高壓柴油發電機組選型計算與容量匹配
發布時間：2024-03-23 點擊：154
高壓柴油發電機組選型計算與容量匹配
高電壓發電機組的選型通常根據后端負載的整體容量進行排列組合，功率段基本集中在1800～2400kw主用（prp）功率，進行排列組合。高電壓發電機組因其并機的數量可擴展性強，目前的并機技術可連續32臺發電機組并機，通過btb（busbar tobusbar，母線與母線）的型式可擴展至256臺發電機組并機，給大容量的數據中心、power plant等提供了滿足容量的剛性需求。目前，并機均采用分布式并機，每臺發電機組本身的控制系統除了具備各種參數顯示、故障報警、自身的啟動-停機及各種保護外，其本身自帶負載分配、功率管理、can通信、負載分級管理等，為分布式并機提供了優勢的條件。
一、發動機的選型
1、根據功率選型
根據不同的應用場合選擇不同類型的發動機，主要考慮發動機的關鍵特性-帶載能力。
2、根據環保要求選型
集中在該功率段區域調速方式分為兩種，一種為電子調速，二種為電噴（高壓共軌電噴），區別主要是排放等級的區別。
3、根據燃料需求選型
柴油、燃氣和重油等，不同的地區其燃料的儲備優勢不一樣。
二、發電機的選型
1、根據電壓、頻率等級的選型，在應急備用柴油發電機組電壓等級一般分為低壓（108～690v）、中壓（3.3～4.16kv）、高壓（6～15kv），目前行業內發電機的最高電壓等級為15kv，高出此電壓等級的只能采用升壓變壓器升壓后并機的方式進行選型
2、選用斯坦福或利萊森瑪等同步無刷發電機，維護簡單，采用dvr數字式自動電壓調節器，電壓穩定，抗干擾性能強，可選永磁勵磁發電機，提高非線性負載的承載能力；按照f級絕緣f級溫升進行選型；同時發電機帶載能力的大小與發電機本身的性能有關外，還與其自身幾個關鍵參數相關，其參數值的大小直接影響帶不同負載的帶載能力；主要包括直軸瞬態電抗值、直軸超瞬態電抗值、功率因數對外部的諧波（例如3次、5次、7次諧波等）。
（1）xd直軸同步電抗
xd是代表發電機磁飽和值，決定發電機運行曲線上的安全區域，當發電機運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電機性能的優劣。
（2）x＇d直軸瞬態電抗
x＇d是代表發電機運行中三相突然短路瞬變的過渡電抗。直軸瞬變電抗是發電機額定轉速運行時，定子繞組直軸總磁鏈產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。它也是發電機和整個電力系統的重要參數，對發電機的動態穩定極限及突然加負載時的瞬態電壓變化率有很大影響。x＇d越小，動態穩定極限越大、瞬態電壓變化率越小；但x＇d越小，定子鐵心要增大，從而使發電機體積增大、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：直軸瞬態電抗的值主要體現發電機帶突加大電流的負載能力，值越低其帶類似電動機負載的能力越強，主要是帶畸變負載。
（3）x”d直軸超瞬態電抗
x”d是代表發電機運行中三相突然短路最初一瞬間的過渡電抗。發電機突然短路時，轉子勵磁繞組和阻尼繞組為保持磁鏈不變，感應出對電樞反應磁通起去磁作用的電流，將電樞反應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很小，故其相對應的直軸電抗也很小，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電機突然短路時，定子電流的周期分量由x”d來限制。結構上，x”d主要由發電機定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定。對于無阻尼繞組的發電機，則x”d＝x＇d。
由于x”d的大小影響電力系統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中高壓輸變電設備特別是高壓斷路器的選擇，如動穩定電流等參數。從電氣設備選擇來說，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，帶非線性負載能力越強，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載；其關系體現如圖1所示。發電機帶時間常數的瞬態電抗（x＇d）和次瞬態電抗（x”d）（共同值xg），反應其帶載能力一個非常重要的體現。
