摘要：民用柴油发电机组可根据GB标准的性能等级来选择功率和机型，以适合工厂的供电用途和实际需求。在柴油发电机组确定方案后，应如何核验柴油发电机组方案设计能否符合自己的实际需求。因此，康明斯公司本文提出的计算公式目的是通过计算确定该方案是否可行。根据常用的柴油发电机容量选择和校核方法，现行《厂用电技规DL/T 5153-2002》与《电力工程设计手册》略有不同，本文所述计算公式拟分别按两种方法计算和校核。
一、柴油发电机组性能等级
根据国家标准《往复式内燃机驱动的交流发电机组》GB/T 10304，柴油发电机组性能等级可以分为四级，分别是G1级、G2级、G3级和G4级。这些等级分别对应不同的应用场景和性能要求，从基础的照明负载到对电能质量有特别严格要求的数据处理设备，各级别在稳态电压偏差、瞬态电压偏差、频率偏差及恢复时间等关键指标上均有明确的规定。
1. G1级性能要求
（1）G1级适用于只需规定其电压和频率的基本参数的连接负载，主要作为一般用途，如照明和其他简单的电气负载。该级别对电压和频率的允许偏差较宽，适用于对供电质量要求不高的场合。
（2）G1级的典型性能参数包括：频率降≤8%，稳态频率带≤2.5%，相对的频率整定下降范围≥2.5%，相对的频率整定上升范围≥+2.5%。瞬态频率偏差方面，100%突减功率时≤+18%，突加功率时≤-15%，频率恢复时间te.in≤10s、te.de≤10s，相对的频率容差带3.5%。稳态电压偏差≤±5%，瞬态电压偏差在100%突减功率时≤+35%，突加功率时≤-25%，电压恢复时间Tu.in≤10s、Tu.de≤10s，电压调制按协议确定。在用单缸或两缸发动机的发电机组情况下，部分值可达2.5。
（3）G1级主要适用于照明系统、电热设备、简单的电动工具及其他对供电连续性要求不高的普通负载。该等级不要求电压波形正弦性畸变率的严格控制，也不要求瞬态响应的高精度，是四种等级中要求最低的级别。
2. G2级性能要求
（1）G2级适用于对电压特性与公用电力系统有相同要求的负载。当其负载变化时，可有暂时的然而是允许的电压和频率偏差，如照明系统、泵和风机等。G2级是民用建筑中最常用的等级，其供电质量与公用电力系统相当。
（2）G2级的典型性能参数包括：频率降≤5%，稳态频率带≤1.5%，相对的频率整定下降范围≥2.5%，相对的频率整定上升范围≥+2.5%。瞬态频率偏差方面，100%突减功率时≤+12%，突加功率时≤-10%，频率恢复时间te.in≤5s、te.de≤5s，相对的频率容差带2%。稳态电压偏差≤±2.5%，电压调制≤0.3%，瞬态电压偏差在100%突减功率时≤+25%，突加功率时≤-20%，电压恢复时间Tu.in≤6s、Tu.de≤6s，电压不平衡度1%。
（3）G2级适用于照明系统、泵类、风机、卷扬机、普通机床等常规动力设备。该等级允许在负载突变时出现短时的电压和频率偏差，但在数秒内应恢复到规定的稳态范围内。对于不需要并联运行的场合，转速和电压的整定不变是允许的。对用涡轮增压发动机的发电机组，这些数据适用于按GB/T 2820.5图6和图7增加最大允许功率的情况。
3. G3级性能要求
（1）G3级适用于对频率、电压和波形特性有严格要求的连接设备，如无线电通信和晶闸管整流器控制的负载。该等级要求更高的供电质量，特别关注电压波形畸变率对整流设备的影响。
（2）G3级的典型性能参数包括：频率降≤3%，稳态频率带≤0.5%，相对的频率整定下降范围≥2.5%，相对的频率整定上升范围≥+2.5%。瞬态频率偏差方面，100%突减功率时≤+10%，突加功率时≤-7%，频率恢复时间te.in≤3s、te.de≤3s，相对的频率容差带2%。稳态电压偏差≤±1%，电压调制≤0.3%，瞬态电压偏差在100%突减功率时≤+20%，突加功率时≤-15%，电压恢复时间Tu.in≤4s、Tu.de≤4s，电压不平衡度1%。
（3）G3级适用于无线电通信设备、晶闸管整流器控制的负载、精密仪器、医疗设备等对电能质量有严格要求的负载。特别应注意，对于整流器和晶闸管整流器控制的负载，都需有特殊考虑负载对发电机电压波形的影响，需要关注发电机的2/3节距绕组设计和电压波形正弦性畸变率。对不大于10kVA的小型机组，相关指标有单独规定。当考虑无功电流特性时，对带同步发电机的机组在并联运行时的最低要求为频率源移范围应不超过±0.5%。
4. G4级性能要求
（1）G4级适用于对频率、电压和波形特性有特别严格要求的负载，如数据处理设备或计算机系统。该等级要求最为严格，各项指标需按制造厂商与用户之间的协议确定。
