高壓柴油發(fā)電機(jī)組選型計(jì)算與容量匹配
發(fā)布時間：2024-03-23 點(diǎn)擊：200
高壓柴油發(fā)電機(jī)組選型計(jì)算與容量匹配
高電壓發(fā)電機(jī)組的選型通常根據(jù)后端負(fù)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，進(jìn)行排列組合。高電壓發(fā)電機(jī)組因其并機(jī)的數(shù)量可擴(kuò)展性強(qiáng)，目前的并機(jī)技術(shù)可連續(xù)32臺發(fā)電機(jī)組并機(jī)，通過btb（busbar tobusbar，母線與母線）的型式可擴(kuò)展至256臺發(fā)電機(jī)組并機(jī)，給大容量的數(shù)據(jù)中心、power plant等提供了滿足容量的剛性需求。目前，并機(jī)均采用分布式并機(jī)，每臺發(fā)電機(jī)組本身的控制系統(tǒng)除了具備各種參數(shù)顯示、故障報警、自身的啟動-停機(jī)及各種保護(hù)外，其本身自帶負(fù)載分配、功率管理、can通信、負(fù)載分級管理等，為分布式并機(jī)提供了優(yōu)勢的條件。
一、發(fā)動機(jī)的選型
1、根據(jù)功率選型
根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇不同類型的發(fā)動機(jī)，主要考慮發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵特性-帶載能力。
2、根據(jù)環(huán)保要求選型
集中在該功率段區(qū)域調(diào)速方式分為兩種，一種為電子調(diào)速，二種為電噴（高壓共軌電噴），區(qū)別主要是排放等級的區(qū)別。
3、根據(jù)燃料需求選型
柴油、燃?xì)夂椭赜偷龋煌牡貐^(qū)其燃料的儲備優(yōu)勢不一樣。
二、發(fā)電機(jī)的選型
1、根據(jù)電壓、頻率等級的選型，在應(yīng)急備用柴油發(fā)電機(jī)組電壓等級一般分為低壓（108～690v）、中壓（3.3～4.16kv）、高壓（6～15kv），目前行業(yè)內(nèi)發(fā)電機(jī)的最高電壓等級為15kv，高出此電壓等級的只能采用升壓變壓器升壓后并機(jī)的方式進(jìn)行選型
2、選用斯坦福或利萊森瑪?shù)韧綗o刷發(fā)電機(jī)，維護(hù)簡單，采用dvr數(shù)字式自動電壓調(diào)節(jié)器，電壓穩(wěn)定，抗干擾性能強(qiáng)，可選永磁勵磁發(fā)電機(jī)，提高非線性負(fù)載的承載能力；按照f級絕緣f級溫升進(jìn)行選型；同時發(fā)電機(jī)帶載能力的大小與發(fā)電機(jī)本身的性能有關(guān)外，還與其自身幾個關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)，其參數(shù)值的大小直接影響帶不同負(fù)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(shù)對外部的諧波（例如3次、5次、7次諧波等）。
（1）xd直軸同步電抗
xd是代表發(fā)電機(jī)磁飽和值，決定發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線上的安全區(qū)域，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最高的磁通值時，xd電抗是最低的，其值的大小也反映了發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)行中三相突然短路瞬變的過渡電抗。直軸瞬變電抗是發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，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的初始值與同時變化的直軸交流基波電流之比。它也是發(fā)電機(jī)和整個電力系統(tǒng)的重要參數(shù)，對發(fā)電機(jī)的動態(tài)穩(wěn)定極限及突然加負(fù)載時的瞬態(tài)電壓變化率有很大影響。x＇d越小，動態(tài)穩(wěn)定極限越大、瞬態(tài)電壓變化率越小；但x＇d越小，定子鐵心要增大，從而使發(fā)電機(jī)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(xiàn)發(fā)電機(jī)帶突加大電流的負(fù)載能力，值越低其帶類似電動機(jī)負(fù)載的能力越強(qiáng)，主要是帶畸變負(fù)載。
（3）x”d直軸超瞬態(tài)電抗