圖1 高壓發電機帶非線性負載能力示意圖
●當啟動一臺電動機，電壓下降的百分數將取決于電動機的啟動容量（或同時啟動的電動機的全部容量的總和）
●最大允許下降值（一般情況）：25％電壓下降在發電機接線端，30％電壓下降在電動機接線端。
●每臺發電機的電壓下降值，均可使用堵轉曲線來計算（每臺發電機均有相應的曲線）
（4）根據負載特性選型
主要是選擇合適的功率因數，負載功率因數對發電機組輸出功率的影響，功率因數分為超前和滯后兩種，功率因數越低，給負載供電時對發電機的容量要求越高。商用三相發電機標稱為pf是0.8（滯后）。任何時候用發電機給功率因數為超前的負載供電時應特別注意。
如圖2所示中，發電機組的功率在藍色和紅色的區域中（面積大的一塊），圖2左邊是功率因數超前，圖2右邊是功率因數滯后。
a．當負載功率因數≥0.8（滯后）時，發電機組帶載能力由發電機組額定有功功率確定；當負載功率因數＜0.8（滯后）時，發電機組帶載能力由發電機組額定視在功率確定。
b．當負載功率因數≥0.9（超前）時，發電機組帶載能力由發電機組額定有功功率確定；當負載功率因數＜0.9（超前）時，發電機組效率下降很快。
備注：具體功率因數的選擇，首先要考慮負載本身的功率因數后，再綜合考慮發動機、發電機的容量匹配，以保證發電機組選擇的綜合性價比。
（5）勵磁方式及外部諧波對發電機及發電機組整機帶載能力的影響
勵磁方式對發電機帶非線性負載的能力起著關鍵性的作用，具體參照勵磁方式的對比；發電機的選型也需充分考慮外部諧波對其造成的影響。
非線性負載會向柴油發電機組反射大量的諧波，其中5次和7次諧波危害最嚴重，尤其是非線性負載較大而發電機組容量又較小時這種危害就更明顯。根據有關資料研究表明，發電機組輸出側的負載總諧波電流超過發電機組額定電流的5％時，就可能引起油機振蕩、穩定時間延長，并使發電機組輸出實際容量降低10％。除此之外，由于發電機組的內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，再加上發電機組本身也會產生諧波，其后果將出現發電機組輸出電壓嚴重失真和負載設備誤動作，嚴重時會損壞avr和負載設備。為了消除發電機組自身產生的諧波，目前各廠家通行的做法是選用2/3節距的發電機，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 柴油發電機組工作區域圖
表1 不同節距的發電機對發電機組輸出諧波的抑制效果
3次諧波
5次諧波
7次諧波
8／9節距
12%
32%
60%
7／8節距
50%
82%
30%
2／3節距
100%
10%
12%
目前，高壓發電機除了2/3節距，還有5/6不規則的節距，同樣是處于對諧波抑制的設計考慮。要解決發電機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電機組的影響著手，即提高發電機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電機組，一般發電機組功率為ups容量的若干倍再加上其他一般負載，這樣可以有效提高發電機組對諧波時的瞬態特性。但這樣將大幅度增加投資，可以通過采取一些特殊的措施，在改善發電機組的運行性能的時獲得更好的經濟效益。
① 選用永磁他勵（pmg）發電機
因pmg系列發電機的電子自動調壓系統avr獨立于發電機的機械系統，功率源從副勵磁機電樞繞組取得。在發電機負載和轉速突變時，該系統不受發電機機械過渡過程的影響，將輸出電壓調整到額定值。因此，pmg系列發電機的動態電壓調整率遠小于其他勵磁發電機，并有較好的動態穩定性，可提高發電機帶非線性負載能力。由于pmg系統提供一個與定子輸出電壓波形畸變及大小無關的恒定的勵磁電源，因而能提供較高的電動機啟動承受能力，并對非線性負載產生的主機定子輸出電壓的波形畸變具有抗干擾性。
