400-770-9799

【运维实战】数据中心供电系统的容性功率因数的控制与柴油发电机组的应急运行投入
北京马驹桥机房经理于晓宇


【摘要】在具有10KV高压柴油发电机应急电源的数据中心供电系统中,功率因数作为数据中心各项指标中的重要参数应该给以特殊关注,不仅仅是因为它影响着电费的缴纳,同时威胁着数据中心供电系统的安全运行,在市电断电的情况下,系统过低的容性功率因数会影响柴油发电机组作为应急电源的投入使用。

本文首先阐述了数据中心功率因数的特点和影响,详细分析了数据中心供电系统中容性负荷的组成,将柴油发电机组的无功带载曲线与应急情况的可靠投入率之间的关系进行了说明和理论分析。简述应急情况下提高后备电源(柴油发电机组)安全投入率的方法,探讨数据中心基础设施运行中,如何确保应急电源安全投入的同时消除系统谐波降低机房PUE值。

关键词】 容性功率因数,滤波装置,应急发电机组安全投入运行,PUE

(原文发表于《现代数据中心》201502期;下载期刊扫描件PDF文档请点击 《云泰互联运维实战经验分享(2016年2月,于晓宇》

1、前言
随着信息设备的进一步集中,更多大型、节能、可靠度高的新一代绿色数据中心被建立,运行中的数据中心在满足电力系统谐波治理要求、减少谐波损耗降低机房PUE值又要使用UPS、DPS等电源设备确保服务器用电安全的情况下,供电系统很容易呈现容性状态,这一非常规工业企业用电状态(大部分工业企业电力系统呈感性)对数据中心会产生几个方面的影响:

    • 产生功率因数罚款增加运行费用。
      国家物价局文件《功率因数调整电费办法》规定:“按用户倒送的无功电量和实用的无功电量的绝对值之和计算月平均功率因数”即:用容性无功电量和感性无功电量的绝对值之和计算用户的功率因数。
      数据中心基础设施的运行方式经常变化,且由于投入滤波装置后与传统企业不同的是自然功率因数具有超前的可能性,用上述方法计算易产生功率因数过低的问题。
    • 电气系统过高的容性状态会导致应急启动带载后的柴油发电机组发生停机事故。
    • 机房装设的无功补偿装置长期闲置停用,造成很大的投资浪费。
    • 末端(负荷端)电压升高,影响设备运行安全
      鉴于以上原因,数据中心功率因数问题应该引起机房设施运维部门的高度注意和足够的重视,需有必要的管理和改善策略。

2、数据中心的容性负荷一般由以下几个来源:

(如下图所示)1#变压器、3#变压器、5#变压器通过UPS设备向服务器供电,7#变压器主要给冷水系统设备供电,电容器无功补偿装置和滤波装置连接于变压器低压侧,电容补偿柜开启自动补偿状态,设置补偿目标功率因数为0.95。


图1:某数据中心10Kv侧高压单线图

    • 电容器无功补偿装置
      受供电部门要求,数据中心在设计的过程中需按照常规工业企业供电系统形式设置容性无功补偿,常规设计是在低压侧以变压器总装机容量的30-40%确定补偿容量(具体数值因所在电网的不同也有所改变)。运行中的电容器无功补偿装置一般会设置在自动补偿状态,根据各变压器低压侧感性负荷投切电容器以达到功率因数的设定值。
    • UPS、DPS、变频器等电源设备
      由于数据中心用电设备的特殊性,大量的使用了UPS、DPS等电源设备确保服务器的用电可靠性,这些设备在运行中会呈现容性,常见的几种UPS、DPS的容性功率因数见下表:

    • 谐波滤波装置
      经过对数据中心配电系统进行谐波测试分析表明:数据中心谐波源为:UPS设备、水冷机组、水泵、服务器 等,这些设备会产生大量的谐波电流,主要成分为3、5、7、9、11、13、15、17、19次谐波。这些谐波电流不仅会产生大量的电能损耗进而提高机房PUE值,部分些波分量反应到高压侧会造成谐波超出国家标准限制的问题。为此需要装设谐波滤波装置进行谐波治理,但是,这些谐波治理设备会带来相当量的电容电流,成为了供电系统容性负荷。
    • 高性能的服务器等负荷
      随着技术水平的不断提高,高功率因数的服务器日渐成熟,已不需要供电系统进行补偿。

3、设施运维部门运行中应注意的几个问题:

    • 保证机房运行安全,市电停电时应能确保柴油发电机组正常投入运行。
      (如下图所示)从带载曲线中可看出柴油发电机组的感性带载能力远大于容性带载能力,为保证发电机能够稳定运行,需要系统的容性功率因数必须高于0.85,否则多台并列运行的发电机组 很容易解列并停机。


图2 某型号柴油电机机组带载曲线图

    • 防止低压系统电压过高,影响电气设备安全。
    • 治理电气系统谐波,减少谐波损耗,降低机房PUE。
    • 根据供电部门要求控制功率因数 ,减少低功率因数的罚款损失 。

4、解决运行问题的方案

    • 建立完善的供电系统功率因数的监测体系,对功率因数进行全时段的在线状态的监测。
    • 根据监测结果调整系统容性负荷的运行方式,把功率因数控制在安全范围内。
    • 根据负荷性质调整变压器二次分接头的方法平衡低压侧电压值,解决电压过高问题。
    • 在上图的系统运行时,如果系统功率因数整体呈容性,可通过关闭7#变压器侧的电容补偿柜的自动补偿功能,改成手动增减电容,通过提高7#变压器侧线路的感性无功,来平衡1#变压器、3#变压器、5#变压器产生的容性无功,从而达到控制功率因数的目的。
    • 制定柴油发电机运行规程,要求定期根据实际的负荷,设定最佳的柴油发电机组运行台数。
      大多数据中心采用多台柴油发电机通过并机来进行应急供电,柴油发电机组的并机控制柜具有自动减载功能,自动减载可分为几个阶段。

    • 正常市电供电状态时,应投入必要的消谐波装置,减少谐波损耗,降低机房PUE值,在市电停电后需要及时切除谐波滤波装置(建议装设无压释放装置),待柴油发电机应急电源投入运行后,由于启动冷水系统设备需要较大的系统短路容量,因此应按顺序先投入冷水系统等感性负荷、之后投入机房设备等容性负荷。在发电机组减载阶段开始前,应完成所有设备的正常供电。
    • 在系统运行稳定后,根据情况边监测功率因数边投入滤波装置,要求将功率因数控制在感性范围内。
    • 设计阶段应根据负荷情况对无功补偿和谐波治理进行评估,建议预留无功补偿装置的位置,机房初期暂不装设无功补偿装置和滤波装置,随机房负荷增大后再根据实际情况进行综合治理。减少不必要的投资浪费。

参考文献】
1、 陈道舜 《电机学》武汉大学出版社2013
2、 王大志  《电力系统无功补偿原理与应用》2013


上一篇:云泰互联荣任“中国绿色数据中心推进联盟”理事单位

下一篇:云泰互联与中国联通唐山分公司签订IDC业务战略合作协议

用微信扫一扫

某某二维码