1、设计规范要求和应用难点
1.1 设计规范要求
关于柴油发电机的容量选型要求，在设计规范中主要有以下几条：
GB51348-2019《民用建筑电气设计标准》中6.3.11当UPS的输入电源直接由自备柴油发电机组提供时，其与柴油发电机容量的配比不宜小于1:1.2。
GB50174-2017《数据中心设计规范》中8.1.14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。
再参考行业规范YD/T1818-2018《电信数据中心电源系统》9.1.2.2规定：
T4等级数据机房备用发电机应选择YD/T2888-2015中持续功率的机组；
T3等级数据机房备用发电机应选择YD/T2888-2015中主用功率的机组；
T2等级及T1数据机房备用发电机应选择YD/T2888-2015中备用功率的机组；
可以看到在《民用建筑电气设计标准》中只给出了柴油发电机组和UPS的配比，没有给出柴油发电机组和数据中心机房整体负荷的配比，所以无法直接计算数据中心整体柴油发电机组功率。另外根据GB/T2820.1《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》可知，同一台柴油发电机组有以下四种标定功率：
表1 柴油发电机功率定义
以上四种功率之间的关系为：
持续功率(COP)＜基本功率(PRP)＜限时运行功率(LTP)＜应急备用功率(ESP)
1.2 柴油发电机选型应用难点
查询柴油发电机厂家的产品彩页发现，不会同时标明以上4种功率，大多数只给出主用功率和备用功率，对主用功率大多数标PRP功率但经常不说明，对备用功率大多数标ESP功率，个别也有标LTP功率的。大多数厂家甚至不会直接给出COP功率。即使根据负载算出所需柴油发电机组容量，要再根据几种不同的标定功率来选柴油发电机组，也足以让大多数用户迷茫。
另外虽然《数据中心设计规范》中给出了A/B级数据中心柴油发电机组的容量选择要求，但在大多数实际项目中并不严格按此选择。笔者曾调研过数十个数据中心的柴油发电机组选型，情况如下：
表2 笔者统计的部分数据中心柴油发电机选型情况
1.3 最新行业定义
面对以上难题，在2018年2月ISO发表新修订的ISO8528-1《往复式内燃机驱动的交流发电机组》专门为数据中心增加一个DCP功率定义：无运行时间限制，为恒定或可变负载持续供电的最大功率DCP=100%PRP，大修时间DCP为8000小时，PRP为15000小时，以牺牲大修寿命的方式来补偿柴油发电机组功率，降低柴油发电机投资成本。但因为数据中心油机为备用运行，所以仍然可以满足数据中心使用20年。所以遵照以上定义数据中心按DCP(即PRP)功率选择柴油发电机即可。
2、典型案例
笔者在两年前曾遇到一个典型案例，某A级数据中心设计有300多个机柜，计算出IT总负荷为954kW，按2N架构设计4台600kVA高频UPS带IT负载，另有1台300kVA高频UPS带空调末端和辅助设备负载242kW，2台一体化冷水主机共230kW，其它负荷140kW，总负荷为1566kW，设计1台1600kW柴油发电机。进入施工阶段后，第三方验证机构发现柴油发电机功率可能不足。
首先与柴油发电机厂家核实得知，订货时的1600kW为应急备用功率(ESP)，基本功率(PRP)仅为1470kW。即使按1600kW的基本功率(PRP)计算，容量也不够。因为在前期设计方没有与各方沟通过柴油发电机容量问题，没有考虑UPS给电池充电功率还有空调动力设备的启动电流，仅因为预算紧张就按1600kW(刚刚满足数据中心满负荷)来选择柴油发电机组。而在施工采购阶段，施工方为了节省成本又擅自将1600kW的基本功率改为ESP备用功率。好在此时柴油发电机组仅完成订货，尚未生产，亡羊补牢犹未为晚，所以又重新研究合适的柴油发电机功率。
3、分析计算和提示
3.1 计算方法