② 在不增加柴油機功率的條件下，配置一臺較大容量的發電機
以提高發電機組帶非線性負載的能
面對干式氣缸套和濕式氣缸套一臉懵？教您辨別
關于柴油發電機組散熱器的一些注意事項
支持柴油發電機組正常運行的基本組件是哪些？
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一、發動機的選型
1、根據功率選型
根據不同的應用場合選擇不同類型的發動機，主要考慮發動機的關鍵特性-帶載能力。
2、根據環保要求選型
集中在該功率段區域調速方式分為兩種，一種為電子調速，二種為電噴（高壓共軌電噴），區別主要是排放等級的區別。
3、根據燃料需求選型
柴油、燃氣和重油等，不同的地區其燃料的儲備優勢不一樣。
二、發電機的選型
1、根據電壓、頻率等級的選型，在應急備用柴油發電機組電壓等級一般分為低壓（108～690v）、中壓（3.3～4.16kv）、高壓（6～15kv），目前行業內發電機的最高電壓等級為15kv，高出此電壓等級的只能采用升壓變壓器升壓后并機的方式進行選型
2、選用斯坦福或利萊森瑪等同步無刷發電機，維護簡單，采用dvr數字式自動電壓調節器，電壓穩定，抗干擾性能強，可選永磁勵磁發電機，提高非線性負載的承載能力；按照f級絕緣f級溫升進行選型；同時發電機帶載能力的大小與發電機本身的性能有關外，還與其自身幾個關鍵參數相關，其參數值的大小直接影響帶不同負載的帶載能力；主要包括直軸瞬態電抗值、直軸超瞬態電抗值、功率因數對外部的諧波（例如3次、5次、7次諧波等）。
（1）xd直軸同步電抗
xd是代表發電機磁飽和值，決定發電機運行曲線上的安全區域，當發電機運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電機性能的優劣。
（2）x＇d直軸瞬態電抗
x＇d是代表發電機運行中三相突然短路瞬變的過渡電抗。直軸瞬變電抗是發電機額定轉速運行時，定子繞組直軸總磁鏈產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。它也是發電機和整個電力系統的重要參數，對發電機的動態穩定極限及突然加負載時的瞬態電壓變化率有很大影響。x＇d越小，動態穩定極限越大、瞬態電壓變化率越小；但x＇d越小，定子鐵心要增大，從而使發電機體積增大、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：直軸瞬態電抗的值主要體現發電機帶突加大電流的負載能力，值越低其帶類似電動機負載的能力越強，主要是帶畸變負載。
（3）x”d直軸超瞬態電抗
x”d是代表發電機運行中三相突然短路最初一瞬間的過渡電抗。發電機突然短路時，轉子勵磁繞組和阻尼繞組為保持磁鏈不變，感應出對電樞反應磁通起去磁作用的電流，將電樞反應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很小，故其相對應的直軸電抗也很小，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電機突然短路時，定子電流的周期分量由x”d來限制。結構上，x”d主要由發電機定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定。對于無阻尼繞組的發電機，則x”d＝x＇d。
由于x”d的大小影響電力系統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中高壓輸變電設備特別是高壓斷路器的選擇，如動穩定電流等參數。從電氣設備選擇來說，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，帶非線性負載能力越強，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載；其關系體現如圖1所示。發電機帶時間常數的瞬態電抗（x＇d）和次瞬態電抗（x”d）（共同值xg），反應其帶載能力一個非常重要的體現。
圖1 高壓發電機帶非線性負載能力示意圖