x”d是代表發(fā)電機(jī)運(yùn)行中三相突然短路最初一瞬間的過渡電抗。發(fā)電機(jī)突然短路時，轉(zhuǎn)子勵磁繞組和阻尼繞組為保持磁鏈不變，感應(yīng)出對電樞反應(yīng)磁通起去磁作用的電流，將電樞反應(yīng)磁通擠到勵磁繞組和阻尼繞組的漏磁通的路徑上，這個路徑的磁阻很大即磁導(dǎo)很小，故其相對應(yīng)的直軸電抗也很小，這個等效電抗稱為直軸超瞬變電抗x”d，也即有阻尼繞組的發(fā)電機(jī)突然短路時，定子電流的周期分量由x”d來限制。結(jié)構(gòu)上，x”d主要由發(fā)電機(jī)定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定。對于無阻尼繞組的發(fā)電機(jī)，則x”d＝x＇d。
由于x”d的大小影響電力系統(tǒng)突然短路時短路電流的大小，故x”d值的大小也影響到系統(tǒng)中高壓輸變電設(shè)備特別是高壓斷路器的選擇，如動穩(wěn)定電流等參數(shù)。從電氣設(shè)備選擇來說，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，帶非線性負(fù)載能力越強(qiáng)，但是值越小短路電流又比較大；此值主要反映是帶非線性負(fù)載；其關(guān)系體現(xiàn)如圖1所示。發(fā)電機(jī)帶時間常數(shù)的瞬態(tài)電抗（x＇d）和次瞬態(tài)電抗（x”d）（共同值xg），反應(yīng)其帶載能力一個非常重要的體現(xiàn)。
圖1 高壓發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載能力示意圖
●當(dāng)啟動一臺電動機(jī)，電壓下降的百分?jǐn)?shù)將取決于電動機(jī)的啟動容量（或同時啟動的電動機(jī)的全部容量的總和）
●最大允許下降值（一般情況）：25％電壓下降在發(fā)電機(jī)接線端，30％電壓下降在電動機(jī)接線端。
●每臺發(fā)電機(jī)的電壓下降值，均可使用堵轉(zhuǎn)曲線來計(jì)算（每臺發(fā)電機(jī)均有相應(yīng)的曲線）
（4）根據(jù)負(fù)載特性選型
主要是選擇合適的功率因數(shù)，負(fù)載功率因數(shù)對發(fā)電機(jī)組輸出功率的影響，功率因數(shù)分為超前和滯后兩種，功率因數(shù)越低，給負(fù)載供電時對發(fā)電機(jī)的容量要求越高。商用三相發(fā)電機(jī)標(biāo)稱為pf是0.8（滯后）。任何時候用發(fā)電機(jī)給功率因數(shù)為超前的負(fù)載供電時應(yīng)特別注意。
如圖2所示中，發(fā)電機(jī)組的功率在藍(lán)色和紅色的區(qū)域中（面積大的一塊），圖2左邊是功率因數(shù)超前，圖2右邊是功率因數(shù)滯后。
a．當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)≥0.8（滯后）時，發(fā)電機(jī)組帶載能力由發(fā)電機(jī)組額定有功功率確定；當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)＜0.8（滯后）時，發(fā)電機(jī)組帶載能力由發(fā)電機(jī)組額定視在功率確定。
b．當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)≥0.9（超前）時，發(fā)電機(jī)組帶載能力由發(fā)電機(jī)組額定有功功率確定；當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)＜0.9（超前）時，發(fā)電機(jī)組效率下降很快。
備注：具體功率因數(shù)的選擇，首先要考慮負(fù)載本身的功率因數(shù)后，再綜合考慮發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)的容量匹配，以保證發(fā)電機(jī)組選擇的綜合性價比。
（5）勵磁方式及外部諧波對發(fā)電機(jī)及發(fā)電機(jī)組整機(jī)帶載能力的影響
勵磁方式對發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載的能力起著關(guān)鍵性的作用，具體參照勵磁方式的對比；發(fā)電機(jī)的選型也需充分考慮外部諧波對其造成的影響。
非線性負(fù)載會向柴油發(fā)電機(jī)組反射大量的諧波，其中5次和7次諧波危害最嚴(yán)重，尤其是非線性負(fù)載較大而發(fā)電機(jī)組容量又較小時這種危害就更明顯。根據(jù)有關(guān)資料研究表明，發(fā)電機(jī)組輸出側(cè)的負(fù)載總諧波電流超過發(fā)電機(jī)組額定電流的5％時，就可能引起油機(jī)振蕩、穩(wěn)定時間延長，并使發(fā)電機(jī)組輸出實(shí)際容量降低10％。除此之外，由于發(fā)電機(jī)組的內(nèi)阻相對市電來說大很多，由諧波電流引起的電壓畸變就大很多，再加上發(fā)電機(jī)組本身也會產(chǎn)生諧波，其后果將出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組輸出電壓嚴(yán)重失真和負(fù)載設(shè)備誤動作，嚴(yán)重時會損壞avr和負(fù)載設(shè)備。為了消除發(fā)電機(jī)組自身產(chǎn)生的諧波，目前各廠家通行的做法是選用2/3節(jié)距的發(fā)電機(jī)，可消除3次諧波，但無法消除5次和7次諧波，見表5-3。
