康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	20KV市电配套柴油发电机的技术改造方案

 

摘要：在中国的很多地区逐渐采用的是20KV电制市电，但是在中国市场上没有这款类型的20KV/50HZ柴油发电机组成品购买渠道，只能向国外发电机组厂商通过定制方式获得。很显然，通过定制获得的柴油发电机组由于零部件的独立性将会给以后的维修和保养造成极大的困难，因此站在有利于后期运营的角度，必须为自己选择通用性强的柴发。目前，在现有的市场上主要存在着400V和10KV两种电压的柴油发电机组，根据这两种不同电压，康明斯公司以6台备用2000KW项目需求为例，介绍以下三种为20KV电制市电配置的柴油发电机组技术改造方案。

 

一、柴发并联的目的和调节系统

 

      目前，随着企业业务的不断增长，数据中心日常所消耗的能源也呈同步增长趋势，一旦发生市电中断故障，单台柴油发电机根本满足不了数据中心后备电源容量需求，所以，往往需要多台发电机组并机运行。为了提高电力系统运行的经济性和系统可靠性，这就要求系统控制逻辑上不仅要求发电机组本身具有良好的性能，而且要求各发电机组间合理承担下游系统中的有功和无功负荷，这些要求集中反映在对柴油机的调速系统和同步发电机的调压系统。

1、下垂控制（Droop Contol）

      为了保证柴油发电机组并机运行的稳定性，往往采用下垂控制，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压，其特性曲线如图1所示。这种控制方式对各发电机组输出的有功功率和无功功率分别控制，无需各发电机组间的通信协调，实现各发电机组之间的对等控制，保证了柴油发电机组并机系统的供需平衡和频率稳定。

      下垂控制采用了电压、电流双环控制，电流内环动态响应速度快，用来提高发电机组的电能质量，电压外环控制器动态响应速度较慢，可以控制系统的输出电压，并产生内环参考信号。首先利用测量模块采集负荷点的电压和电流，计算出发电机组的输出瞬时有功、无功功率，再经过低通滤波器LPF得到相应的平均功率；假设额定频率运行时，发电机组输出的有功功率为P，F、U分别为电力系统的频率和额定电压幅值，通过下垂环节得到输出频率和电压幅值的指令，再通过电压合成环节产生参考电压，然后，参考电压将作为电压电流双环节控制器的输入。 

2、调速（有功-频率控制）系统

      以同步发电机的额定功率fN为基准值，当下游负载的有功功率增加到Pred，则同步发电机的输出频率下垂到fref这个新的稳定值，AB段的斜率即为同步发电机的静态调差系数

mp，Δf=fref-fN，ΔP=PN-Pred

      在柴油发电机组并联运行时，各发电机动态调整各自的频率和功率，直至满足所有负载需求。若各发电机组容量相同，则静态调差系数也相同，输出功率自然也相同；若发电机组容量不同，则单机容量较大的发电机组静态调差系数较大，发电机组承担的下游负载自然也更多。

3、调压（无功-电压控制）系统

      同理，CD段的斜率称为同步发电机的无功-电压下垂控制系数nq，反应了发电机组无功功率增量与端电压偏差的关系，且

ΔU=Uref-UN，ΔQ=QN-Qred

      由同步发电机励磁功率单元控制框图可知，经过测量环节与调差环节的计算得出参考电压，然后在与发电机端电压进行比较（其中调压器为PI控制），使得发电机端电压始终迅速跟踪电压指令。

      柴油发电机组并联运行中，常出现功率分配不均匀现象，过度功率分配不均匀将会严重影响电站系统运行的安全性和可靠性，且会对发电机组产生严重危害。因此，在设备并联系统安装完毕后，应对其进行性能测试，如图2所示。

 

图1  柴油机加载降频的下垂特性曲线图

图2  柴油发电机组并联后测试

二、 6台400V低压柴发并机（方案1）

 

      400KV高压柴油发电机组实物外形如图3所示，接线示意图如图4所示。

1、低压并机方案说明

（1） 由于受困于并机母排电流6300A限制，6台低压发电机组并机运行必须在高压侧才能实现。因为6台功率为2000KW/电压400V发电机组并机电流将达到2万多安，无法设计并机母排。

（2）我国现有的并机技术相当成熟，无论是在低压并机和高压并机控制方面，都出现了优良的解决方案。据此在本方案中我们选择了6台400V柴油发电机组通过6台变压器将每台柴油发电机组电压升到20KV，在20KV侧实行并机控制，达到6台低压发电机组并机运行目的。并机后与市电在20KV侧切换，为项目提供备用电源。