（2）G4级的性能参数需由制造厂商与用户协商确定，典型要求包括：频率降、稳态频率带、频率整定范围、瞬态频率偏差及恢复时间均按协议确定，通常要求比G3级更为严格。稳态电压偏差≤±1%，电压调制、瞬态电压偏差和电压恢复时间均按协议确定，通常要求突减功率≤+15%、突加功率≤-15%，电压恢复时间≤3s，电压不平衡度1%。在并联运行的情况下，电压不平衡度应减为0.5%。
（3）G4级适用于大型数据中心、金融结算中心、空中交通管制系统、医院手术室和重症监护室、半导体制造厂等对供电质量有特别严格要求的场所。这些场所的负载对电压中断、电压暂降、谐波畸变和频率偏移极为敏感，任何超出规定范围的偏差都可能导致设备故障、数据丢失或生产中断。G4级发电机组通常需要配合PMG永磁励磁系统（以保证在非线性负载下电压波形畸变率≤5%）、高精度电子调速器（稳态频率偏差≤±0.25%）和数字式AVR（稳态电压偏差≤±0.5%）等高级配置，以满足最严格的供电质量要求。
5. 性能等级的综合对比与选型建议
（1）四个性能等级在频率降、稳态频率带、瞬态频率偏差及恢复时间、电压偏差与调制等参数上逐级加严。从G1级的频率降≤8%到G3级的≤3%，从G1级的稳态电压偏差≤±5%到G3级的≤±1%，体现了对供电质量要求的阶梯式提升。
（2）用户应根据后端负载的敏感程度选择对应的性能等级，避免选型不足或性能过剩。对于仅需应急照明的场所，G1级即可满足要求；对于包含风机、水泵的常规备用电源系统，G2级是经济合理的选择；对于通信基站、精密仪器等场所，应选用G3级；对于数据中心、金融中心等关键场所，必须选用G4级。
（3）选型时还应考虑负载的启动特性和运行特点。电动机类负载启动时的瞬态电压偏差可能触发G3级机组的允许限值，在G3级和G4级应用中，建议对大型电动机采用降压启动或软启动方式，以减小启动冲击。同时，非线性负载（如UPS、变频器）的比例也会影响电压波形畸变率，在G3级和G4级应用中，应优先选用PMG永磁励磁发电机或配置输入滤波器。
因此，在购买柴油发电机组时，一定要根据实际的实用范围和用电主体的特性来选择相应性能等级的柴油发电机组，这样才能保证柴油发电机组的正常使用及供电安全。
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图1 柴油发电机组性能等级基本分类 |
图2 G4级柴油发电机房安装实物案例 |
二、柴油发电机组选型考虑因素
柴油发电机组容量的估算是十分重要也是比较复杂的问题，容量过小，无法带全部负载或者在启动大功率负载时导致突然停机；容量过大，投资及维护成本高，造成经济浪费。而且根据柴油机的特性，如果在小负载下长期工作，将造成活塞环、喷油嘴积炭严重，气缸磨损加剧等损坏发电机组的不良后果。所以在容量估算时需要考虑多方面的因素，包括：使用环境、负载的类型和预留裕量等内容。
1. 使用环境
（1）不同的工作环境会影响发电机组的输出功率。工作环境主要包括环境温度、海拔和相对湿度。当环境温度、海拔过高时，空气密度降低，发电机组运行时燃烧所需氧气供应量减少，发电机组的输出功率应做相应的下调。换而言之，选用的发电机组功率要比负载的功率绝对值高。柴油发电机组的额定功率是在标准状态环境下满负载运行时测得，即：进气温度为27℃，海拔为152.4m，相对湿度为60%。当超过该标准时，标定功率就要有所折扣了。
（2）功率修正的基本规律：海拔每升高300m，功率约下降3%～4%；环境温度每升高5℃（超过27℃后），功率约下降2%～3%。当环境温度达到40℃、海拔达到1000m时，综合功率下降可达8%～12%。在选型时应根据实际环境条件按制造商提供的功率修正曲线进行折算。
（3）值得注意的是，电控柴油机采用了电子喷油控制技术，通过对安装在发电机上的电子控制单元对进气歧管的进气压力、燃油温度的精确测量，控制每个喷油器的喷油正时和喷油量，使得发电机组在非标准环境下有较小的功率下降。电控机组通过进气压力传感器和温度传感器实时修正喷油量，在海拔3000m时功率下降可比机械式机组减少5%～8%。
2. 负载的类型
不同类型的负载对发电机组容量要求相差是很大的，负载类型一般分为电阻性、电感性等线性负载与内含整流电路的非线性负载（又称整流性负载）。阻性负载如灯泡、电炉子、烤箱等，感性负载如空调、机床、水泵等，非线性负载如UPS、电子计算机、程控交换机、PLC设备等。带电阻性负载时，发电机组的容量只需要略大于负载功率。但是在带电感性负载和非线性负载时，容量就需重新计算。
（1）电感性负载对容量的影响
① 电感性负载（如三相笼型异步电动机）的特性是当启动时有很大的电流，而且功率因数大大低于正常运转值。如果直接启动，启动电流值为正常运转时的5～7倍，这就要求发电机组容量足够大满足其启动要求。但是随之而来的问题是发电机组的功率选大了，而正常运行时功率又远小于发电机组额定值，这显然是不经济的。
