康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机带超前负载能力和LAM模块技术

 

摘要：针对IDC数据中心动辄几万kW的功率要求，传统的低压发电机并机输出的额定电流之和已经突破了汇流铜排和断路器的额定电流极限（一般为6400A），在400～690V的低压系统无法满足要求的情况下，现代IDC数据中心对柴油发电机组的要求往高压、大容量和多机并机的方向发展，为了实现更高可靠性，往往在传统控制技术基础上，发展出了发电机组的冗余控制，甚至发电机的AVR自动电压调节器需要具备主备两套AVR，自动互为备用或者采用多通道智能数字化DVR配置运行，当发电机组控制器、AVR故障或DVR其中一个通道出现故障时，系统自动切换到备用发电机组控制器、AVR或DVR另一个通道运行，不影响系统的正常运行。

 

另外，针对IDC数据中心大容量空调压缩主机电动机首次单步突加负载的要求以及美国NFPA110等消防法规对首次单步突加负载能力（负载接受能力）的要求，发电机厂家都有针对性地推出了解决方案，像PMG和辅助绕组等传统技术的基础上，结合快速发展的数字技术，发展出了利莱森玛的负载接收模块（Load Acceptance Module，LAM）技术、康明斯发电机技术、CGT和巴斯勒BASLER的DWELL技术，以下以利莱森玛的LAM技术举例说明：

 

 一、柴油发电机组带载能力的定义

 

柴油发电机组最大带载能力是指机组的额定功率，也就是所有能带的负载的总功率，在这个功率下无过载能力，每年运行时间不能超过200小时。

带负载能力，就是代表器件的输出电流的大小。 带负载能力是指，外接器件后，输出的电压或电流大小不受影响的能力。 内阻越小，能够输出大功率的潜力就越大. 这还要看负载配不配合。要求负载电阻大，能够输出电压大，这并不能说明它的带载能力就强，相反，在负载电阻很小的情况下，它也能输出很大的电压，这才是带载能力强。

 

柴油发电机组功率足够的前提下，发电机在超负荷的情况下也会保证足够的转速，这时候发电机的绕组电流超过了额定值，会发热严重，直至烧毁！

 

二、发电机的负载接收模块（LAM）技术

 

由于现代柴油机均采用涡轮增压技术，升功率越来越大，气缸的平均有效压力（BMEP）也越来越大，突然加大负载时，发动机转速会瞬间大幅度降低，每分钟几万转高速旋转的涡轮增压器的转速会降低更多，依靠涡轮增压器进行压气的发动机进气量会降低较多，即使调速系统快速反应，加大喷油量，但由于进气量不能及时跟上，喷入气缸的燃油不能完全燃烧，大部分燃油变成黑烟排放浪费了，导致发动机的输出功率增加有限，因而需要固有的恢复时间。与自然吸气发动机相比，柴油机恢复到额定转速需要更长的时间，如果在发电机的调压系统不考虑柴油机的这一特性，不考虑柴油机和发电机的反应时间存在较大差异这一因素，不考虑从优化发电机组整体电气指标，只片面追求发电机自身的电气指标，那么应通过瞬时增加励磁电流将输出电压快速恢复到额定值。如前所述，由于现代大功率柴油机普遍采用涡轮增压技术而存在的固有滞后效应，此时发动机的转速是无法像发电机那样快速恢复到额定值的，而柴油机的输出功率与转速是成比例的，瞬间就增加了励磁的发电机，输出电压也瞬间达到甚至超过额定值，实时功率需求基本等于甚至大于额定功率了，被拖慢的柴油机的输出功率肯定远远低于额定功率，在存在比较大的瞬间功率缺口的情况下，柴油机的瞬间转速会进一步拖低，严重时甚至会拖死、停机，发电机输出电压会再次跌落，形成几次反复，从而输出不稳定的电压，相对于快速稳定电压的初衷，可谓欲速则不达，LAM正是解决了柴油机和发电机协同工作，应对突加负载的一项技术。

 

当LAM检测到频率下降超过额定电压值的4％左右时（可设置），LAM会改变传统发电机的AVR，试图瞬间大幅增大励磁电流，提高输出电压到额定电压甚至输出电压过冲（超过额定输出电压），令增压柴油机的负载不减反升，导致柴油机不堪重负，最终死火或者转速崩溃，对此应针对增压型柴油机因高速增压器的转速下降较多，增压器进气量短时间严重不足，即使油门开到最大，柴油机输出功率也无法快速增加，导致提速较慢的机械特点，采取先逐步提高励磁电流，使电压保持在一个既对柴油机起到减载缓冲的效果，同时又不会影响负载正常工作的较低输出电压值。由于发电机输出功率（P＝（UxU）/R），因此发动机的负载（即发电机的输出）相应成二次方地降低，从而帮助发动机能够在较低的负载水平下迅速恢复转速，增压器的转速恢复到正常额定转速之后，柴油机的进气量才能达到额定的设计水平，此时柴油机才有可能输出额定功率，等增压型柴油机的转速慢慢恢复到额定值之后，再次逐步增大励磁电流，从而恢复输出电压至额定值，从输出电压波形图中可以明显看到，有LAM功能的发电机的输出电压不会像没有LAM功能的发电机的输出电压那样，即电压有效值波形幅值在上下振荡多次之后慢慢收敛，而是在瞬间跌落之后，等转速接近或达到额定值之后，逐步恢复到额定电压值。

 

LAM电位器一般有两档设置，即8％和15％。当设置8％时，若瞬间突加大负载，柴油机承受的负载减少值大约是额定值的（100％-8％）的二次方，即84.64％，相当于实际加载到柴油机的负载减少值相当于负载铭牌容量的15％；若设置15％，若瞬间突加大负载，柴油机承受的负载减少值大约是额定值的（100％-15％）的二次方，即72.25％，相当于实际加载到柴油机的负载减少值为负载铭牌容量的28％，通过发电机的LAM值的优化设定，找到发电机电压快速恢复和发动机转速快速恢复的最佳平衡点，柴油机的性能和发电机的性能才能完全匹配，达到发电机组的最佳输出性能。

 

L公司的LAM的专利技术，能帮助发动机在突加负载时快速恢复转速，从而满足电压降和频率降幅值和恢复时间的要求，轻松应对GB2820标准中G3性能等级要求。

 

三．发电机带超前负载能力

 

针对数据中心的容性负载，通过采用较大的定子绕组线圈的截面积，以成型绕组代替散嵌绕组等技术工艺，降低发电机的次暂态电抗，降低发电机的PQ运行特性曲线的粗实线拐点的功率因数，即提高发电机能够承担的最高容性负载比例，例如通过采用各种工艺，使发电机的次暂态电抗由2.5P．U．降低到2.0P．U．，发电机的PQ运行特性曲线粗实线拐点的功率因数由超前0.97降低到超前0.92。

柴油发电机的典型带载特性曲线（发电机的PQ运行特性曲线）如图1所示。

 

发电机的PQ运行特性曲线

 

通常柴油发电机组带容性负载能力较弱，而且呈快速衰减回缩。在轻载模式下，要尽量减少发电机组的带容性负载，当容性负载小于20％时，上升速率较为平稳，在发电机的处理能力之内。如果大于30％，则面临较大的过电压的风险。 

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