●當啟動一臺電動機，電壓下降的百分數將取決于電動機的啟動容量（或同時啟動的電動機的全部容量的總和）
●最大允許下降值（一般情況）：25％電壓下降在發電機接線端，30％電壓下降在電動機接線端。
●每臺發電機的電壓下降值，均可使用堵轉曲線來計算（每臺發電機均有相應的曲線）
（4）根據負載特性選型
主要是選擇合適的功率因數，負載功率因數對發電機組輸出功率的影響，功率因數分為超前和滯后兩種，功率因數越低，給負載供電時對發電機的容量要求越高。商用三相發電機標稱為pf是0.8（滯后）。任何時候用發電機給功率因數為超前的負載供電時應特別注意。
如圖2所示中，發電機組的功率在藍色和紅色的區域中（面積大的一塊），圖2左邊是功率因數超前，圖2右邊是功率因數滯后。
a．當負載功率因數≥0.8（滯后）時，發電機組帶載能力由發電機組額定有功功率確定；當負載功率因數＜0.8（滯后）時，發電機組帶載能力由發電機組額定視在功率確定。
b．當負載功率因數≥0.9（超前）時，發電機組帶載能力由發電機組額定有功功率確定；當負載功率因數＜0.9（超前）時，發電機組效率下降很快。
備注：具體功率因數的選擇，首先要考慮負載本身的功率因數后，再綜合考慮發動機、發電機的容量匹配，以保證發電機組選擇的綜合性價比。
（5）勵磁方式及外部諧波對發電機及發電機組整機帶載能力的影響
勵磁方式對發電機帶非線性負載的能力起著關鍵性的作用，具體參照勵磁方式的對比；發電機的選型也需充分考慮外部諧波對其造成的影響。
非線性負載會向柴油發電機組反射大量的諧波，其中5次和7次諧波危害最嚴重，尤其是非線性負載較大而發電機組容量又較小時這種危害就更明顯。根據有關資料研究表明，發電機組輸出側的負載總諧波電流超過發電機組額定電流的5％時，就可能引起油機振蕩、穩定時間延長，并使發電機組輸出實際容量降低10％。除此之外，由于發電機組的內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，再加上發電機組本身也會產生諧波，其后果將出現發電機組輸出電壓嚴重失真和負載設備誤動作，嚴重時會損壞avr和負載設備。為了消除發電機組自身產生的諧波，目前各廠家通行的做法是選用2/3節距的發電機，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 柴油發電機組工作區域圖
表1 不同節距的發電機對發電機組輸出諧波的抑制效果
3次諧波
5次諧波
7次諧波
8／9節距
12%
32%
60%
7／8節距
50%
82%
30%
2／3節距
100%
10%
12%
目前，高壓發電機除了2/3節距，還有5/6不規則的節距，同樣是處于對諧波抑制的設計考慮。要解決發電機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電機組的影響著手，即提高發電機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電機組，一般發電機組功率為ups容量的若干倍再加上其他一般負載，這樣可以有效提高發電機組對諧波時的瞬態特性。但這樣將大幅度增加投資，可以通過采取一些特殊的措施，在改善發電機組的運行性能的時獲得更好的經濟效益。
① 選用永磁他勵（pmg）發電機
因pmg系列發電機的電子自動調壓系統avr獨立于發電機的機械系統，功率源從副勵磁機電樞繞組取得。在發電機負載和轉速突變時，該系統不受發電機機械過渡過程的影響，將輸出電壓調整到額定值。因此，pmg系列發電機的動態電壓調整率遠小于其他勵磁發電機，并有較好的動態穩定性，可提高發電機帶非線性負載能力。由于pmg系統提供一個與定子輸出電壓波形畸變及大小無關的恒定的勵磁電源，因而能提供較高的電動機啟動承受能力，并對非線性負載產生的主機定子輸出電壓的波形畸變具有抗干擾性。
② 在不增加柴油機功率的條件下，配置一臺較大容量的發電機
以提高發電機組帶非線性負載的能
面對干式氣缸套和濕式氣缸套一臉懵？教您辨別
關于柴油發電機組散熱器的一些注意事項
支持柴油發電機組正常運行的基本組件是哪些？
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