新聞主題	柴油發電機功率、容量與負載的匹配關系圖解

 

摘要：柴油發電機組的功率匹配優化設計是指根據使用環境、負載情況、用途、性能要求等條件，依據機組的輸出功率要求，合理地選擇柴油機的功率及發電機的功率，以最優的方式來滿足不同條件下的使用要求。本文以康明斯NTA855系列柴油機為例介紹了柴油發電機組的功率匹配優化設計，同時介紹了負載為非線性負載下的功率匹配優化設計的思路及注意事項。

 

一、柴發功率與容量關系及影響因素

 

      柴油發電機的功率和容量之間存在一定的關系，除了容量的大小外，控制柴油發電機功率的因素還有負載、燃油、機組的質量等。

1、功率和容量的關系

      柴油發電機的容量是指它所能輸出的最大電功率，通常以千伏安（kVA）為單位，也就是視在功率，它包括了有功功率和無功功率。而功率是指單位時間內所能完成的功，以千瓦特（KW）為單位，即有功功率。

視在功率×功率因數cosФ=有功功率

      一般發電機功率因素為0.8，計算結果即1KVA=0.8*1KW。

      因此，柴油發電機的功率和容量之間存在一定的關系，如圖1所示。一般來說，柴油發電機的容量越大，它所能輸出的最大功率也就越大。

2、影響柴發功率和容量的因素

      除了容量的大小外，還有其他因素會影響柴油發電機的功率和容量。

（1）負載

      負載是指柴油發電機輸出電能的用戶和電氣設備，負載越大，柴油發電機所能輸出的最大功率也就越大。負載分為電感性、電容性、電阻性三種，其中感性和容性是用的比較多的，它們之間關系如圖2所示。

      感性和容性指的是電路中電壓與電流的相位關系。當負載是電感性質時，電壓相位電流，即負載是感性的;當負載是容性負載時，電壓相位滯后電流，電流相位電壓，即負載是容性的。

① 感性負載

　　感性負載是指帶有電感參數的負載。確切講，應該是負載電流滯后負載電壓一個相位差特性的為感性負載，比如如變壓器，電動機等。另外一種是指有些設備在消耗有功功率時還會消耗無功功率，并且有線圈負載的電路，叫感性負載。

② 容性負載

　　容性負載一般是指帶電容參數的負載，即符合電壓滯后電流特性的負載。容性負載充放電時，電壓不能突變，其對應的功率因數為負值，對應的感性負載的功率因數為正值。

（2）燃油

      在同樣的負載下，柴油發電機所使用的燃油類型和質量也會影響它的功率和容量。好的燃油能夠使柴油發電機的效率更高，輸出功率也更大。

（3）設備質量

      設備質量（或工作效率）也會直接影響柴油發電機的功率和容量。好的機組設計和制造能夠使發電機的效率更高，輸出功率也更大。

      在選擇柴油發電機時，首先要根據需求確定需要的功率和容量，并根據實際情況合理把握。同時，還要考慮到燃油的質量、發電機的質量和有效期、負載情況等因素的影響，綜合選擇適合自己需求的柴油發電機。

 

圖1  發電機有功、無功、視在功率三角圖

圖2  負載與功率四象限示意圖

 

二、常規機組功率匹配

 

      本文以康明斯公司生產的NTA855系列柴油機為例，簡要闡述不同條件下的功率匹配設計問題，因條件類型比較多，在這里不能一一闡述，本文僅根據作者的工作經驗列舉部分具有代表性的條件進行闡述。本文所涉及到的術語，未作解釋的請查閱JB/T8194-2001《內燃機電站名詞術語》。

      常規機組指在規定的工況條件下，能輸出標定功率的機組，其負載為0.8功率因數條件下的負載。

1、柴油機功率標定方法

      康明斯公司K19系列柴油機功率標定采用GB/T6072.1-2008中規定的方法，以12h功率或1h功率為標定指標，如康明斯KTAA19-G6柴油機標定的12h功率為570kW，1h功率為520kW，其含義是在規定的額定工況環境條件下，允許柴油機以520kW的功率連續運行12h，而570kW作為超負荷功率使用，即每12h運行期內允許柴油機間斷或不間斷地以110%持續功率運行1h。1h功率≈12h功率/1.1。

2、計算公式

      柴油發電機組的匹配功率P可按下式計算，此功率不得超過發電機的標定功率（相應工況條件下）。

P=（P_nη?-P?）η?.....................（公式1）

式中，P_n——柴油機額定功率；

P?——風扇等柴油機外圍附件功率損耗，由柴油機廠家提供。一般情況下，柴油機功率越大損耗越大，若柴油機標定的功率為凈有效輸出功率，則該數值為零；

η?——發電機效率，由發電機生產廠家提供，一般在0.74~0.96之間，發電機功率越小，其效率越低；

η?——功率修正系數。若用戶所購買的機組其輸出標定功率的使用環境與標準基準狀況存在差異時，其數值依據GB/T6072.1-2008規定的方法進行換算，在額定工況下，功率修正系數η?=1.0。近似粗算修正系數數值見表1（供參考，具體以柴油機數據為準）：

表1    功率修正系數η?