圖2 柴油發(fā)電機(jī)組工作區(qū)域圖
表1 不同節(jié)距的發(fā)電機(jī)對發(fā)電機(jī)組輸出諧波的抑制效果
3次諧波
5次諧波
7次諧波
8／9節(jié)距
12%
32%
60%
7／8節(jié)距
50%
82%
30%
2／3節(jié)距
100%
10%
12%
目前，高壓發(fā)電機(jī)除了2/3節(jié)距，還有5/6不規(guī)則的節(jié)距，同樣是處于對諧波抑制的設(shè)計(jì)考慮。要解決發(fā)電機(jī)組所面臨的諧波問題，可從以下兩方面著手：
一方面是從消除諧波對發(fā)電機(jī)組的影響著手，即提高發(fā)電機(jī)組抗諧波干擾的能力。此時需選用額定功率比正常需求大很多的發(fā)電機(jī)組，一般發(fā)電機(jī)組功率為ups容量的若干倍再加上其他一般負(fù)載，這樣可以有效提高發(fā)電機(jī)組對諧波時的瞬態(tài)特性。但這樣將大幅度增加投資，可以通過采取一些特殊的措施，在改善發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能的時獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。
① 選用永磁他勵（pmg）發(fā)電機(jī)
因pmg系列發(fā)電機(jī)的電子自動調(diào)壓系統(tǒng)avr獨(dú)立于發(fā)電機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)，功率源從副勵磁機(jī)電樞繞組取得。在發(fā)電機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速突變時，該系統(tǒng)不受發(fā)電機(jī)機(jī)械過渡過程的影響，將輸出電壓調(diào)整到額定值。因此，pmg系列發(fā)電機(jī)的動態(tài)電壓調(diào)整率遠(yuǎn)小于其他勵磁發(fā)電機(jī)，并有較好的動態(tài)穩(wěn)定性，可提高發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載能力。由于pmg系統(tǒng)提供一個與定子輸出電壓波形畸變及大小無關(guān)的恒定的勵磁電源，因而能提供較高的電動機(jī)啟動承受能力，并對非線性負(fù)載產(chǎn)生的主機(jī)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(jī)功率的條件下，配置一臺較大容量的發(fā)電機(jī)
以提高發(fā)電機(jī)組帶非線性負(fù)載的能
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一、發(fā)動機(jī)的選型
1、根據(jù)功率選型
根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇不同類型的發(fā)動機(jī)，主要考慮發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵特性-帶載能力。
2、根據(jù)環(huán)保要求選型
集中在該功率段區(qū)域調(diào)速方式分為兩種，一種為電子調(diào)速，二種為電噴（高壓共軌電噴），區(qū)別主要是排放等級的區(qū)別。
3、根據(jù)燃料需求選型
柴油、燃?xì)夂椭赜偷龋煌牡貐^(qū)其燃料的儲備優(yōu)勢不一樣。
二、發(fā)電機(jī)的選型
1、根據(jù)電壓、頻率等級的選型，在應(yīng)急備用柴油發(fā)電機(jī)組電壓等級一般分為低壓（108～690v）、中壓（3.3～4.16kv）、高壓（6～15kv），目前行業(yè)內(nèi)發(fā)電機(jī)的最高電壓等級為15kv，高出此電壓等級的只能采用升壓變壓器升壓后并機(jī)的方式進(jìn)行選型
2、選用斯坦福或利萊森瑪?shù)韧綗o刷發(fā)電機(jī)，維護(hù)簡單，采用dvr數(shù)字式自動電壓調(diào)節(jié)器，電壓穩(wěn)定，抗干擾性能強(qiáng)，可選永磁勵磁發(fā)電機(jī)，提高非線性負(fù)載的承載能力；按照f級絕緣f級溫升進(jìn)行選型；同時發(fā)電機(jī)帶載能力的大小與發(fā)電機(jī)本身的性能有關(guān)外，還與其自身幾個關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)，其參數(shù)值的大小直接影響帶不同負(fù)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(shù)對外部的諧波（例如3次、5次、7次諧波等）。
