数据中心天然气分布式能源系统供电方案设计

沈洪流

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

0 引言

分布式能源系统是指安装在用户端的能源综合利用系统。天然气分布式能源系统是以天然气作为能源，将制冷、供热（采暖和供热水）及发电一体化的多联产系统。

IDC（互联网数据中心）机房设备的用电量和发热量都很高，需要常年不间断运行，具有电、冷负荷需求大而且波动相对较小的特点；同时空调系统通常采用电制冷机组，其用电量占整个机房用电量的比例高达40%以上，能源效率低。而且，传统数据中心仅采用柴油发电机作为应急电源来保障供电的可靠性，柴油发电机在电网供电稳定的情况下长期处于停机状态，未给数据中心带来任何经济效益，反而增加了工程造价和运维成本，造成了不小的资源浪费。

目前在经济发达地区，传统数据中心由于能耗问题已很难通过当地政府的节能评估审核。因此引入天然气分布式能源系统就地向数据中心提供电力和制冷量，不仅有利于提高数据中心的可靠性，更关键是实现了能源梯级利用和电力就地消纳，有效地降低能源消耗，对提高区域能源综合利用率具有积极作用。

由于数据中心对供电可靠性的要求很高，本文以建设中的浙江某互联网数据中心天然气分布式能源示范项目为例，从设计角度对其供电方案进行研究和分析。

1 数据中心天然气分布式能源系统简介

应用天然气分布式能源系统的数据中心通常分为能源站、IDC楼、变电站三大部分，其中能源站由燃气内燃机发电机组、烟气-热水型溴化锂制冷机组（以下简称“溴机”）、离心式电制冷冷水机组（以下简称“电制冷”）、柴油发电机组以及相关辅助设备组成。

燃气内燃机发电机组以天然气为燃料，在发电的同时提供热能（高温烟气和中温缸套冷却水）作为溴机的制冷热源，制取冷冻水供应给数据中心空调系统，满足数据中心的冷量需求。

能源站的正常运行方式采用“以冷定电”，即燃气内燃机发电机组与市电并网运行，其出力根据数据中心冷量需求的变比进行调节，所发电量扣除能源站自用电后通过变电站10 kV母线送至IDC楼，基本可以满足IDC楼约80%尖峰电力负荷的需求，IDC楼电力缺额部分由市电补充。当市电失去时，由能源站内的燃机气内燃发电机组和应急柴油发电机组共同为整个数据中心提供应急电源。具体电力、冷能供应流程见图1。

图1 数据中心天然气分布式能源系统框图

通过对天然气一次能源的梯级利用，整套系统的能源综合利用率可达到85%以上，远远超过常规发电系统的效率。

表1 各级数据中心总体要求

2 数据中心可靠性要求

依据ANSI/TIA-942《数据中心通信基础设施标准》[1]及Uptime Institute《数据中心现场基础设施分级标准：拓扑》[2]，数据中心按其基础设施的可持续运行能力分为4个级别，相关要求见表1。

由于T1及T2等级的可靠性较低，T4等级的建设成本又太高，近期已投运或在建的公共数据中心绝大多数为T3等级或可靠性介于T3与T4之间的T3+等级。本文案例中的某数据中心即为T3+等级，项目业主在建设前期阶段就提出该数据中心的供电系统可用率须达到“五个九”（即99.999%）的高标准要求。

3 机组配置方案

数据中心能源站的机组配置及运行方式，要求能在任何可能的工况条件下，均须满足数据中心的电力及冷量供应需求。以某数据中心为例，其IDC楼的冷负荷需求见表2。

表2 某IDC楼冷负荷需求汇总

按照“以冷定电”原则，能源站根据数据中心冷负荷确定的装机方案为：9台4 275 kW燃气内燃发电机组+9台4 505 kW溴机，同时配备9台4 571 kW电制冷作为溴机的备用（即制冷主机采用“2N”冗余配置）。

整个数据中心的用电负荷需求见表3，其应急电源的配置有以下两个方案：

（1）全部采用柴油发电机组方案。若全部采用柴油发电机组作为应急电源，此时溴机由于燃气内燃机发电机组不启动而全部停运，数据中心的冷能供应保障需要全部依靠电制冷。根据表3中的用电负荷需求，按照每12台必须备用1台的原则，需要配置36台1 820 kW柴油发电机组，具体匹配详见表4。

表3 某数据中心用电负荷需求汇总

（2）采用燃气内燃机发电机组+柴油发电机组方案。由于能源站内已配备的燃气内燃机发电机组同样具备作为应急电源的功能，只是启动时间及带载特性不如柴油发电机组，在采取了统一并机控制系统、同型号自动负载分荷控制器以及选择合适的黑启动控制逻辑等措施后，完全可以实现多台燃气内燃机发电机组和柴油发电机组在孤网状态下同时启动、依次并网、并机运行和自动分配负载的功能，在市电失去情况下共同为整个数据中心提供应急电源。因此，在能源站已有9台4 275 kW燃气内燃机发电机组的情况下，需要再配置11台1 820 kW柴油发电机组，具体匹配详见表4。

表4 某数据中心发电机组应急供电能力匹配

由以上分析可见，对于应用天然气分布式能源系统的数据中心，采用燃气内燃机发电机组和柴油发电机组共同为整个数据中心提供应急电源的方案，可减少柴油发电机组配置25台，不仅节约工程造价约6 900万元，且降低了运维费用。

