新聞主題	中壓柴油發(fā)電機組選型計算與容量匹配

摘要：中壓發(fā)電機組的選型通常根據后端負載的整體容量進(jìn)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(fā)電機組因其并機的數量可擴展性強，目前的并機技術(shù)可連續32臺，通過(guò)BTB（母線(xiàn)與母線(xiàn)）的型式可擴展至256臺，給大容量的Power Plant等提供了滿(mǎn)足容量的剛性需求。目前，并機均采用分布式，每臺柴油發(fā)電機組控制系統除了具備各種參數顯示、故障報警、自啟動(dòng)-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(yōu)勢的條件。

 

一、發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機需要具備以下穩定性要求：

（1）輸出穩定性：

      發(fā)動(dòng)機在運行過(guò)程中，輸出電壓和頻率應保持穩定，在額定負載下波動(dòng)范圍應控制在合理范圍內。

（2）負載適應能力：

      發(fā)動(dòng)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(dòng)能力：

      發(fā)動(dòng)機需要在電網(wǎng)停電后能夠迅速啟動(dòng)，以確保應急供電系統的連續供電，自啟動(dòng)智能系統如圖1所示。

2、節能環(huán)保要求

      隨著(zhù)環(huán)保意識的增強，應急供電系統發(fā)動(dòng)機也需要具備一定的節能環(huán)保要求：

（1）燃油經(jīng)濟性：

      發(fā)動(dòng)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(huán)境的影響。

（2） 噪音控制：

      發(fā)動(dòng)機在運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生噪音，需要采取降噪措施，以減少對周?chē)h(huán)境和人員的影響。

（3）廢氣處理：

      發(fā)動(dòng)機在運行時(shí)產(chǎn)生的廢氣需要經(jīng)過(guò)處理，以減少對大氣環(huán)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(chǎng)合選擇不同類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機，主要考慮發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵特性-帶載能力。

（2）根據環(huán)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(yōu)勢不一樣。

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

 

圖1  柴油發(fā)電機組與市電轉換系統監測功能框圖

圖2  柴油發(fā)電機組尾氣處理裝置工藝流程

 

二、發(fā)電機的選型方法和要求

 

      在應急備用柴油發(fā)電機組電壓等級一般分為低壓（108～690V）、中壓（6.3～15kV），目前行業(yè)內發(fā)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(jìn)行選型。康明斯公司極力推薦應選用斯坦福同步無(wú)刷發(fā)電機，因為其維護簡(jiǎn)單，采用DVR數字式自動(dòng)電壓調節器，電壓穩定，抗干擾性能強，可選永磁勵磁發(fā)電機，提高非線(xiàn)性負載的承載能力；按照F級絕緣F級溫升進(jìn)行選型；同時(shí)發(fā)電機帶載能力的大小與發(fā)電機本身的性能有關(guān)外，還與其自身幾個(gè)關(guān)鍵參數相關(guān)，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(tài)電抗值、直軸超瞬態(tài)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(fā)電機磁飽和值，決定發(fā)電機運行曲線(xiàn)上的安全區域，當發(fā)電機運行在最高的磁通值時(shí)，X_d電抗是最低的，其值的大小也反映了發(fā)電機性能的優(yōu)劣。

2、X'_d直軸瞬態(tài)電抗

      X'_d是代表發(fā)電機運行中三相突然短路瞬變的過(guò)渡電抗。直軸瞬變電抗是發(fā)電機額定轉速運行時(shí)，定子繞組直軸總磁鏈產(chǎn)生電壓中的交流基波分量在突變時(shí)的初始值與同時(shí)變化的直軸交流基波電流之比。它也是發(fā)電機和整個(gè)電力系統的重要參數，對發(fā)電機的動(dòng)態(tài)穩定極限及突然加負載時(shí)的瞬態(tài)電壓變化率有很大影響。X'd越小，動(dòng)態(tài)穩定極限越大、瞬態(tài)電壓變化率越??；但X'd越小，定子鐵心要增大，從而使發(fā)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(tài)電抗的值主要體現發(fā)電機帶突加大電流的負載能力，值越低其帶類(lèi)似電動(dòng)機負載的能力越強，主要是帶畸變負載。