（1）xd直軸同步電抗
xd是代表發(fā)電機(jī)磁飽和值，決定發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線上的安全區(qū)域，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最高的磁通值時，xd電抗是最低的，其值的大小也反映了發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)行中三相突然短路瞬變的過渡電抗。直軸瞬變電抗是發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，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的初始值與同時變化的直軸交流基波電流之比。它也是發(fā)電機(jī)和整個電力系統(tǒng)的重要參數(shù)，對發(fā)電機(jī)的動態(tài)穩(wěn)定極限及突然加負(fù)載時的瞬態(tài)電壓變化率有很大影響。x＇d越小，動態(tài)穩(wěn)定極限越大、瞬態(tài)電壓變化率越小；但x＇d越小，定子鐵心要增大，從而使發(fā)電機(jī)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(xiàn)發(fā)電機(jī)帶突加大電流的負(fù)載能力，值越低其帶類似電動機(jī)負(fù)載的能力越強(qiáng)，主要是帶畸變負(fù)載。
（3）x”d直軸超瞬態(tài)電抗
x”d是代表發(fā)電機(jī)運(yùn)行中三相突然短路最初一瞬間的過渡電抗。發(fā)電機(jī)突然短路時，轉(zhuǎn)子勵磁繞組和阻尼繞組為保持磁鏈不變，感應(yīng)出對電樞反應(yīng)磁通起去磁作用的電流，將電樞反應(yīng)磁通擠到勵磁繞組和阻尼繞組的漏磁通的路徑上，這個路徑的磁阻很大即磁導(dǎo)很小，故其相對應(yīng)的直軸電抗也很小，這個等效電抗稱為直軸超瞬變電抗x”d，也即有阻尼繞組的發(fā)電機(jī)突然短路時，定子電流的周期分量由x”d來限制。結(jié)構(gòu)上，x”d主要由發(fā)電機(jī)定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定。對于無阻尼繞組的發(fā)電機(jī)，則x”d＝x＇d。
由于x”d的大小影響電力系統(tǒng)突然短路時短路電流的大小，故x”d值的大小也影響到系統(tǒng)中高壓輸變電設(shè)備特別是高壓斷路器的選擇，如動穩(wěn)定電流等參數(shù)。從電氣設(shè)備選擇來說，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，帶非線性負(fù)載能力越強(qiáng)，但是值越小短路電流又比較大；此值主要反映是帶非線性負(fù)載；其關(guān)系體現(xiàn)如圖1所示。發(fā)電機(jī)帶時間常數(shù)的瞬態(tài)電抗（x＇d）和次瞬態(tài)電抗（x”d）（共同值xg），反應(yīng)其帶載能力一個非常重要的體現(xiàn)。
圖1 高壓發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載能力示意圖
●當(dāng)啟動一臺電動機(jī)，電壓下降的百分?jǐn)?shù)將取決于電動機(jī)的啟動容量（或同時啟動的電動機(jī)的全部容量的總和）
●最大允許下降值（一般情況）：25％電壓下降在發(fā)電機(jī)接線端，30％電壓下降在電動機(jī)接線端。
●每臺發(fā)電機(jī)的電壓下降值，均可使用堵轉(zhuǎn)曲線來計(jì)算（每臺發(fā)電機(jī)均有相應(yīng)的曲線）
（4）根據(jù)負(fù)載特性選型
主要是選擇合適的功率因數(shù)，負(fù)載功率因數(shù)對發(fā)電機(jī)組輸出功率的影響，功率因數(shù)分為超前和滯后兩種，功率因數(shù)越低，給負(fù)載供電時對發(fā)電機(jī)的容量要求越高。商用三相發(fā)電機(jī)標(biāo)稱為pf是0.8（滯后）。任何時候用發(fā)電機(jī)給功率因數(shù)為超前的負(fù)載供電時應(yīng)特別注意。
如圖2所示中，發(fā)電機(jī)組的功率在藍(lán)色和紅色的區(qū)域中（面積大的一塊），圖2左邊是功率因數(shù)超前，圖2右邊是功率因數(shù)滯后。
a．當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)≥0.8（滯后）時，發(fā)電機(jī)組帶載能力由發(fā)電機(jī)組額定有功功率確定；當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)＜0.8（滯后）時，發(fā)電機(jī)組帶載能力由發(fā)電機(jī)組額定視在功率確定。
