康明斯對柴油發電機組并機運行的研究
發布時間：2023-10-15 點擊：217
康明斯對柴油發電機組并機運行的研究
隨著獨立電力系統的不斷發展，在特殊工況領域中多臺柴油發電機組并聯運行的供電模式受到廣泛應用。由于備用型柴油發電機組存在并機系統擴容和不同廠家、不同容量、不同型號并機問題，以及供電系統中并聯操作頻繁且對可靠性及穩定性要求較高，因此研究多臺發電機組并聯運行的現實意義凸顯。
一、問題的提出
隨著社會時代信息化、數據化的進程，跟多的企業關注企業數據庫的建立和網絡信息的互聯，數據中心的建設在進幾年的需求呈井噴狀發展，早今年的數據中心建設的規模建設相對較小，多數早期建設數據中心的后備電源系統呈現擴容需求。而數據中心大型化、集中化是目前數據中心建設的趨勢，且10kv備用發電機組的應用在各數據中心的使用日趨廣泛，并機系統終期容量相對較大，容量范圍在10000kw～30000kw之間，若建設初期投入較多的發電機組，對數據中心的初步投資成本難以控制，同時數據中心的成本回收期也相對加大，故一般建設均是前期不認投入，待需求增加后再行發電機組擴容。從上述可以看出，備用發電機組的擴容是所遇數據中心建設發展中都面臨的問題。
備用發電機組并機系統擴容一般采用與原有發電機組同型號、同容量的發電機組進行擴容，對后期設備采購的成本難以實現最佳性價比，而不同廠家，不同型號，不同容量的發電機組擴容在理論上完全可行，但是對于具體的工程實踐操作還是在試探階段，在電信行業特別是大型數據中心的備用發電機組并機系統擴容方案中不曾采納實施過。
圖1 柴油發電機組并機系統示意圖
二、前期研究和準備
某數據中心建設中面臨了10kv備用發電機組的擴容問題，在對設備進行招標采購之前，對并機系統現狀及并機方案進行了研究和對比。
1、并機系統現狀
某數據中心一套10kv備用發電機組并機系統先接入5臺康明斯備用高壓發電機組供電系統，系統包含5臺2000kw/10kv發電機組、并機分配屏、發電機組控制屏、啟動電池等，構成一套并機系統，并機控制屏安裝于動力維護室系統輸出至高壓油機供電系統，系統終期容量按8臺發電機組16000kw設計。發電機組的hgm9510控制屏分三種工作模式：自動模式、手動模式和停止模式
2、并機方式研究
目前部分油機廠家可以實現不同廠家、不同容量的發電機組在同一供電系統并機工作，工作方式一般有以下幾種：
（1）第三方制造并機控制柜，即將所有不同廠家、容量的發電機組的輸出信號接入并機柜，并機柜中的控制器采集所有發電機組的運行情況，當滿足并機要求時，實現多臺不同廠家、不同容量發電機組的并機；
（2）柴發廠家自帶控制器，通過追蹤已有發電機組的運行情況，當滿足并機要求時，將新增發電機組接入原有并機系統，實現多臺不同廠家、不同容量發電機組的并機。
（3）采用和現有系統相同的并機控制系統，實現不同廠家發電機組的并機控制。
3、并機存在的問題
不同廠家、型號容量發電機組并機最關鍵的問題是廠家控制屏的互聯互通問題。原有發電機組的關鍵圖紙資料不全，現場電纜的標識褪色模糊，只有對原來的控制信號逐一梳理清楚后，才能在不影響原來發電機組待機的情況下進行升級改造。并機發電機組之間最為關鍵的負載分配信號，也只能通過現場測量收集。數據中心對并機系統并機成功輸出的時間要求嚴格，控制在90s內，也是不同廠家油機系統并機的難題。
三、并機實踐中的問題和解決
我們選擇和原有發電機組相同的并機控制系統，但是軟件版本不同，是相對保守和成功可靠性較高的方式。事實遠比想像復雜，在并機系統擴容建設過程中，研究的問題往往涵蓋不了出現的問題，于是我們的問題和解決方法成為最寶貴的工程經驗。
1、負載分配