3、X”_d直軸超瞬態(tài)電抗

      X”_d是代表發(fā)電機運行中三相突然短路最初一瞬間的過(guò)渡電抗。發(fā)電機突然短路時(shí)，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(gè)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(gè)等效電抗稱(chēng)為直軸超瞬變電抗X”_d，也即有阻尼繞組的發(fā)電機突然短路時(shí)，定子電流的周期分量由X”_d來(lái)限制。結構上，X”_d主要由發(fā)電機定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定。對于無(wú)阻尼繞組的發(fā)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(shí)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(dòng)穩定電流等參數。從電氣設備選擇來(lái)說(shuō)，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(xiàn)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(xiàn)性負載；其關(guān)系體現如圖3所示。發(fā)電機帶時(shí)間常數的瞬態(tài)電抗（X'd）和次瞬態(tài)電抗（X”_d）（共同值X_g），反應其帶載能力一個(gè)非常重要的體現。

（1）當啟動(dòng)一臺電動(dòng)機，電壓下降的百分數將取決于電動(dòng)機的啟動(dòng)容量（或同時(shí)啟動(dòng)的電動(dòng)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(fā)電機接線(xiàn)端，30％電壓下降在電動(dòng)機接線(xiàn)端。

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

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(fā)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(shí)對發(fā)電機的容量要求越高。商用三相發(fā)電機標稱(chēng)為PF是0.8（滯后）。任何時(shí)候用發(fā)電機給功率因數為超前的負載供電時(shí)應特別注意。

      如圖4所示中，發(fā)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(shí)，發(fā)電機組帶載能力由發(fā)電機組額定有功功率確定；當負載功率因數＜0.8（滯后）時(shí)，發(fā)電機組帶載能力由發(fā)電機組額定視在功率確定。

（2）當負載功率因數≥0.9（超前）時(shí)，發(fā)電機組帶載能力由發(fā)電機組額定有功功率確定；當負載功率因數＜0.9（超前）時(shí)，發(fā)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(fā)動(dòng)機、發(fā)電機的容量匹配，以保證發(fā)電機組選擇的綜合性?xún)r(jià)比。

5、勵磁方式及諧波對帶載能力的影響

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

      非線(xiàn)性負載會(huì )向柴油發(fā)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(xiàn)性負載較大而發(fā)電機組容量又較小時(shí)這種危害就更明顯。根據有關(guān)資料研究表明，發(fā)電機組輸出側的負載總諧波電流超過(guò)發(fā)電機組額定電流的5％時(shí)，就可能引起油機振蕩、穩定時(shí)間延長(cháng)，并使發(fā)電機組輸出實(shí)際容量降低10％。除此之外，由于發(fā)電機組的內阻相對市電來(lái)說(shuō)大很多，由諧波電流引起的電壓畸變就大很多，再加上發(fā)電機組本身也會(huì )產(chǎn)生諧波，其后果將出現發(fā)電機組輸出電壓嚴重失真和負載設備誤動(dòng)作，嚴重時(shí)會(huì )損壞AVR和負載設備。為了消除發(fā)電機組自身產(chǎn)生的諧波，目前各廠(chǎng)家通行的做法是選用2/3節距的發(fā)電機，可消除3次諧波，但無(wú)法消除5次和7次諧波，見(jiàn)表1。

表1   不同節距的發(fā)電機對發(fā)電機組輸出諧波的抑制效果

      目前，中壓發(fā)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(fā)電機組所面臨的諧波問(wèn)題，可從以下兩方面著(zhù)手：

      一方面是從消除諧波對發(fā)電機組的影響著(zhù)手，即提高發(fā)電機組抗諧波干擾的能力。此時(shí)需選用額定功率比正常需求大很多的發(fā)電機組，一般發(fā)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(fā)電機組對諧波時(shí)的瞬態(tài)特性。但這樣將大幅度增加投資，可以通過(guò)采取一些特殊的措施，在改善發(fā)電機組的運行性能的時(shí)獲得更好的經(jīng)濟效益。