（3）馈电系统沿用市电运行时的馈电系统，在备用电源系统中不加更改。

2、低压并机方案优势

（1）通过并机功能将整个项目备用电源（6台柴油发电机组）集中在一起成为备用电站，方便设备维护和管理。

（2）将备用电源升至高压后传输节约了电传输过程中的成本（电缆及电损失）。

（3）馈电系统方面沿用市电系统设计，特别适用于改造系统。

3、低压并机方案缺点

（1）为了提高系统可靠性，发电机组数量需增加（如采用N+1或N+2系统），增加了系统初次投资。

（2）在整个系统中每台柴油发电机组均需配置低压电柜，变压器和高压电柜，多出了数量不小的低压或高压电柜，初次投资设备成本高，同时也增大了设备的占地面积。

 

图3  2000KW低压康明斯电力发电机组（400V）

图4  400V低压柴油发电机组并机线路图

 

三、6台10kV高压柴发并机（方案2）

 

      10KV高压柴油发电机组实物外形如图5所示，接线示意图如图6所示。

1、高压并机方案说明

（1）本方案中我们采用了10KV高压柴发，在10KV母排侧实现6台2000KW并机，再通过升压变压器将发电机组输出电压升到20KV，与市电在20KV侧切换，为项目提供备用电源。

（2）馈电系统采用市电运行时的馈电系统，在备用电源系统中不加更改。

2、高压并机方案优势

（1）将整个项目备用电源集中在一起成为备用电站，方便设备维护和管理。

（2）同时将备用电源升至高压后传输节约了电传输过程中的成本（电缆及电损失）。

（3）在现有的数据中心项目中，相关项目采用了10KV等级相关设备如冷水空调等，可直接在10KV侧与市电切换，减少了变压器配置，同时也节省了能量在变压器处的损耗。

（4）馈电系统方面沿用市电系统设计，同样适用于改造系统。

（5）与方案1比较在整个系统中每台柴油发电机组少配置低压电柜，也减少了变压器数量配置和高压电柜的数量，初次投资设备成本降低。

3、高压并机方案缺点

（1）为了提高系统可靠性，发电机组数量需增加（如采用N+1或N+2系统），整个系统初次投资将增加。

（2）与方案1比较柴油发电机组采用高压柴发机组，对柴油发电机组操作工人要求提高，增加了柴油发电机组运行和保养中的人工费用。

 

图5  2000KW高压康明斯发电机组（10KV）

图6  10kV高压发电机组并机线路图

四、400V柴发与变压器一对一切换（方案3）

 

1、单机供电方案说明

      如图7所示，本方案采用400V柴油发电机组在市电低压变压器侧实现一对一切换，或将系统按楼层分成N个系统，将少量柴油发电机组并机后再与市电变压器在低压侧分别切换。将项目分成N个系统是为了适应柴油发电机组不能多台并机的特点，降低系统总需求量。香港NTT项目就是采用这样的方案。 众所周知，切换的可靠性要高于并机系统可靠性。任何需要满足uptime T4认证要求的项目建议采用2N柴油发电机组系统方案，供电架构如图8所示。

2、单机供电方案优势

      可靠性高，配置简单。这是所有方案中可靠性最高的一种方案。当项目将可靠性视为最重要因素时，建议选择此种方案。

3、单机供电方案缺点

（1）由于是低压机组，其传输电缆成本较高，传输电损失相对也高。

（2） 为了降低项目柴油发电机组配置数量，采用此方案时设计工程师应合理设计和布置负载，使备用机组尽可能在大功率条件下输出。

（3） 由于低压输送中传输电缆成本较高，因此在设计时应合理布置柴油发电机组位置，尽量减少低压电缆的长度。

（4）由于需调整低压变压器后负载，本方案不适用于改造项目。

 

图7  400V柴油发电机组与市电切换线路图（单机）

图8  2N柴油发电机组系统供电架构（五选二）

 

五、方案对比选择

 

      在初步了解了以上三种方案以后，各位用户是否迫切想知道以上三种方案的经济对比情况呢？下面是我们康明斯柴油发电机组项目工程师根据以上所讲内容，以6台柴油发电机组需求为例对三种方案进行配置需求，大家可以根据下表1中的配置要求及数量和各企业的预算定额进行三种方案的经济方案对比。

表1    三种康明斯发电机组配置方案优缺点对比分析表

 

总结：

      没有哪一种柴发供电方案是万能通用的，不同应用需求，将会有不同方案选择。只有根据项目自身的需求，才能选择最适合项目的技术方案。康明斯公司在本文中列出各种可行的方案和各个方案的优点和缺点供用户参考，希望各位用户在项目的具体应用中根据具体项目需求选择项目最合适的柴油发电机组配置方案。

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