② 为了减小电动机启动时的影响，往往采用降压启动的方法，就是在启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待电动机转速接近稳定时，再把电压恢复到正常值。一般有以下几种降压方法：星形-三角形（Y-Δ）换接启动（启动电流为直接启动的1/3）、自耦降压启动（设备具有抽头根据启动转矩的要求得到不同电压）、电抗降压启动（启动电流按其端电压的比例降低）、软启动、变频启动。其中Y-Δ法是最经济简单的降压启动方式，但启动转矩也降为直接启动的1/3；软启动可平滑控制启动电流在2～4倍额定电流之间，适用于对启动平稳性要求较高的场合。
（2）非线性负载对容量的影响
① 非线性负载（如电子计算机等）设备都有启动冲击电流、谐波反馈、电流突变等干扰，而且往往对发电机组电压降值有很高的要求，其负载曲线如图3所示。由于柴油发电机组所送出的电源本身不但电压畸变度大，而且随着发电机组的额定输出功率容量的减小，其内阻增大的矛盾会显得更加突出。当带电阻性负载时，这种影响比较小。然而，在带计算机和通信设备这种整流滤波型负载或UPS时，会影响负载的正常运行乃至使用寿命。虽然康明斯电力技术有限公司的发电机组有着优良的电气性能，但出于安全考虑仍应把容量选得大一些。
② 在电压降的要求上，大容量发电机组带较小的负载产生电压降较小，PMG（永磁发电机励磁）比SHUNT（自励）小得多。当SHUNT无刷自励式发电机组带无输入滤波器的UPS时，往往要求容量为UPS容量的2～2.5倍。选择带高效输入滤波器的UPS或带PMG永磁式发电机组则容量匹配可以非常接近（通常1.2～1.5倍）。PMG励磁系统在非线性负载下具有更强的抗谐波能力，可有效抑制电压波形畸变，使输出电压总谐波畸变率（THD）控制在5%以内。
几种负载的参考特性参数见表1：
表1 不同负载时的启动电流和运行电流
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负载电流
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启动时
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正常运行时
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灯泡/电热器等（电阻性负载）
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1倍
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1倍
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荧光灯/水银灯等（卤素负载）
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2.1～2.8倍
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1.2～1.8倍
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钻孔机/喷沙机等（交流整流负载）
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2.0～3.0倍
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1.3～1.6倍
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三相笼型异步电动机等（电感性负载）
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5.0～6.0倍
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1.3～2.0倍
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3. 其他考虑因素
根据现有负载进行计算发电机组容量后，还要加入其他考虑因素，如：是否有些负载可能发生过载的现象，今后是否有扩充负载的需要，建议根据自己的实际需要适量加大发电机组的容量（通常预留10%～20%的裕量）。
另外，在经济条件许可的情况下，建议采用2台或多台发电机组，其中一些发电机组用于敏感的负载（如电子计算机系统和其他电子设备），另一些发电机组则用于不敏感的负载（如电阻性负载和电动机）。防止由于电动机启动时造成发电机组电压波形畸变对敏感性负载的影响。