（1）選用永磁他勵（PMG）發(fā)電機

      因PMG系列發(fā)電機的電子自動(dòng)調壓系統AVR獨立于發(fā)電機的機械系統，功率源從副勵磁機電樞繞組取得。在發(fā)電機負載和轉速突變時(shí)，該系統不受發(fā)電機機械過(guò)渡過(guò)程的影響，將輸出電壓調整到額定值。因此，PMG系列發(fā)電機的動(dòng)態(tài)電壓調整率遠小于其他勵磁發(fā)電機，并有較好的動(dòng)態(tài)穩定性，可提高發(fā)電機帶非線(xiàn)性負載能力。由于PMG系統提供一個(gè)與定子輸出電壓波形畸變及大小無(wú)關(guān)的恒定的勵磁電源，因而能提供較高的電動(dòng)機啟動(dòng)承受能力，并對非線(xiàn)性負載產(chǎn)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(fā)電機

      以提高發(fā)電機組帶非線(xiàn)性負載的能力。通常柴油機和發(fā)電機的功率匹配關(guān)系是柴油機凈輸出機械功率略大于發(fā)電機功率，發(fā)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(fā)電機的容量，發(fā)電機組在帶UPS負載時(shí)，只要加大發(fā)電機的容量，其瞬態(tài)特性就會(huì )大大的增強，而發(fā)電機組的輸出有功功率其實(shí)并未增加，因而采用這種所謂“小馬拉大車(chē)”的方式來(lái)解決非線(xiàn)性負載的問(wèn)題。即柴油機的功率按照所有負載有功功率之和略大來(lái)選擇，發(fā)電機功率則按照上面所說(shuō)的方法來(lái)配置。該方案可以在滿(mǎn)足使用要求的前提下，大幅度減少投資，同時(shí)也避免柴油機產(chǎn)生長(cháng)時(shí)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(zhù)手。通過(guò)諧波治理來(lái)達到消除系統諧波的目的，從而消除其對發(fā)電機組的影響。

 

圖3  中壓發(fā)電機帶非線(xiàn)性負載能力示意圖

圖4  柴油發(fā)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(fā)電機組自啟動(dòng)工作流程動(dòng)態(tài)圖如圖5所示。

1、發(fā)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(kāi)關(guān)電源等設備，根據實(shí)際使用狀況和發(fā)電機組的相關(guān)參數，可采用如下方法來(lái)確定發(fā)電機組功率的大?。?/span>

      當機房未做諧波治理時(shí)：

（1）發(fā)電機組功率＝（6脈沖UPS的輸入功率×1.6）＋其他負載功率；

（2）發(fā)電機組功率＝（12脈沖UPS的輸入功率×1.4）＋其他負載功率；

（3）發(fā)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(fā)電機組的輸出有功功率滿(mǎn)載時(shí)，視在功率還存在富余量。因此，從功率因數的角度來(lái)看，目前發(fā)電機組中發(fā)電機的容量得不到全面利用。發(fā)電機組0.8的額定輸出功率因數過(guò)低，應該提高。

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

      綜合以上的幾點(diǎn)因素，現有柴油發(fā)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(guān)鍵基礎設施，對電力供應的可靠性要求非常高，柴油發(fā)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(fā)電機組應具備故障自恢復能力，能夠在發(fā)生故障后自動(dòng)切換到備用機組，并及時(shí)通知運維人員進(jìn)行維修。

（2）平穩切換能力：柴油發(fā)電機組需要能夠與電力公司的電網(wǎng)平穩切換，以防止發(fā)生電網(wǎng)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(cháng)時(shí)間連續運行能力：柴油發(fā)電機組需要具備長(cháng)時(shí)間連續運行的能力，以滿(mǎn)足應急供電系統在電網(wǎng)故障時(shí)的長(cháng)時(shí)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(chǎng)所，為了保障數據安全，柴油發(fā)電機組需要具備以下安全性要求：

（1）防火安全：柴油發(fā)電機組應采用防火材料進(jìn)行封裝，避免因發(fā)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(fā)電機組在運行時(shí)會(huì )產(chǎn)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(huán)境造成危害。

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

 

 

圖5  中壓柴油發(fā)電機組自啟動(dòng)工作流程動(dòng)態(tài)圖

 

總結：

      中壓柴油發(fā)電機供電系統由柴油發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機控制屏、交流發(fā)電機、發(fā)電機出口開(kāi)關(guān)柜、接地電阻柜、PT柜及出線(xiàn)柜等組成。每個(gè)供電系統的柴油發(fā)電機的數量根據“N+1”原則（N臺的總功率滿(mǎn)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(fā)電機是數據中心的后備電源，而且價(jià)格較為昂貴，所以通過(guò)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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