柴油发电机启动后必须优先供电的是UPS和空调冷水机组，剩余140kW负荷可以推迟供电。考虑到配电柜、密集母线、电缆的供电损耗，应该按：柴油发电机组功率＞UPS最大输入功率+空调冷水机组最大启动功率
3.2 UPS最大输入功率
当双路市电停电UPS电池放电后，柴油发电机启动恢复供电切换时，UPS既要给后端负载供电又要给UPS充电，此时达到最大输入功率。
此项目中采用某国际一线品牌600kVA和300kVA高频UPS，输入功率因数0.99，输出功率因数0.9，双变换效率96%，
UPS充电电流为电池容量的0.1C。600kVA的UPS后备15分钟需要配4组40节12V250AH电池，电池组总容量1000AH，充电电流为100A，电池均充电压为每节电池14.1V，40节电池串联均充电压为564V，充电效率按照95%计算，可以得出
同理可算出300kVA满载且充电时最大输入功率为310.9kW。
3.3 空调冷水机组最大启动功率
此项目中2台一体化冷水主机(内含冷水主机和水泵、电动阀等)，厂家提供的额定功率为每台115kW，2台共230kW，综合启动电流为2.33倍，输入功率因数按0.8。
按照分步启动计算的空调冷水机组最大启动有功功率=115kW×2.33+115kW=382.95kW。
3.4 汇总计算
因为柴油发电机的输出功率因数为0.8，所以只要输出有功功率足够，输出无功功率和视在功率必然满足要求。按照UPS单边满载加全部充电条件计算：
柴油发电机组功率＞UPS最大输入功率+空调动力和辅助设备最大启动功率=2×621.87kW+4×59.37kW+1×310.9kW+382.95kW=2175.07kW。
查询主流柴油发电机厂家的产品手册可知，1800kW之上是2000kW，2000kW之上是2200kW。也就是说柴油发电机选型至少要2200kW，容量偏大。
考虑到UPS实际不是也不会满载，可以将柴油发电机功率略微减小，按UPS计算负载配置：4台2N配置的600kVA UPS最大输入功率=+4台UPS充电功率=1231.23kW；1台300kVA UPS最大输入功率=+UPS充电功率=281.77kW
所需柴油发电机组功率＞UPS实际最大输入功率+空调冷水机组最大启动功率
=1231.23kW+281.77kW+382.95kW =1895.95kW，柴油发电机按1台2000kW选型就足够。
3.5 特别提示和建议
关于UPS与柴油发电机配比。十几年前UPS还是工频机为主，当时UPS输入功率因数较低，输入电流谐波大，柴油发电机组容量需要在UPS基础上放大1.5-2.5倍；但目前市场主流UPS已经进化到第四代高频机为主，第三代高频机正在淘汰中，少数第五代高频机已经上市，其输入功率因数已经高达0.99，输入电流谐波＜3%(满载)/＜5%(半载)。所以柴油发电机并不需要为UPS放大太多，当采用满足泰尔检测I类标准的高频UPS时，按照设计规范的1:1.2进行选型已经足够；选择的高频UPS性能稍差时，最多按1:1.3选型就可以。
反倒是空调动力部分，因为以感性负载为主并且大量使用变频器，输入功率因数较低(在0.8左右)，输入电流谐波更大(变频器输入谐波普遍在30%以上)，加上启动电流的影响，需要放大柴油发电机功率。但空调动力部分可以设计分时分步启动，以减小对柴油发电机容量的要求。
4、总结
数据中心柴油发电机容量计算和选择的难点，首先是具体的功率计算，要参照UPS电池放电后柴油发电机刚刚恢复供电时的最大负载功率，而不能仅按照市电正常供电时的满负荷功率。其次是柴油发电机标称功率的选择，已经有明确的设计规范和功率定义可参考。笔者建议，对T4级数据中心还是应按照持续功率(COP)进行柴油发电机选型，对T3+和T3级数据中心按照DCP功率(即PRP功率)选型，对T2级及以下数据中心可以按照限时运行功率(LTP)选型。但不建议按应急备用功率(ESP)选型。最后选择具体产品时，要注意柴油发电机标定功率的准确性，防止被中途偷换概念。
作者：杨毅哲
