柴油发电机组选型原则、设置要求和容量计算
发布时间：2025-12-29 点击：27
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。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，提出了集装箱式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。
数据中心室内机型应用案例
数据中心室外静音机型应用案例
模块化集装箱式数据中心是一种新兴的数据中心建设模式，将整个数据中心分为若干个独立集装箱。各集装箱内设备的规模、功率负载、配置等均按照统一标准进行设计。随着业务需求的变化，不断增加独立模块，从而实现快速建设。近年来，随着客户需求的不断提高，对数据中心机房硬件方面的要求也越来越严格。其中，提供高度可靠的电力供应，成为必备条件之一。为做到这一点，数据中心通常都由两路独立市电供电，同时由ups和柴油发电机组配合，为关键设备提供市电中断时的备用电源。其中ups依靠备用电池组提供短时断电的后备保证，而较长时间的市电中断，则依靠柴油发电机组来提供电源。因此，柴油发电机组的正确选用，对数据中心的高可用性至关重要。
一、柴发的选用
针对数据中心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。
1、柴发额定容量的选择
（1）在选择发电机组容量时，首先需要确定的问题是发电机组的功率定义。按照国标gb/t2820（等效于iso8528），发电机组的功率定额分三种，即持续功率（cop）、基本功率（prp）、限时运行功率（ltp）以及应急备用功率(esp)。
（2）对集装箱式数据中心来说，通常都有两路市电供电，市电的可靠性非常高，所备柴油发电机组年运行时间不可能超过500h，因此，在确定发电机组功率定额时，应按限时运行功率来选择。
2、ups对柴油发电机组的影响
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。
二、柴发选型原则和计算公式
1、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。
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.
三、柴发设计的注意事项
确定了发电机组容量、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。
集装箱式数据中心柴油发电机的选择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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模块化集装箱式数据中心是一种新兴的数据中心建设模式，将整个数据中心分为若干个独立集装箱。各集装箱内设备的规模、功率负载、配置等均按照统一标准进行设计。随着业务需求的变化，不断增加独立模块，从而实现快速建设。近年来，随着客户需求的不断提高，对数据中心机房硬件方面的要求也越来越严格。其中，提供高度可靠的电力供应，成为必备条件之一。为做到这一点，数据中心通常都由两路独立市电供电，同时由ups和柴油发电机组配合，为关键设备提供市电中断时的备用电源。其中ups依靠备用电池组提供短时断电的后备保证，而较长时间的市电中断，则依靠柴油发电机组来提供电源。因此，柴油发电机组的正确选用，对数据中心的高可用性至关重要。
一、柴发的选用
针对数据中心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。
1、柴发额定容量的选择
（1）在选择发电机组容量时，首先需要确定的问题是发电机组的功率定义。按照国标gb/t2820（等效于iso8528），发电机组的功率定额分三种，即持续功率（cop）、基本功率（prp）、限时运行功率（ltp）以及应急备用功率(esp)。
（2）对集装箱式数据中心来说，通常都有两路市电供电，市电的可靠性非常高，所备柴油发电机组年运行时间不可能超过500h，因此，在确定发电机组功率定额时，应按限时运行功率来选择。
2、ups对柴油发电机组的影响
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。
二、柴发选型原则和计算公式
1、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。
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.
三、柴发设计的注意事项
确定了发电机组容量、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。
集装箱式数据中心柴油发电机的选择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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