4. 特殊用途发电机组的选择
特殊用途发电机组的开发和应用，扩大了柴油发电机组的应用范围，拓展了用户的选择空间：
（1）适合于特殊噪声要求场合的静音箱式发电机组（1m处噪声≤75dB(A)）。
（2）城市范围内的短距离应急供电或工程事故抢修供电的防音型拖车发电机组。外形如图4所示。
（3）自备动力，适合于城市范围远距离移动应急供电的车载电站。
（4）适合放置大型发电机组，同时具有防音效果的集装箱发电机组。
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图3 柴油发电机非线性负载示意图 |
图4 移动型柴油发电机组3D外形图 |
三、设备容量校核方法
1. “技规”方法
（1）按发电机带负荷起动一台最大容量的电动机时过负荷能力校验：
式中，——发电机额定容量（kVA）；——计算负荷（kVA）；——最大电动机的额定功率（kW）；——最大电动机的起动电流倍数，取6；——换算系数，取0.8。该公式校验的是发电机在最大电动机启动时能否承受短时过负荷，分母1.5为发电机的短时过载能力系数（通常为1.5倍额定容量，持续2分钟）。
（2）持续1小时运行状态下输出功率校验：
式中，——柴油机实际输出功率（kW）；——计算负荷的有功功率（kW）；——发电机的效率（通常0.92～0.95）；——柴油发电机组的功率配合系数，取1.10。分母1.1为考虑到柴油机在1小时超载运行时的功率裕量要求。
（3）最大电动机起动时母线上的电压水平校验：
式中，——发电机额定容量（kVA）；——最大电动机的起动电流倍数，取6；——最大电动机的额定功率（kW）；——发电机的暂态电抗（标幺值），取0.23。该公式校验发电机母线电压在最大电动机启动时的电压水平，要求（即母线电压不低于额定电压的85%）。
2. “手册”方法
（1）计算长期连续运行所需要的容量：
式中，——连续运行的电动机额定功率之和（kW）；——连续运行的静止负荷之和（kW）；、——系数，分别为0.9和0.32；——运算系数，为0.53；——运算系数，为0.24。系数0.9为电动机的负荷率（即电动机实际运行功率约为额定功率的90%），0.32为静止负荷的需要系数，0.53和0.24分别为电动机和静止负荷的无功运算系数。
（2）计算起动所需要的容量：
考虑严重情况，发电机已带一台机组的起动负荷和静止负荷，达到稳定运行后，再投入另一台机组的成组起动负荷和静止负荷。由于#2柴油发电机组成组起动负荷较#1柴油发电机组为大，可只计算带#1柴油发电机组负荷再投入#2柴油发电机组负荷的情况。
式中，、——为两台机组静止负荷之和（kW）；3.45为电动机启动时的有功运算系数（对应启动电流倍数6倍和功率因数0.3时的等效系数），7.9为对应的无功运算系数。
（3）计算单台电动机起动时所需的容量：
以严重情况，即#1柴油发电机组中盘车投入情况计算：
式中，——#1柴油发电机组的单台自起动电动机中最大的一台电动机（kW）；——与在运行时间上重叠的其它短时运行的电动机容量之和（kW）。
在进行适当的工程假设和理论抽象的基础上，可以在综合考虑诸多影响要素后，对发电机容量校验给出实用的计算公式，并可满足工程要求。确定发电机容量时，应满足稳定计算负荷需要和进行允许电压降校验。其中，选定恰当的电动机启动方式，可使允许电压降校验得以自然满足，且所得发电机容量最为经济合理。当条件允许时，大容量的电动机尽量采用降压启动，以有效减少发电机容量、降低工程造价。
部分人传统观念中的仅以额定容量最大的电动机来校验发电机容量，是不够严谨的，尚应考虑电动机启动方式、距离发电机远近、已接负荷和发电机自身特性等因素的影响。例如，采用Y-Δ启动可将电动机启动电流从6倍额定电流降至2倍额定电流，发电机容量可相应减小30%～40%；电动机距发电机越远，线路阻抗越大，启动时电动机端电压越低，需增大发电机容量或加大电缆截面来补偿。
结语
柴油发电机组性能等级（G1～G4）对应不同的应用场景和供电质量要求——G1级适用于照明等简单负载，G2级适用于泵和风机等常规负载，G3级适用于无线电通信和晶闸管整流负载，G4级适用于数据处理设备和计算机系统。选型时需综合考虑使用环境、负载类型和预留裕量。在确定发电机容量时，应满足稳定计算负荷需要和进行允许电压降校验，大容量电动机尽量采用降压启动以有效减少发电机容量、降低工程造价。传统仅以额定容量最大的电动机来校验发电机容量是不够严谨的，尚应考虑电动机启动方式、配线距离及截面、发电机自身特性和母线上已接负荷等因素的综合影响。掌握正确的选型和校核方法，可确保柴油发电机组在满足供电需求的同时实现最佳的经济性。
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