新聞主題	中壓柴油發電機組選型計算與容量匹配

摘要：中壓發電機組的選型通常根據后端負載的整體容量進行排列組合，功率段基本集中在1800～2400kW主用（PRP）功率范圍。中壓柴油發電機組因其并機的數量可擴展性強，目前的并機技術可連續32臺，通過BTB（母線與母線）的型式可擴展至256臺，給大容量的Power Plant等提供了滿足容量的剛性需求。目前，并機均采用分布式，每臺柴油發電機組控制系統除了具備各種參數顯示、故障報警、自啟動-停機及保護功能外，還自帶負載分配、功率管理、CAN通信等，為分布式應急電源提供了優勢的條件。

 

一、發動機的選型方法和要求

 

1、穩定性要求

      應急供電系統的運行對電力供應的穩定性要求非常高，發動機需要具備以下穩定性要求：

（1）輸出穩定性：

      發動機在運行過程中，輸出電壓和頻率應保持穩定，在額定負載下波動范圍應控制在合理范圍內。

（2）負載適應能力：

      發動機應具備較好的負載適應能力，能夠在不同負載條件下保持穩定輸出。

（3）快速起動能力：

      發動機需要在電網停電后能夠迅速啟動，以確保應急供電系統的連續供電，自啟動智能系統如圖1所示。

2、節能環保要求

      隨著環保意識的增強，應急供電系統發動機也需要具備一定的節能環保要求：

（1）燃油經濟性：

      發動機需要具備較低的燃油消耗率，以降低運行成本并減少對環境的影響。

（2） 噪音控制：

      發動機在運行時會產生噪音，需要采取降噪措施，以減少對周圍環境和人員的影響。

（3）廢氣處理：

      發動機在運行時產生的廢氣需要經過處理，以減少對大氣環境的污染。尾氣處理裝置工藝流程如圖2所示。

3、選型方法

（1）根據功率選型：

      根據不同的應用場合選擇不同類型的發動機，主要考慮發動機的關鍵特性-帶載能力。

（2）根據環保要求選型：

      集中在該功率段區域調速方式分為兩種，一種為電子調速，二種為電噴（中壓共軌電噴），區別主要是排放等級的區別。

（3）根據燃料需求選型：

      柴油、燃氣和重油等，不同的地區其燃料的儲備優勢不一樣。

      應急供電系統柴油機的技術要求包括穩定性、可靠性、安全性和節能環保性。只有具備這些要求，才能保證應急供電系統在電網故障時能夠持續穩定地運行，為各行各業提供高效可靠的數據服務。

 

圖1  柴油發電機組與市電轉換系統監測功能框圖

圖2  柴油發電機組尾氣處理裝置工藝流程

 

二、發電機的選型方法和要求

 

      在應急備用柴油發電機組電壓等級一般分為低壓（108～690V）、中壓（6.3～15kV），目前行業內發電機的最中壓等級為15kV，高出此電壓等級的只能采用升壓變壓器升壓后并機的方式進行選型。康明斯公司極力推薦應選用斯坦福同步無刷發電機，因為其維護簡單，采用DVR數字式自動電壓調節器，電壓穩定，抗干擾性能強，可選永磁勵磁發電機，提高非線性負載的承載能力；按照F級絕緣F級溫升進行選型；同時發電機帶載能力的大小與發電機本身的性能有關外，還與其自身幾個關鍵參數相關，其參數值的大小直接影響帶不同負載的帶載能力；主要包括直軸瞬態電抗值、直軸超瞬態電抗值、功率因數對外部的諧波（例如3次、5次、7次諧波等）。

1、X_d直軸同步電抗

      X_d是代表發電機磁飽和值，決定發電機運行曲線上的安全區域，當發電機運行在最高的磁通值時，X_d電抗是最低的，其值的大小也反映了發電機性能的優劣。

2、X'_d直軸瞬態電抗

      X'_d是代表發電機運行中三相突然短路瞬變的過渡電抗。直軸瞬變電抗是發電機額定轉速運行時，定子繞組直軸總磁鏈產生電壓中的交流基波分量在突變時的初始值與同時變化的直軸交流基波電流之比。它也是發電機和整個電力系統的重要參數，對發電機的動態穩定極限及突然加負載時的瞬態電壓變化率有很大影響。X'd越小，動態穩定極限越大、瞬態電壓變化率越小；但X'd越小，定子鐵心要增大，從而使發電機體積增大、成本增加。X'd的值主要由定子繞組和勵磁繞組的漏抗值決定。

