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中压柴油发电机组选型计算与容量匹配 |
摘要：中压发电机组的选型通常根据后端负载的整体容量进行排列组合，功率段基本集中在1800～2400kW主用（PRP）功率范围。中压柴油发电机组因其并机的数量可扩展性强，目前的并机技术可连续32台，通过BTB（母线与母线）的型式可扩展至256台，给大容量的Power Plant等提供了满足容量的刚性需求。目前，并机均采用分布式，每台柴油发电机组控制系统除了具备各种参数显示、故障报警、自启动-停机及保护功能外，还自带负载分配、功率管理、CAN通信等，为分布式应急电源提供了优势的条件。
一、发动机的选型方法和要求
1、稳定性要求
应急供电系统的运行对电力供应的稳定性要求非常高，发动机需要具备以下稳定性要求：
（1）输出稳定性：
发动机在运行过程中，输出电压和频率应保持稳定，在额定负载下波动范围应控制在合理范围内。
（2）负载适应能力：
发动机应具备较好的负载适应能力，能够在不同负载条件下保持稳定输出。
（3）快速起动能力：
发动机需要在电网停电后能够迅速启动，以确保应急供电系统的连续供电，自启动智能系统如图1所示。
2、节能环保要求
随着环保意识的增强，应急供电系统发动机也需要具备一定的节能环保要求：
（1）燃油经济性：
发动机需要具备较低的燃油消耗率，以降低运行成本并减少对环境的影响。
（2） 噪音控制：
发动机在运行时会产生噪音，需要采取降噪措施，以减少对周围环境和人员的影响。
（3）废气处理：
发动机在运行时产生的废气需要经过处理，以减少对大气环境的污染。尾气处理装置工艺流程如图2所示。
3、选型方法
（1）根据功率选型：
根据不同的应用场合选择不同类型的发动机，主要考虑发动机的关键特性-带载能力。
（2）根据环保要求选型：
集中在该功率段区域调速方式分为两种，一种为电子调速，二种为电喷（中压共轨电喷），区别主要是排放等级的区别。
（3）根据燃料需求选型：
柴油、燃气和重油等，不同的地区其燃料的储备优势不一样。
应急供电系统柴油机的技术要求包括稳定性、可靠性、安全性和节能环保性。只有具备这些要求，才能保证应急供电系统在电网故障时能够持续稳定地运行，为各行各业提供高效可靠的数据服务。
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图1 柴油发电机组与市电转换系统监测功能框图 |
图2 柴油发电机组尾气处理装置工艺流程 |
二、发电机的选型方法和要求
在应急备用柴油发电机组电压等级一般分为低压（108～690V）、中压（6.3～15kV），目前行业内发电机的最中压等级为15kV，高出此电压等级的只能采用升压变压器升压后并机的方式进行选型。康明斯公司极力推荐应选用斯坦福同步无刷发电机，因为其维护简单，采用DVR数字式自动电压调节器，电压稳定，抗干扰性能强，可选永磁励磁发电机，提高非线性负载的承载能力；按照F级绝缘F级温升进行选型；同时发电机带载能力的大小与发电机本身的性能有关外，还与其自身几个关键参数相关，其参数值的大小直接影响带不同负载的带载能力；主要包括直轴瞬态电抗值、直轴超瞬态电抗值、功率因数对外部的谐波（例如3次、5次、7次谐波等）。
1、Xd直轴同步电抗
Xd是代表发电机磁饱和值，决定发电机运行曲线上的安全区域，当发电机运行在最高的磁通值时，Xd电抗是最低的，其值的大小也反映了发电机性能的优劣。
2、X'd直轴瞬态电抗
X'd是代表发电机运行中三相突然短路瞬变的过渡电抗。直轴瞬变电抗是发电机额定转速运行时，定子绕组直轴总磁链产生电压中的交流基波分量在突变时的初始值与同时变化的直轴交流基波电流之比。它也是发电机和整个电力系统的重要参数，对发电机的动态稳定极限及突然加负载时的瞬态电压变化率有很大影响。X'd越小，动态稳定极限越大、瞬态电压变化率越小；但X'd越小，定子铁心要增大，从而使发电机体积增大、成本增加。X'd的值主要由定子绕组和励磁绕组的漏抗值决定。
备注：直轴瞬态电抗的值主要体现发电机带突加大电流的负载能力，值越低其带类似电动机负载的能力越强，主要是带畸变负载。
3、X”d直轴超瞬态电抗
X”d是代表发电机运行中三相突然短路最初一瞬间的过渡电抗。发电机突然短路时，转子励磁绕组和阻尼绕组为保持磁链不变，感应出对电枢反应磁通起去磁作用的电流，将电枢反应磁通挤到励磁绕组和阻尼绕组的漏磁通的路径上，这个路径的磁阻很大即磁导很小，故其相对应的直轴电抗也很小，这个等效电抗称为直轴超瞬变电抗X”d，也即有阻尼绕组的发电机突然短路时，定子电流的周期分量由X”d来限制。结构上，X”d主要由发电机定子绕组和阻尼绕组的漏抗值决定。对于无阻尼绕组的发电机，则X”d＝X'd。
由于X”d的大小影响电力系统突然短路时短路电流的大小，故X”d值的大小也影响到系统中中压输变电设备特别是中压断路器的选择，如动稳定电流等参数。从电气设备选择来说，希望X”d大些，这样短路电流小一些。此值存在矛盾，其值越小，带非线性负载能力越强，但是值越小短路电流又比较大；此值主要反映是带非线性负载；其关系体现如图3所示。发电机带时间常数的瞬态电抗（X'd）和次瞬态电抗（X”d）（共同值Xg），反应其带载能力一个非常重要的体现。