并機發電機組之間最為關鍵的負載分配信號，也只能通過現場測量收集，形成一條功率和控制電壓的關系曲線，再輸入到我們的智能控制系統進行處理，經過現場空載和帶載等各種工況的測試驗證，已經達到無縫兼容的實際效果，并且十分穩定流暢。
圖2 發電機動態穩定性分析功角特性曲線圖
2、并機控制的改造
由于康明斯的hgm9510控制屏程序，觸摸屏源程序和包含參數地址的modbus通訊協議已無法獲得，只能采用串口程序現場調測數據，一個數據包，一個數據地進行驗證，出現過個別數據格式不符，亂碼，數據丟包的現象，甚至還偶爾出現觸摸屏死機需要重啟復位的情況，經過改進和測試，系統才逐步趨向完美，達到目前的運行穩定。
3、環流及接地電阻控制邏輯
通過對接地電阻的控制優化以及控制系統相關無功控制參數的優化，降低了接地環流，提供了發電機組運行和供電系統的穩定性。
原有系統中性點接地電阻的控制邏輯是與輸出高壓斷路器的合閘、分閘控制信號是聯動的，即只要發電機組一合閘，其配套的接地電阻也是同時跟隨合閘的，這樣勢必在多臺發電機組并機運行時，相應臺數的發電機組的接地電阻都是同時合閘的，通過接地電阻，所有運行發電機組的中性點實際上就相互導通，并聯接在一起了，容易產生環流導致誤報警跳閘，甚至造成發電機組故障，影響系統穩定運行，也是發電機廠家所明令禁止的。
通過增加plc可編程邏輯控制器硬件，優化接地電阻合閘程序，高壓斷路器的合閘控制信號不再同時給接地電阻去控制其合閘，而是將所有斷路器的合閘位置反饋信號輸入plc可編程邏輯控制器里面，經過邏輯處理完成后，再去控制相應運行發電機組的接地電阻合閘，這樣確保不管多少臺發電機組在并聯合閘運行，系統里面始終只有一臺接地電阻是合閘的，如果合閘位置的那臺接地電阻對應的發電機組停機，則接地電阻會同時分閘，并自動合上正在運行且合閘的發電機組對應的接地電阻，完成接地電阻的同步切換。
4、不同品牌調速器動態響應一致
康明斯柴油機采用的是電子調速器，擴容的10kv備用發電機組采用的是高壓共軌電噴ecm管理系統，二者由于調速系統方式不同，無法直接握手通訊，為了滿足數據中心項目高比例非線性負載頻繁大幅變化對調速系統快速響應的要求，采用了國際上應用最廣泛的現場總線-高速canbus控制器局域網網絡進行控制器間的并機數據傳輸，并且優化調速器本身的pid閉環控制動態參數，達到了理想效果。
5、接地開關與控制系統實現互鎖
一般高壓開關柜廠家都設計了比較完善的“五防”即：防止帶負荷合閘、防止帶接地線合閘、防止誤入帶電間隔、防止帶電掛接地線、防止帶負荷拉刀閘。
以上針對出線柜是沒有問題的，但是用于10kv備用發電機組供電系統接入柜時，即高壓開關柜的接地開關在位置上位于高壓開關柜最下面，在電路邏輯上處于可以提供應急10kv高壓動力電源的電源端，如果在高壓開關柜接地開關處于合閘狀態時，柴油發電機組啟動回路沒有被閉鎖，發生啟動并發電的情況，將造成發電機的動力輸出直接通過接地開關短接，更為嚴重的是由于在發電機和接地開關之間沒有斷路器進行保護，后果將不堪設想。
通過完善控制回路，實現當接地開關處于合閘位置即系統接地時，發電機組不能開機運行，如果正在運行的發電機組檢測到接地開關狀態變換到合閘，也會立即保護停機，杜絕帶接地開關啟動運行的可能。
6、60秒鐘內并機帶載
由于發電機組并機系統最多支持32臺并機，并機的方式是接到啟動信號，同時啟動，誰最先穩定誰即作為首臺發電機組，立即合閘到無壓母排，后續發電機組采取同時與母排電壓即首臺合閘發電機組的電壓信號進行跟蹤同步的方式進行同步控制，理論上增加3臺發電機組不會增加并機所需要的時間。這個優于并機時間疊加的傳統的排隊并機模式。
通過現場調試及參數優化，并通過反復并機測試，改造后8臺發電機組總的并機時間比原來5臺并機的時間還要短。
7、液晶屏顯示界面