備注：直軸瞬態電抗的值主要體現發電機帶突加大電流的負載能力，值越低其帶類似電動機負載的能力越強，主要是帶畸變負載。

3、X”_d直軸超瞬態電抗

      X”_d是代表發電機運行中三相突然短路最初一瞬間的過渡電抗。發電機突然短路時，轉子勵磁繞組和阻尼繞組為保持磁鏈不變，感應出對電樞反應磁通起去磁作用的電流，將電樞反應磁通擠到勵磁繞組和阻尼繞組的漏磁通的路徑上，這個路徑的磁阻很大即磁導很小，故其相對應的直軸電抗也很小，這個等效電抗稱為直軸超瞬變電抗X”_d，也即有阻尼繞組的發電機突然短路時，定子電流的周期分量由X”_d來限制。結構上，X”_d主要由發電機定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定。對于無阻尼繞組的發電機，則X”_d＝X'd。

      由于X”_d的大小影響電力系統突然短路時短路電流的大小，故X”_d值的大小也影響到系統中中壓輸變電設備特別是中壓斷路器的選擇，如動穩定電流等參數。從電氣設備選擇來說，希望X”_d大些，這樣短路電流小一些。此值存在矛盾，其值越小，帶非線性負載能力越強，但是值越小短路電流又比較大；此值主要反映是帶非線性負載；其關系體現如圖3所示。發電機帶時間常數的瞬態電抗（X'd）和次瞬態電抗（X”_d）（共同值X_g），反應其帶載能力一個非常重要的體現。

（1）當啟動一臺電動機，電壓下降的百分數將取決于電動機的啟動容量（或同時啟動的電動機的全部容量的總和）。

（2）最大允許下降值（一般情況）：25％電壓下降在發電機接線端，30％電壓下降在電動機接線端。

（3）每臺發電機的電壓下降值，均可使用堵轉曲線來計算（每臺發電機均有相應的曲線）。

4、根據負載特性選型

      主要是選擇合適的功率因數，負載功率因數對發電機組輸出功率的影響，功率因數分為超前和滯后兩種，功率因數越低，給負載供電時對發電機的容量要求越高。商用三相發電機標稱為PF是0.8（滯后）。任何時候用發電機給功率因數為超前的負載供電時應特別注意。

      如圖4所示中，發電機組的功率在藍色和紅色的區域中（面積大的一塊），圖4左邊是功率因數超前，圖4右邊是功率因數滯后。

（1）當負載功率因數≥0.8（滯后）時，發電機組帶載能力由發電機組額定有功功率確定；當負載功率因數＜0.8（滯后）時，發電機組帶載能力由發電機組額定視在功率確定。

（2）當負載功率因數≥0.9（超前）時，發電機組帶載能力由發電機組額定有功功率確定；當負載功率因數＜0.9（超前）時，發電機組效率下降很快。

備注：具體功率因數的選擇，首先要考慮負載本身的功率因數后，再綜合考慮發動機、發電機的容量匹配，以保證發電機組選擇的綜合性價比。

5、勵磁方式及諧波對帶載能力的影響

      勵磁方式對發電機帶非線性負載的能力起著關鍵性的作用，具體參照勵磁方式的對比；發電機的選型也需充分考慮外部諧波對其造成的影響。

      非線性負載會向柴油發電機組反射大量的諧波，其中5次和7次諧波危害最嚴重，尤其是非線性負載較大而發電機組容量又較小時這種危害就更明顯。根據有關資料研究表明，發電機組輸出側的負載總諧波電流超過發電機組額定電流的5％時，就可能引起油機振蕩、穩定時間延長，并使發電機組輸出實際容量降低10％。除此之外，由于發電機組的內阻相對市電來說大很多，由諧波電流引起的電壓畸變就大很多，再加上發電機組本身也會產生諧波，其后果將出現發電機組輸出電壓嚴重失真和負載設備誤動作，嚴重時會損壞AVR和負載設備。為了消除發電機組自身產生的諧波，目前各廠家通行的做法是選用2/3節距的發電機，可消除3次諧波，但無法消除5次和7次諧波，見表1。

表1   不同節距的發電機對發電機組輸出諧波的抑制效果

      目前，中壓發電機除了2/3節距，還有5/6不規則的節距，同樣是處于對諧波抑制的設計考慮。要解決發電機組所面臨的諧波問題，可從以下兩方面著手：

      一方面是從消除諧波對發電機組的影響著手，即提高發電機組抗諧波干擾的能力。此時需選用額定功率比正常需求大很多的發電機組，一般發電機組功率為UPS容量的若干倍再加上其他一般負載，這樣可以有效提高發電機組對諧波時的瞬態特性。但這樣將大幅度增加投資，可以通過采取一些特殊的措施，在改善發電機組的運行性能的時獲得更好的經濟效益。

（1）選用永磁他勵（PMG）發電機

      因PMG系列發電機的電子自動調壓系統AVR獨立于發電機的機械系統，功率源從副勵磁機電樞繞組取得。在發電機負載和轉速突變時，該系統不受發電機機械過渡過程的影響，將輸出電壓調整到額定值。因此，PMG系列發電機的動態電壓調整率遠小于其他勵磁發電機，并有較好的動態穩定性，可提高發電機帶非線性負載能力。由于PMG系統提供一個與定子輸出電壓波形畸變及大小無關的恒定的勵磁電源，因而能提供較高的電動機啟動承受能力，并對非線性負載產生的主機定子輸出電壓的波形畸變具有抗干擾性。

