部分数据中心采用柴油发电机组作为备用电源。

当采用柴油发电机组作为备用电源时,《数据中心设计规范》规定:后备柴油发电机组的性能等级不应低于G3级;A级数据中心发电机组应连续和不限时运行,发电机组的输出功率应满足数据中心最大平均负荷的需要。B级数据中心发电机组的输出功率可按限时500h运行功率选择。

一、对柴油发电机组的性能要求

在国家标准《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第一部分:用途、定额和性能》GB/T2820.1中将发电机组的性能分为G1、G2、G3、G4。

G1:连接的负载只规定基本电压和频率参数,适用于照明和简单的电气负载。

G2:电压特性与电网类似,当负载发生变化时,允许暂时的电压和频率的偏差。适用于照明、水泵、风机等。

G3:连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有严格要求。适用于电信负载和晶闸管控制的设备。

G4:连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有特别严格要求。适用于数据处理设备和计算机系统。

由于数据中心对发电机组的输出频率、电压和波形有严格要求,故要求发电机组的性能等级不应低于G3级。G3要求柴油发电机组突加50%负载时,频率降小于7%,电压降小于15%。实际运行时,数据中心的柴油发电机组往往突加100%负载,因此选择柴油发电机组的标准应高于G3。数据中心发电机组的性能要求见图一。

图一 数据中心发电机组的性能要求

二、对柴油发电机组的功率要求

在国家标准《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第一部分:用途、定额和性能》 GB/T2820.1中将发电机组的输出功率分为四种:持续功率(COP)、基本功率(PRP)、限时运行功率(LTP)和应急备用功率(ESP)。

COP(持续功率):无运行时间限制,为恒定负载持续供电的最大功率。

PRP(基本功率):无运行时间限制,为可变负载持续供电的最大功率。

LTP(限时运行功率):为恒定负载供电,年运行时间

ESP(紧急备用功率):为可变负载供电,年运行小时数

表一是柴油发电机四种功率的对比,任何一台柴油发电机都可以标定为四种功率中的一种,但由于各生产厂家对四种功率的标定值有差异,国家没有统一的测试机构,故不能明确四种功率的差值,只能定性四种功率之间的关系,见图二。

表一 柴油发电机四种功率的对比表

图二 四种功率之间的关系

从图中可以看出,COP标定的输出功率值最低,ESP标定的输出功率值最高。举例来说,对于同一台柴油发电机,名牌可以标注COP=1000kW,也可以标注PRP=1300kW、LTP=1400kW、ESP=1500kW。因此,A级数据中心要求柴油发电机组的输出功率选择COP功率,或选择70%的PRP功率。

三、容性负载对柴油发电机组的影响

数据中心的负载特性与其他类建筑有很大区别,民用建筑、工业建筑的负载特性基本上都是“感性”的,主要以“线圈”类设备(如电动机)为主,功率因数是迟后的。电子信息设备属于非线性设备,除产生大量谐波外,其特性为“容性”,当市电直接为电子信息设备供电时,数据中心的负载特性就呈现出“容性”。

世界上所有的柴油发电机生产厂商,都是以功率因数0.8(滞后)的感性负载生产柴油发电机,柴油发电机带感性负载时,可以有良好的输出表现。但当柴油发电机带容性(功率因数超前)负载时,由于谐振等问题,柴油发电机的输出将受到很大影响,当容性负载太强,功率因数超前太多时(如超前超过-0.95),将导致柴油发电机失速宕机。因此,《数据中心设计规范》第3.2.2条规定:柴油发电机系统应能够承受容性负载的影响。

图三是柴油发电机组在“感性”和“容性”负载下的输出特性,从图中可以看出,功率因数从-0.95~0.8区间内,柴油发电机都可以按额定功率输出,当功率因数小于0.8(滞后)时,柴油发电机输出减少,但可以正常工作;当功率因数大于-0.95(超前)时,柴油发电机的输出将急速下降,出现宕机。

图三 柴油发电机组在“感性”和“容性”负载下的输出特性

四、数据中心对柴油发电机组的要求

根据负载特性,数据中心使用的柴油发电机组,其性能等级不应低于G3级。A级数据中心发电机组应连续和不限时运行,输出功率应满足数据中心最大平均负荷的需要,可选择持续功率(COP),也可选择70%的基本功率(PRP)。确定发电机组的输出功率时,还应考虑容性负载及谐波对发电机组的影响。

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