考慮到擴容3臺發電機組是先進的高壓共軌電噴發電機組，通過柴油機機帶電腦板ecm，發電機微處理器數字式調壓器be2000e和控制器rs485通訊所能夠提供的參數要比原來5臺發電機組的多得多，為了運行值班人員全面掌握了解實時運行參數，在觸摸屏界面增加了大量實時監控數據比如發電機三相定子繞組的實時溫度顯示，柴油機的進氣壓力，增壓壓力和溫度，中冷器水溫和壓力等等監測數據。
在項目實施過程中，由于前面5臺已經作為備用電源在網待機，申請進行改造及測試的時間窗口非常有限，凡是需要動到原來5臺發電機組控制屏的時候都面臨不少風險，因此系統性的策劃和事無巨細的實施方案編制顯得尤為重要，為了保障實施的安全性，方案實施前準備了極為細致的書面方案，并采用實物或者現場演示等方式向相關各方進行演示說明。詳細說明各時間節點需要哪些相關方面配合到場，順利與失敗的各種應對措施，比如怎么恢復出廠設置，恢復未改造前的初始狀態，需要準備什么預案來保障數據中心的供電保障等等。
圖3 柴油發電機組控制器硬件系統框圖
8、遺留百葉窗
原來百葉窗控制是分手動及自動二種模式，在自動模式下，百葉窗的開窗和關窗受控制屏的干觸點自動控制，完全無須人工干預，在手動模式下，百葉窗的開窗和關窗都是通過百葉窗控制箱上面的開窗和關窗選擇開關實現的，同時百葉窗與發電機組間存在聯鎖功能，不管處于自動或者手動模式，當百葉窗出現故障，未能在開機前開窗和運行過程中突然關窗，發電機組均會自動聯鎖停機，以防止發電機組悶死或者機房出現負壓破壞降噪箱的情況出現。
在觸摸屏上通過rs485和
柴油發電機組配氣相位和氣門間隙的介紹
柴油機高壓油泵溫度高和加機油口冒白氣的故障維修
康明斯靜音式發電機組是怎么樣工作的？
解決柴油發電機組30千瓦水溫過高的方式
柴油發電機噴油嘴卡住什么原因？如何故障排除
來說說現代柴油發電機組廣闊的使用領域
放在室外的柴油發電機組要注意些什么？
康明斯噴油泵調速器的工作原理和結構圖解
隨著獨立電力系統的不斷發展，在特殊工況領域中多臺柴油發電機組并聯運行的供電模式受到廣泛應用。由于備用型柴油發電機組存在并機系統擴容和不同廠家、不同容量、不同型號并機問題，以及供電系統中并聯操作頻繁且對可靠性及穩定性要求較高，因此研究多臺發電機組并聯運行的現實意義凸顯。
一、問題的提出
隨著社會時代信息化、數據化的進程，跟多的企業關注企業數據庫的建立和網絡信息的互聯，數據中心的建設在進幾年的需求呈井噴狀發展，早今年的數據中心建設的規模建設相對較小，多數早期建設數據中心的后備電源系統呈現擴容需求。而數據中心大型化、集中化是目前數據中心建設的趨勢，且10kv備用發電機組的應用在各數據中心的使用日趨廣泛，并機系統終期容量相對較大，容量范圍在10000kw～30000kw之間，若建設初期投入較多的發電機組，對數據中心的初步投資成本難以控制，同時數據中心的成本回收期也相對加大，故一般建設均是前期不認投入，待需求增加后再行發電機組擴容。從上述可以看出，備用發電機組的擴容是所遇數據中心建設發展中都面臨的問題。
備用發電機組并機系統擴容一般采用與原有發電機組同型號、同容量的發電機組進行擴容，對后期設備采購的成本難以實現最佳性價比，而不同廠家，不同型號，不同容量的發電機組擴容在理論上完全可行，但是對于具體的工程實踐操作還是在試探階段，在電信行業特別是大型數據中心的備用發電機組并機系統擴容方案中不曾采納實施過。
圖1 柴油發電機組并機系統示意圖
二、前期研究和準備
某數據中心建設中面臨了10kv備用發電機組的擴容問題，在對設備進行招標采購之前，對并機系統現狀及并機方案進行了研究和對比。
1、并機系統現狀