b．當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)≥0.9（超前）時，發(fā)電機(jī)組帶載能力由發(fā)電機(jī)組額定有功功率確定；當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)＜0.9（超前）時，發(fā)電機(jī)組效率下降很快。
備注：具體功率因數(shù)的選擇，首先要考慮負(fù)載本身的功率因數(shù)后，再綜合考慮發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)的容量匹配，以保證發(fā)電機(jī)組選擇的綜合性價比。
（5）勵磁方式及外部諧波對發(fā)電機(jī)及發(fā)電機(jī)組整機(jī)帶載能力的影響
勵磁方式對發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載的能力起著關(guān)鍵性的作用，具體參照勵磁方式的對比；發(fā)電機(jī)的選型也需充分考慮外部諧波對其造成的影響。
非線性負(fù)載會向柴油發(fā)電機(jī)組反射大量的諧波，其中5次和7次諧波危害最嚴(yán)重，尤其是非線性負(fù)載較大而發(fā)電機(jī)組容量又較小時這種危害就更明顯。根據(jù)有關(guān)資料研究表明，發(fā)電機(jī)組輸出側(cè)的負(fù)載總諧波電流超過發(fā)電機(jī)組額定電流的5％時，就可能引起油機(jī)振蕩、穩(wěn)定時間延長，并使發(fā)電機(jī)組輸出實(shí)際容量降低10％。除此之外，由于發(fā)電機(jī)組的內(nèi)阻相對市電來說大很多，由諧波電流引起的電壓畸變就大很多，再加上發(fā)電機(jī)組本身也會產(chǎn)生諧波，其后果將出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組輸出電壓嚴(yán)重失真和負(fù)載設(shè)備誤動作，嚴(yán)重時會損壞avr和負(fù)載設(shè)備。為了消除發(fā)電機(jī)組自身產(chǎn)生的諧波，目前各廠家通行的做法是選用2/3節(jié)距的發(fā)電機(jī)，可消除3次諧波，但無法消除5次和7次諧波，見表5-3。
圖2 柴油發(fā)電機(jī)組工作區(qū)域圖
表1 不同節(jié)距的發(fā)電機(jī)對發(fā)電機(jī)組輸出諧波的抑制效果
3次諧波
5次諧波
7次諧波
8／9節(jié)距
12%
32%
60%
7／8節(jié)距
50%
82%
30%
2／3節(jié)距
100%
10%
12%
目前，高壓發(fā)電機(jī)除了2/3節(jié)距，還有5/6不規(guī)則的節(jié)距，同樣是處于對諧波抑制的設(shè)計(jì)考慮。要解決發(fā)電機(jī)組所面臨的諧波問題，可從以下兩方面著手：
一方面是從消除諧波對發(fā)電機(jī)組的影響著手，即提高發(fā)電機(jī)組抗諧波干擾的能力。此時需選用額定功率比正常需求大很多的發(fā)電機(jī)組，一般發(fā)電機(jī)組功率為ups容量的若干倍再加上其他一般負(fù)載，這樣可以有效提高發(fā)電機(jī)組對諧波時的瞬態(tài)特性。但這樣將大幅度增加投資，可以通過采取一些特殊的措施，在改善發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能的時獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。
① 選用永磁他勵（pmg）發(fā)電機(jī)
因pmg系列發(fā)電機(jī)的電子自動調(diào)壓系統(tǒng)avr獨(dú)立于發(fā)電機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)，功率源從副勵磁機(jī)電樞繞組取得。在發(fā)電機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速突變時，該系統(tǒng)不受發(fā)電機(jī)機(jī)械過渡過程的影響，將輸出電壓調(diào)整到額定值。因此，pmg系列發(fā)電機(jī)的動態(tài)電壓調(diào)整率遠(yuǎn)小于其他勵磁發(fā)電機(jī)，并有較好的動態(tài)穩(wěn)定性，可提高發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載能力。由于pmg系統(tǒng)提供一個與定子輸出電壓波形畸變及大小無關(guān)的恒定的勵磁電源，因而能提供較高的電動機(jī)啟動承受能力，并對非線性負(fù)載產(chǎn)生的主機(jī)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(jī)功率的條件下，配置一臺較大容量的發(fā)電機(jī)
以提高發(fā)電機(jī)組帶非線性負(fù)載的能
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