（1）当启动一台电动机，电压下降的百分数将取决于电动机的启动容量（或同时启动的电动机的全部容量的总和）。
（2）最大允许下降值（一般情况）：25％电压下降在发电机接线端，30％电压下降在电动机接线端。
（3）每台发电机的电压下降值，均可使用堵转曲线来计算（每台发电机均有相应的曲线）。
4、根据负载特性选型
主要是选择合适的功率因数，负载功率因数对发电机组输出功率的影响，功率因数分为超前和滞后两种，功率因数越低，给负载供电时对发电机的容量要求越高。商用三相发电机标称为PF是0.8（滞后）。任何时候用发电机给功率因数为超前的负载供电时应特别注意。
如图4所示中，发电机组的功率在蓝色和红色的区域中（面积大的一块），图4左边是功率因数超前，图4右边是功率因数滞后。
（1）当负载功率因数≥0.8（滞后）时，发电机组带载能力由发电机组额定有功功率确定；当负载功率因数＜0.8（滞后）时，发电机组带载能力由发电机组额定视在功率确定。
（2）当负载功率因数≥0.9（超前）时，发电机组带载能力由发电机组额定有功功率确定；当负载功率因数＜0.9（超前）时，发电机组效率下降很快。
备注：具体功率因数的选择，首先要考虑负载本身的功率因数后，再综合考虑发动机、发电机的容量匹配，以保证发电机组选择的综合性价比。
5、励磁方式及谐波对带载能力的影响
励磁方式对发电机带非线性负载的能力起着关键性的作用，具体参照励磁方式的对比；发电机的选型也需充分考虑外部谐波对其造成的影响。
非线性负载会向柴油发电机组反射大量的谐波，其中5次和7次谐波危害最严重，尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时这种危害就更明显。根据有关资料研究表明，发电机组输出侧的负载总谐波电流超过发电机组额定电流的5％时，就可能引起油机振荡、稳定时间延长，并使发电机组输出实际容量降低10％。除此之外，由于发电机组的内阻相对市电来说大很多，由谐波电流引起的电压畸变就大很多，再加上发电机组本身也会产生谐波，其后果将出现发电机组输出电压严重失真和负载设备误动作，严重时会损坏AVR和负载设备。为了消除发电机组自身产生的谐波，目前各厂家通行的做法是选用2/3节距的发电机，可消除3次谐波，但无法消除5次和7次谐波，见表1。
表1 不同节距的发电机对发电机组输出谐波的抑制效果
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3次谐波
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5次谐波
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7次谐波
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8／9节距
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12%
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32%
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60%
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7／8节距
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50%
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82%
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30%
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2／3节距
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100%
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10%
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12%
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目前，中压发电机除了2/3节距，还有5/6不规则的节距，同样是处于对谐波抑制的设计考虑。要解决发电机组所面临的谐波问题，可从以下两方面着手：
一方面是从消除谐波对发电机组的影响着手，即提高发电机组抗谐波干扰的能力。此时需选用额定功率比正常需求大很多的发电机组，一般发电机组功率为UPS容量的若干倍再加上其他一般负载，这样可以有效提高发电机组对谐波时的瞬态特性。但这样将大幅度增加投资，可以通过采取一些特殊的措施，在改善发电机组的运行性能的时获得更好的经济效益。