某數據中心一套10kv備用發電機組并機系統先接入5臺康明斯備用高壓發電機組供電系統，系統包含5臺2000kw/10kv發電機組、并機分配屏、發電機組控制屏、啟動電池等，構成一套并機系統，并機控制屏安裝于動力維護室系統輸出至高壓油機供電系統，系統終期容量按8臺發電機組16000kw設計。發電機組的hgm9510控制屏分三種工作模式：自動模式、手動模式和停止模式
2、并機方式研究
目前部分油機廠家可以實現不同廠家、不同容量的發電機組在同一供電系統并機工作，工作方式一般有以下幾種：
（1）第三方制造并機控制柜，即將所有不同廠家、容量的發電機組的輸出信號接入并機柜，并機柜中的控制器采集所有發電機組的運行情況，當滿足并機要求時，實現多臺不同廠家、不同容量發電機組的并機；
（2）柴發廠家自帶控制器，通過追蹤已有發電機組的運行情況，當滿足并機要求時，將新增發電機組接入原有并機系統，實現多臺不同廠家、不同容量發電機組的并機。
（3）采用和現有系統相同的并機控制系統，實現不同廠家發電機組的并機控制。
3、并機存在的問題
不同廠家、型號容量發電機組并機最關鍵的問題是廠家控制屏的互聯互通問題。原有發電機組的關鍵圖紙資料不全，現場電纜的標識褪色模糊，只有對原來的控制信號逐一梳理清楚后，才能在不影響原來發電機組待機的情況下進行升級改造。并機發電機組之間最為關鍵的負載分配信號，也只能通過現場測量收集。數據中心對并機系統并機成功輸出的時間要求嚴格，控制在90s內，也是不同廠家油機系統并機的難題。
三、并機實踐中的問題和解決
我們選擇和原有發電機組相同的并機控制系統，但是軟件版本不同，是相對保守和成功可靠性較高的方式。事實遠比想像復雜，在并機系統擴容建設過程中，研究的問題往往涵蓋不了出現的問題，于是我們的問題和解決方法成為最寶貴的工程經驗。
1、負載分配
并機發電機組之間最為關鍵的負載分配信號，也只能通過現場測量收集，形成一條功率和控制電壓的關系曲線，再輸入到我們的智能控制系統進行處理，經過現場空載和帶載等各種工況的測試驗證，已經達到無縫兼容的實際效果，并且十分穩定流暢。
圖2 發電機動態穩定性分析功角特性曲線圖
2、并機控制的改造
由于康明斯的hgm9510控制屏程序，觸摸屏源程序和包含參數地址的modbus通訊協議已無法獲得，只能采用串口程序現場調測數據，一個數據包，一個數據地進行驗證，出現過個別數據格式不符，亂碼，數據丟包的現象，甚至還偶爾出現觸摸屏死機需要重啟復位的情況，經過改進和測試，系統才逐步趨向完美，達到目前的運行穩定。
3、環流及接地電阻控制邏輯
通過對接地電阻的控制優化以及控制系統相關無功控制參數的優化，降低了接地環流，提供了發電機組運行和供電系統的穩定性。
原有系統中性點接地電阻的控制邏輯是與輸出高壓斷路器的合閘、分閘控制信號是聯動的，即只要發電機組一合閘，其配套的接地電阻也是同時跟隨合閘的，這樣勢必在多臺發電機組并機運行時，相應臺數的發電機組的接地電阻都是同時合閘的，通過接地電阻，所有運行發電機組的中性點實際上就相互導通，并聯接在一起了，容易產生環流導致誤報警跳閘，甚至造成發電機組故障，影響系統穩定運行，也是發電機廠家所明令禁止的。
通過增加plc可編程邏輯控制器硬件，優化接地電阻合閘程序，高壓斷路器的合閘控制信號不再同時給接地電阻去控制其合閘，而是將所有斷路器的合閘位置反饋信號輸入plc可編程邏輯控制器里面，經過邏輯處理完成后，再去控制相應運行發電機組的接地電阻合閘，這樣確保不管多少臺發電機組在并聯合閘運行，系統里面始終只有一臺接地電阻是合閘的，如果合閘位置的那臺接地電阻對應的發電機組停機，則接地電阻會同時分閘，并自動合上正在運行且合閘的發電機組對應的接地電阻，完成接地電阻的同步切換。
4、不同品牌調速器動態響應一致