4 电气系统接线方案

为满足T3或T3+等级数据中心的可靠性要求，数据中心整个电气系统的设计至少应避免单点故障或某一设备维护时影响对IDC楼内设备负载的供电或制冷系统的运行。基于这一原则，考虑数据中心内各区域的电气系统接线方案如下，其中市电、主变压器（以下简称“主变”）、配电变压器、各级电压母线以及各重要供电线路均按100%冗余设计，相应电气系统接线见图2。

4.1 110 kV变电站

数据中心变电站采用双路110 kV市电电源，分别通过独立线路引自附近2个220 kV变电站的110 kV母线，以保证市电电源的可靠性。站内配置2台容量100%冗余的110/10 kV主变，110 kV部分采用内桥接线，10 kV部分采用单母线分段接线，每段10 kV母线均设1回至能源站的联络线以及6回至1~3号IDC楼的馈线。正常2台主变分列运行，110 kV桥开关及10 kV分段开关均设有备自投装置。

4.2 IDC楼

IDC楼内电气交流负荷均为低压。每幢IDC楼设2套中压配电系统，每套中配由两段10 kV母线组成，单母线接线，不设联络开关。每段10 kV母线各设1路单电源进线，分别引自110 kV变电站内不同10 kV母线段，正常两路电源同时工作。

每套中压配电系统下设4对互为备用的低压工作变压器及相应4套低压配电系统（以下简称“低配系统”）。低配系统采用单母线分段接线。每对低压工作变分接于中配不同10 kV母线段上，正常分列运行，当其中1台变压器停运时，低压母联开关自动/手动闭合，由另一台承担所有低压负荷供电。

4.3 能源站

能源站设置两段10 kV发电机母线，采用单母线分段接线，9台4 300 kW燃气内燃机发电机和11台1 800 kW应急柴油发电机分别接至两段10 kV发电机母线。能源站每段10 kV发电机母线各通过1回联络线分别接入数据中心变电站的两段10 kV母线，联络线采用共箱封闭母线。正常两段发电机母线分列运行，10 kV分段开关设备自投。

能源站另设置两段10 kV站用母线，均采用单母线接线，供能源站站内用电负荷。每段10 kV站用母线设2回进线电源（1主1备且自动切换），分别引自能源站内两段10 kV发电机母线。虽然接于10 kV站用母线的10 kV电制冷为单电源供电，但是由于能源站内制冷主机（溴机+电制冷）为“2N”冗余配置，且溴机电源由低配供给，因此当一段10 kV站用母线停运时，系统仍能保障至少一半电制冷及全部溴机的供电。

能源站设2对互为备用的低压厂变及2套低压配电系统。低配系统采用暗备用动力中心和电动机控制中心的供电方式[4]，PC（动力中心）为单母线分段接线，MCC（电动机控制中心）设双路电源进线（1用1备），分接于不同PC段上。每台电制冷配套的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及相关辅机采用独立MCC供电，该MCC采用双回路供电并设ATS（自动转换开关电器）。

能源站内控制系统、火灾报警系统、关键阀门等重要负荷采用UPS（不间断电源）或直流供电，UPS及直流系统均为“2N”冗余配置。保障连续供冷的二次泵采用独立UPS供电，所配套的蓄电池组能保证二次泵满负荷运行15 min。

5 供电可靠性分析

5.1 可靠性数据及其来源

由于缺乏110 kV电气设备及输电线路的可用率统计数据，本文暂根据2008—2017年某省10 kV城市用户供电可靠性指标数据[5]，分析得出数据中心变电站每路10 kV市电电源的年平均可用率为99.958 8%，年平均停电时间为3.605 h。10 kV及380 V系统主要变配电设备可靠性数据及其来源见表5。

5.2 发电机组可用率估算

图2 某数据中心电气系统接线

表5 主要设备可靠性数据及其来源

取单台燃气内燃发电机组可用率为97.5%。根据IEEE 493-2007相关数据，取单台应急柴油发电机组可用率为99.826 5%[3]。取发电机组群加载并网控制系统可用率为99%。在燃气内燃发电机组为8+1台冗余、应急柴油发电机组为10+1台冗余情况下，计算可得整套应急电源可用率为 96.903 74%。

5.3 估算结果

依据以上系统及设备可用率数据以及整个数据中心的电气系统接线，对各级母线的供电可用率进行初步估算[6-9]，估算结果见表6，其中向电气负荷供电的380 V配电母线可用率均达到T3+等级数据中心“五个九”的要求。

表6 各级母线供电可用性估算结果

6 结语

随着大数据和云计算应用的快速发展，大规模、高等级数据中心的建设需求日益增长，然而由于传统数据中心高耗能的缺点，项目在经济发达地区的落地已十分困难，天然气分布式能源系统的应用为解决这一难题提供了一种新的途径[9-15]。在此类项目中，对于如何将数据中心高可靠性要求与天然气分布式能源电气系统设计理念两者有机结合，本文给出了一种较为完善的供电系统解决方案，主要可归纳为以下几点：

（1）采用燃气内燃发电机组和柴油发电机组共同为整个数据中心提供应急电源。

（2）市电、主变压器、配电变压器、各级电压母线以及各重要供电线路均按100%冗余设计。

（3）每台电制冷配套的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及相关辅机采用独立MCC供电，该MCC采用双回路供电并设ATS。

（4）能源站内UPS及直流系统采用“2N”冗余配置。

（5）保障连续供冷的水泵采用独立UPS供电，所配套的蓄电池组能保证水泵满负荷运行15 min。