（2）在不增加柴油機功率的條件下，配置一臺較大容量的發電機

      以提高發電機組帶非線性負載的能力。通常柴油機和發電機的功率匹配關系是柴油機凈輸出機械功率略大于發電機功率，發電機組的輸出有功功率大小取決于柴油機的功率，而視在功率則主要取決于發電機的容量，發電機組在帶UPS負載時，只要加大發電機的容量，其瞬態特性就會大大的增強，而發電機組的輸出有功功率其實并未增加，因而采用這種所謂“小馬拉大車”的方式來解決非線性負載的問題。即柴油機的功率按照所有負載有功功率之和略大來選擇，發電機功率則按照上面所說的方法來配置。該方案可以在滿足使用要求的前提下，大幅度減少投資，同時也避免柴油機產生長時間低負載運行的幾率，提高其使用可靠性。

      另一方面是從消除負載諧波著手。通過諧波治理來達到消除系統諧波的目的，從而消除其對發電機組的影響。

 

圖3  中壓發電機帶非線性負載能力示意圖

圖4  柴油發電機組工作區域圖

 

三、機組容量的匹配和運行要求

 

      中壓柴油發電機組自啟動工作流程動態圖如圖5所示。

1、發電機組容量匹配系數

      現有的通信機房中除了UPS外，一般還有空調、開關電源等設備，根據實際使用狀況和發電機組的相關參數，可采用如下方法來確定發電機組功率的大小：

      當機房未做諧波治理時：

（1）發電機組功率＝（6脈沖UPS的輸入功率×1.6）＋其他負載功率；

（2）發電機組功率＝（12脈沖UPS的輸入功率×1.4）＋其他負載功率；

（3）發電機組功率＝（IGBT型式UPS的輸入功率×1.1）＋其他負載功率；

2、功率因素的匹配要求

      由前可知，以典型通信機房的功率因數均大于0.9為例，當發電機組的輸出有功功率滿載時，視在功率還存在富余量。因此，從功率因數的角度來看，目前發電機組中發電機的容量得不到全面利用。發電機組0.8的額定輸出功率因數過低，應該提高。

      另外，發動機由于老化會導致性能下降，即發動機可輸出的有功功率會隨之下降。而發電機的性能一般比較穩定，即發電機組可輸出的視在功率比較穩定。隨著時間的推移，發電機容量的富余量會越來越大。但從諧波的角度看，由于通信機房內諧波的存在，特別是5次、7次諧波的存在，要求發電機組具有較強的瞬態響應特性，以避免諧波對發電機組的正常運行造成影響。如此一來，又要求發電機的配置相對發動機來說越大越好。另外，從發電機組經濟性上分析，發電機組的主要成本在發動機部分，發電機是相對而言比較經濟的部分，用較經濟的成本換取發電機組更好的瞬態響應特性。

      綜合以上的幾點因素，現有柴油發電機組采用0.8的額定功率因數是合理的。

3、機組可靠性要求

      應急供電系統作為關鍵基礎設施，對電力供應的可靠性要求非常高，柴油發電機組需要具備以下可靠性要求：

（1）故障自恢復能力：柴油發電機組應具備故障自恢復能力，能夠在發生故障后自動切換到備用機組，并及時通知運維人員進行維修。

（2）平穩切換能力：柴油發電機組需要能夠與電力公司的電網平穩切換，以防止發生電網恢復后的電壓沖擊，對應急供電系統的電力設備造成損壞。

（3）長時間連續運行能力：柴油發電機組需要具備長時間連續運行的能力，以滿足應急供電系統在電網故障時的長時間供電需求。

4、機組安全性要求

      應急供電系統是承載大量敏感信息的場所，為了保障數據安全，柴油發電機組需要具備以下安全性要求：

（1）防火安全：柴油發電機組應采用防火材料進行封裝，避免因發生火災而對應急供電系統造成安全隱患。

（2） 排放安全：柴油發電機組在運行時會產生廢氣，需要采取相應的排氣系統，將廢氣安全排放到室外，避免對人員健康和環境造成危害。

（3）監控安全：柴油發電機組需要配備完善的監控系統，能夠實時監測各種參數，如溫度、壓力等，及時發現故障并采取相應的措施。

 

 

圖5  中壓柴油發電機組自啟動工作流程動態圖

 

總結：

      中壓柴油發電機供電系統由柴油發動機、發電機控制屏、交流發電機、發電機出口開關柜、接地電阻柜、PT柜及出線柜等組成。每個供電系統的柴油發電機的數量根據“N+1”原則（N臺的總功率滿足負荷需求，另1臺作為備用）確定，保證用電負荷正常運行。需要注意的是，因柴油發電機是數據中心的后備電源，而且價格較為昂貴，所以通過電氣保護措施保證其安全運行是電氣設計中的一項重要工作。

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