   

  因此在設計發電機組時，發電機組的標定功率按下式計算：

P=（P_nη?-P?）η?

      發電機標定功率P應大于機組的標定功率P?。

3、實際案例

      以NTA855-G1B柴油機為例，其額定功率為280 kW，設計工況為標準基準狀況下的發電機組標定功率，即機組的額定功率。

P?≤P=（P_nη?-P?）η?.....................（公式2）

=（280×1-10）×0.926

=250 kW

      因此，機組的額定功率P=250 kW，機組在額定工況條件下能正常地連續運行12h（其中包括超載10%運行1h），若連續運行時間超過12 h，其輸出功率為額定功率的90%。

      根據發電機功率選擇≥機組額定功率P的要求，發電機功率選配為250 kW。

 

三、非線性負載下的功率匹配

 

      該條件下的功率匹配設計也是在規定的工況條件下，但其負載比較特殊。非線性負載是指電壓和電流之間是非線性關系的負載。在負載投入、運行過程中，電壓、電流的關系是經常變化的，其波形也不是我們常說的正弦交流波，而是含有不光滑的畸變成分，根據數學方法可分解為基波和一系列的高次諧波，主要是5次、7次等奇次諧波。

1、常見非線性負載的類型

（1）開關電源、UPS；

（2）電子數據圖象設備--電視、電影等無線電發射設備、可控燈光設備等；

（3）整流器、熒光燈；

（4）電動機負載，電動機雖然不是非線性負載，但是由于控制方式上經常使用軟起動器、變頻控制的手段，也屬于非線性負載考慮的范疇。

2、非線性負載的影響

（1）發電機組的輸出電壓突然增高；

（2）發電機組的輸出頻率在40-60 Hz之間波動；

（3）非線性負載的高次諧波導致反常的導體發熱，損壞發電機的繞組、勵磁回路和AVR。圖3顯示的是正常的正弦電壓波形和畸變的電壓波形；圖4顯示的是正弦穩態電路中的瞬時功率波形。

（4）電動機起動時電流會比正常工作時的電流大若干倍，功率因數又非常低，所以會造成發電機端電壓下降，可能會造成配電設備的保護動作；頻繁起動還可能造成發電機轉子燒壞。當電動機容量較大時也要進行發電機的特殊選型，這類情況主要是工廠用戶、大樓的消防水泵、消防電梯等。

2、功率匹配設計的思路

      了解用戶非線性負載的類型，并盡可能要求用戶提供以下資料：基本負載的容量、負載投入的順序和非線性負載的類型。

      功率匹配設計思路同本文的計算公式（2），但須考慮用戶非線性負載的類型，考慮其所產生的影響，因此在計算公式（2）的基礎上根據不同的非線性負載類型，建議采用以下3種方法：

（1）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，以提高機組帶非線性負載的能力。發電機輸出功率一般可以按照表2的參考值進行選擇。

表2    非線性負載下的發電機功率匹配關系

 

      若負載為電動機負載，起動電流的倍數與起動方式的關系見表3。應根據起動容量要求，進行發電機的選型，考慮起動容量時，需考慮起動的順序，是否要求同時起動等因素。

（2）盡可能采用無刷永磁式勵磁交流發電機或使用三次諧波勵磁的發電機，來提高發電機組帶非線性負載的能力。

注意：上述2種方法，可結合起來考慮使用。

（3）若發電機功率與柴油機功率相差較大，為提高柴油機運行的穩定性，須適當考慮提高柴油機的功率。

 

圖3  正弦和畸變電壓波形

圖4  正弦穩態電路中的瞬時功率波形圖

 

總結：

      柴油發電機的功率和容量之間存在一定的關系，除了容量大小外，還有其他因素會影響柴油發電機的輸出功率。選擇適合自己需求的柴油發電機需要考慮多方面的因素，使其滿足實際生產和生活需求。因此，柴油發電機組功率匹配設計需考慮機組的使用環境、負載的狀況、用途及性能要求等，根據不同的客戶要求，進行合理的設計優化，在滿足使用要求、保證產品質量的前提下，以最低的成本達到客戶的要求。

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