蔡树国，贾 骏

（中国泰尔实验室，北京 100091）

0 引 言

在数据中心供电设施设计中，UPS、开关电源等设备最高效率点大概在50%负载[1]。考虑到冗余和休眠要求，使用中能够保证设备运行在最高效率区附近。发电机组在设计中也采用了相同思路，但配置和使用时往往只考虑容量问题，忽略了工作区间是否在发电机组的最高效率区，导致可能出现“高能低效”的结果。

同时，推进绿色数据中心的进程中重点关注了供配电中的主要基础设备，却忽略了备用发电部分的节能降耗。对于并联发电机组，随着负载的增加，机组并联数量也会增加。目前，并机策略是自动检测机组输出功率大小，并根据负载率控制投入运行机组的数量，而该切换点的选取合理性会影响整个并联系统的工作效率和可靠性。因此，需要根据机组特性研究发电机组最佳运行工况，这对数据中心提高效率、降低能耗具有重要作用。

1 发电机组最高效率区研究

研究发电机组最高效率区，归根结底需要研究发动机的最高效率区，与此相关的是发动机性能特性中的负荷特性[2]。它是指当发动机转速一定时，经济性指标的燃油消耗量随发动机负荷变化的关系。利用这一变化曲线（如图1所示），可最全面地确定发动机在各种负荷时的经济性。因此，对负荷可以在很大范围内改变而转速基本维持不变的固定式发动机（如发电机组用发动机）具有特殊意义。

图1 发动机负荷特性曲线（定转速）

根据图1负荷特性曲线的特征，在低负载率时发动机油耗最大，但随着负载率的增大，油耗逐渐减少直至最低点，继续增大负荷，油耗又会开始上升，曲线呈现一条内凹抛物线形状。因此，从曲线形状可以分析哪一部分负荷区域是最经济的，也是能够保持发电机组最节能运行的区域。

2 发电机组最优并机切换点

多台柴油发电机组并联供电是一种节约成本、提高供电容量的措施。通过并联可将几台发电机组并成一个电网，组成一个强大的储备电力系统，提高系统的供电可靠性和供电质量，实现不间断保障电力供应，延长发电机组的使用寿命。因此，数据中心一般采用多台机组并联供电方式，而不是一味增大单台机组容量[3]。

并联发电机组可以根据负载的大小决定并联几台机组，从而达到节省柴油、降低发电机组成本的目的。特别是随着经济的不断发展，能源越来越紧张，节省燃油已经变得相当重要。

以某型号发电机组为例，表1为其不同负载率下的燃油消耗率。

表1 发电机组燃油消耗率实测值

根据实测燃油消耗率绘制发电机组燃油消耗率与负载率关系图，如图2所示。由图2可知，机组燃油消耗率呈先降后升趋势，在80%负载率左右燃油消耗率最低。

通过燃油消耗率曲线获取拟合公式，得到多项式：

根据式（1）探讨多台机组并机时负载率切换点。假设当n台并机时负载率为η，总负载不变时切换至n+1并机时负载率为则两者关系为[4]：

图2 发电机组燃油消耗率与负载率关系

由式（1）和式（2）可知，在负载率为η时增加1台机组并机，增加的燃油消耗率Δge为[4]：

根据式（3）得到不同负载率切换点和不同并机台数时由于增加1台机组导致的油耗增加量，如图3所示。

由图3可知，在接近85%负载率时，增加1台机组产生的燃油消耗率增加量比单台机组的燃油消耗率要低。因此，设置该负载率作为临界点燃油经济性较好，可实现节能降耗的目的。

发电机组长期低负荷运行和长期过高负荷运行都会有损机械结构[5]。在80%负载率附近运行既可以保证发电机组不超载运行，也能够保证发电机组不会长期低负荷运行，从而延长柴油发电机组的使用寿命。同时，发电机组在80%负载率左右燃油消耗率最低，运行效率最高。

因此，对于该型号发电机组设置并联切换点在80%～85%负载率，既可在较高的效率下运行，经济性较好，也可保证留有适当的裕量。其他型号发电机组油耗特性基本符合该特性，依据此方法能够计算出最优的并联切换点。

3 结 论

本文对发电机组的燃油经济性进行了研究，并根据数据中心实际运行过程中发电机组并机策略进行研究，获取不同负载率切换点时的燃油经济性，通过数据比对提出了并联发电机组工作的最优切换点。

图3 发电机组燃油消耗率增加与切换点关系