康明斯柴油機采用的是電子調速器，擴容的10kv備用發電機組采用的是高壓共軌電噴ecm管理系統，二者由于調速系統方式不同，無法直接握手通訊，為了滿足數據中心項目高比例非線性負載頻繁大幅變化對調速系統快速響應的要求，采用了國際上應用最廣泛的現場總線-高速canbus控制器局域網網絡進行控制器間的并機數據傳輸，并且優化調速器本身的pid閉環控制動態參數，達到了理想效果。
5、接地開關與控制系統實現互鎖
一般高壓開關柜廠家都設計了比較完善的“五防”即：防止帶負荷合閘、防止帶接地線合閘、防止誤入帶電間隔、防止帶電掛接地線、防止帶負荷拉刀閘。
以上針對出線柜是沒有問題的，但是用于10kv備用發電機組供電系統接入柜時，即高壓開關柜的接地開關在位置上位于高壓開關柜最下面，在電路邏輯上處于可以提供應急10kv高壓動力電源的電源端，如果在高壓開關柜接地開關處于合閘狀態時，柴油發電機組啟動回路沒有被閉鎖，發生啟動并發電的情況，將造成發電機的動力輸出直接通過接地開關短接，更為嚴重的是由于在發電機和接地開關之間沒有斷路器進行保護，后果將不堪設想。
通過完善控制回路，實現當接地開關處于合閘位置即系統接地時，發電機組不能開機運行，如果正在運行的發電機組檢測到接地開關狀態變換到合閘，也會立即保護停機，杜絕帶接地開關啟動運行的可能。
6、60秒鐘內并機帶載
由于發電機組并機系統最多支持32臺并機，并機的方式是接到啟動信號，同時啟動，誰最先穩定誰即作為首臺發電機組，立即合閘到無壓母排，后續發電機組采取同時與母排電壓即首臺合閘發電機組的電壓信號進行跟蹤同步的方式進行同步控制，理論上增加3臺發電機組不會增加并機所需要的時間。這個優于并機時間疊加的傳統的排隊并機模式。
通過現場調試及參數優化，并通過反復并機測試，改造后8臺發電機組總的并機時間比原來5臺并機的時間還要短。
7、液晶屏顯示界面
考慮到擴容3臺發電機組是先進的高壓共軌電噴發電機組，通過柴油機機帶電腦板ecm，發電機微處理器數字式調壓器be2000e和控制器rs485通訊所能夠提供的參數要比原來5臺發電機組的多得多，為了運行值班人員全面掌握了解實時運行參數，在觸摸屏界面增加了大量實時監控數據比如發電機三相定子繞組的實時溫度顯示，柴油機的進氣壓力，增壓壓力和溫度，中冷器水溫和壓力等等監測數據。
在項目實施過程中，由于前面5臺已經作為備用電源在網待機，申請進行改造及測試的時間窗口非常有限，凡是需要動到原來5臺發電機組控制屏的時候都面臨不少風險，因此系統性的策劃和事無巨細的實施方案編制顯得尤為重要，為了保障實施的安全性，方案實施前準備了極為細致的書面方案，并采用實物或者現場演示等方式向相關各方進行演示說明。詳細說明各時間節點需要哪些相關方面配合到場，順利與失敗的各種應對措施，比如怎么恢復出廠設置，恢復未改造前的初始狀態，需要準備什么預案來保障數據中心的供電保障等等。
圖3 柴油發電機組控制器硬件系統框圖
8、遺留百葉窗
原來百葉窗控制是分手動及自動二種模式，在自動模式下，百葉窗的開窗和關窗受控制屏的干觸點自動控制，完全無須人工干預，在手動模式下，百葉窗的開窗和關窗都是通過百葉窗控制箱上面的開窗和關窗選擇開關實現的，同時百葉窗與發電機組間存在聯鎖功能，不管處于自動或者手動模式，當百葉窗出現故障，未能在開機前開窗和運行過程中突然關窗，發電機組均會自動聯鎖停機，以防止發電機組悶死或者機房出現負壓破壞降噪箱的情況出現。
在觸摸屏上通過rs485和
柴油發電機組配氣相位和氣門間隙的介紹
柴油機高壓油泵溫度高和加機油口冒白氣的故障維修
康明斯靜音式發電機組是怎么樣工作的？
解決柴油發電機組30千瓦水溫過高的方式
柴油發電機噴油嘴卡住什么原因？如何故障排除
來說說現代柴油發電機組廣闊的使用領域
放在室外的柴油發電機組要注意些什么？
康明斯噴油泵調速器的工作原理和結構圖解