（1）选用永磁他励（PMG）发电机
因PMG系列发电机的电子自动调压系统AVR独立于发电机的机械系统，功率源从副励磁机电枢绕组取得。在发电机负载和转速突变时，该系统不受发电机机械过渡过程的影响，将输出电压调整到额定值。因此，PMG系列发电机的动态电压调整率远小于其他励磁发电机，并有较好的动态稳定性，可提高发电机带非线性负载能力。由于PMG系统提供一个与定子输出电压波形畸变及大小无关的恒定的励磁电源，因而能提供较高的电动机启动承受能力，并对非线性负载产生的主机定子输出电压的波形畸变具有抗干扰性。
（2）在不增加柴油机功率的条件下，配置一台较大容量的发电机
以提高发电机组带非线性负载的能力。通常柴油机和发电机的功率匹配关系是柴油机净输出机械功率略大于发电机功率，发电机组的输出有功功率大小取决于柴油机的功率，而视在功率则主要取决于发电机的容量，发电机组在带UPS负载时，只要加大发电机的容量，其瞬态特性就会大大的增强，而发电机组的输出有功功率其实并未增加，因而采用这种所谓“小马拉大车”的方式来解决非线性负载的问题。即柴油机的功率按照所有负载有功功率之和略大来选择，发电机功率则按照上面所说的方法来配置。该方案可以在满足使用要求的前提下，大幅度减少投资，同时也避免柴油机产生长时间低负载运行的几率，提高其使用可靠性。
另一方面是从消除负载谐波着手。通过谐波治理来达到消除系统谐波的目的，从而消除其对发电机组的影响。
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图3 中压发电机带非线性负载能力示意图 |
图4 柴油发电机组工作区域图 |
三、机组容量的匹配和运行要求
中压柴油发电机组自启动工作流程动态图如图5所示。
1、发电机组容量匹配系数
现有的通信机房中除了UPS外，一般还有空调、开关电源等设备，根据实际使用状况和发电机组的相关参数，可采用如下方法来确定发电机组功率的大小：
当机房未做谐波治理时：
（1）发电机组功率＝（6脉冲UPS的输入功率×1.6）＋其他负载功率；
（2）发电机组功率＝（12脉冲UPS的输入功率×1.4）＋其他负载功率；
（3）发电机组功率＝（IGBT型式UPS的输入功率×1.1）＋其他负载功率；
2、功率因素的匹配要求
由前可知，以典型通信机房的功率因数均大于0.9为例，当发电机组的输出有功功率满载时，视在功率还存在富余量。因此，从功率因数的角度来看，目前发电机组中发电机的容量得不到全面利用。发电机组0.8的额定输出功率因数过低，应该提高。
另外，发动机由于老化会导致性能下降，即发动机可输出的有功功率会随之下降。而发电机的性能一般比较稳定，即发电机组可输出的视在功率比较稳定。随着时间的推移，发电机容量的富余量会越来越大。但从谐波的角度看，由于通信机房内谐波的存在，特别是5次、7次谐波的存在，要求发电机组具有较强的瞬态响应特性，以避免谐波对发电机组的正常运行造成影响。如此一来，又要求发电机的配置相对发动机来说越大越好。另外，从发电机组经济性上分析，发电机组的主要成本在发动机部分，发电机是相对而言比较经济的部分，用较经济的成本换取发电机组更好的瞬态响应特性。
综合以上的几点因素，现有柴油发电机组采用0.8的额定功率因数是合理的。
3、机组可靠性要求
应急供电系统作为关键基础设施，对电力供应的可靠性要求非常高，柴油发电机组需要具备以下可靠性要求：
（1）故障自恢复能力：柴油发电机组应具备故障自恢复能力，能够在发生故障后自动切换到备用机组，并及时通知运维人员进行维修。
（2）平稳切换能力：柴油发电机组需要能够与电力公司的电网平稳切换，以防止发生电网恢复后的电压冲击，对应急供电系统的电力设备造成损坏。
（3）长时间连续运行能力：柴油发电机组需要具备长时间连续运行的能力，以满足应急供电系统在电网故障时的长时间供电需求。
4、机组安全性要求
应急供电系统是承载大量敏感信息的场所，为了保障数据安全，柴油发电机组需要具备以下安全性要求：
（1）防火安全：柴油发电机组应采用防火材料进行封装，避免因发生火灾而对应急供电系统造成安全隐患。
（2） 排放安全：柴油发电机组在运行时会产生废气，需要采取相应的排气系统，将废气安全排放到室外，避免对人员健康和环境造成危害。
（3）监控安全：柴油发电机组需要配备完善的监控系统，能够实时监测各种参数，如温度、压力等，及时发现故障并采取相应的措施。
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图5 中压柴油发电机组自启动工作流程动态图 |
总结：
中压柴油发电机供电系统由柴油发动机、发电机控制屏、交流发电机、发电机出口开关柜、接地电阻柜、PT柜及出线柜等组成。每个供电系统的柴油发电机的数量根据“N+1”原则（N台的总功率满足负荷需求，另1台作为备用）确定，保证用电负荷正常运行。需要注意的是，因柴油发电机是数据中心的后备电源，而且价格较为昂贵，所以通过电气保护措施保证其安全运行是电气设计中的一项重要工作。
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