淺析空管臺站柴油發(fā)電機(jī)組配置

陳會梓

【摘 要】論文對空管系統(tǒng)臺站柴油發(fā)電機(jī)組配置進(jìn)行闡述，從柴油發(fā)電機(jī)組帶載類型，輸出穩(wěn)定性，容量以及帶載方式配置，勵磁方式的選擇等方面進(jìn)行分析，淺析了空管臺站柴油發(fā)電機(jī)組配置方案。

【Abstract】The paper expounds the configuration of diesel generator set in air traffic control station， and analyzes the type of diesel generator unit with load， output stability， capacity， configuration of load mode， selection of excitation mode and so on. The configuration scheme of diesel generator set in air traffic control station is analyzed.

【關(guān)鍵詞】柴油發(fā)電機(jī)組; 容量計(jì)算; 帶載方式; 勵磁方式; PMG

【Keywords】diesel generating set; capacity calculation; loading mode; excitation mode; PMG

【中圖分類號】V355.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2018）10-0194-03

1 引言

空管臺站供電系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姉l件按需配置了柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源。在市電斷電的情況下，柴油發(fā)電機(jī)組能夠承擔(dān)起臺站一級負(fù)荷或者全臺站供電負(fù)荷的需求。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行保障的經(jīng)驗(yàn)，對柴油發(fā)電機(jī)組的帶載范圍要求越來越廣。對于設(shè)備保障部門來說，非常希望降低市電停電對臺站運(yùn)行帶來的影響，因此柴油發(fā)電機(jī)組帶載范圍也要擴(kuò)大。而在這些負(fù)載中最為重要的是UPS，要求柴油發(fā)電機(jī)組能夠在最短的時間內(nèi)完成帶載工作，并保持穩(wěn)定輸出[1]。

2 柴油發(fā)電機(jī)組帶載情況分析

當(dāng)市電停電情況下，柴油發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行可能會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的情況。具體表現(xiàn)：發(fā)電機(jī)組輸出電流出現(xiàn)在±20%～50%振蕩;發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振蕩，輸出電壓超出UPS輸入范圍，使UPS頻繁處于放電狀態(tài)，由于負(fù)載頻繁變化，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化，造成振動加劇，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)械損傷;發(fā)電機(jī)組輸出電壓發(fā)生超出額定值的±20%的振蕩，調(diào)整發(fā)電機(jī)組的電壓調(diào)節(jié)器AVR也不能消除。

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組帶有非線性負(fù)載（包括超前或滯后功率因數(shù)的負(fù)載，以及帶有高次諧波輸入的負(fù)載如UPS），會對柴油發(fā)電機(jī)組的輸出穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。發(fā)電機(jī)組易受到非線性負(fù)載的影響是因?yàn)槠鋪喫矐B(tài)電抗（12%～20%）遠(yuǎn)大于變壓器的短路阻抗（4%～6%）。對于RLC串聯(lián)電路如無源濾波器，可能會出現(xiàn)串聯(lián)共振，造成柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓和頻率變化很大。

發(fā)電機(jī)組輸出不正常情況與如下兩種性能有關(guān)系：

①發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)調(diào)壓特性

由于發(fā)電機(jī)組的內(nèi)阻比市電電網(wǎng)大，其輸出容量也有限，當(dāng)負(fù)載突變時，發(fā)電機(jī)組的電壓瞬態(tài)變化所需時間較長，在GB2820-90中用瞬態(tài)電壓調(diào)整率（標(biāo)準(zhǔn)要求≤±20%）和電壓恢復(fù)時間（標(biāo)準(zhǔn)要求±2.4S）兩個指標(biāo)衡量，而各種類型的發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)電壓的調(diào)整率相差并不大。機(jī)組的瞬態(tài)電壓調(diào)整率和電壓恢復(fù)時間與機(jī)組的勵磁系統(tǒng)有較大的關(guān)系。

②負(fù)載大小和性質(zhì)

非線性負(fù)載占發(fā)電機(jī)額定容量的比例越大，其對發(fā)電機(jī)組的要求也越高。就目前多數(shù)空管臺站的負(fù)載性質(zhì)來說，絕大部分都是非線性負(fù)載，諸如6脈沖相控整流UPS、EPS應(yīng)急照明、帶整流器的照明系統(tǒng)、機(jī)房變頻空調(diào)、大量的辦公電腦等等。在柴油發(fā)電機(jī)組選型時，必須考慮到UPS采用的整流技術(shù)。如采用6脈沖相控整流UPS，柴油發(fā)電機(jī)組容量為UPS容量的3～3.5倍，而采用高頻IGBT整流技術(shù)的UPS，約為UPS容量的1.2～1.5倍，還需留有20%～30%的冗余度。

圖1為發(fā)電機(jī)組的功率折算曲線，圖中粗黑色對一臺發(fā)電機(jī)組，功率折算是工作點(diǎn)的函數(shù)。對純?nèi)菪载?fù)載，功率因數(shù)為0，發(fā)電機(jī)組所提供的功率只有額定功率的30%。

3 柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算以及帶載方式配置

根據(jù)UPS容量，一般配套的發(fā)電機(jī)組容量比在2～4倍。而UPS負(fù)載量通常在50%～70%（并機(jī)中的單機(jī)容量），而對發(fā)電機(jī)組，其輸出功率可能在40%左右，根據(jù)運(yùn)行情況分析，柴油發(fā)電機(jī)組確保70%～80%左右的額定負(fù)載輸出比較有利。通過改善負(fù)載以及UPS輸入的功率因數(shù)能夠明顯降低發(fā)電機(jī)與UPS的容量配比。

臺站供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)載量占輸出額定功率的70%～80%，利用計(jì)算負(fù)荷要求配置發(fā)電機(jī)組的常備功率。計(jì)算臺站柴油發(fā)電機(jī)組所要供電的負(fù)荷，以70%～80%比例進(jìn)行計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組的常備功率。在柴油發(fā)電機(jī)組選型時還應(yīng)注意同等容量下的區(qū)別，如同樣為150KVA的兩種型號機(jī)組威爾信P150E、P150P1。P150P1適用與長行功率，可作為自備電源，對非恒定負(fù)載提供持續(xù)電力供應(yīng)，對每年運(yùn)行時間沒有限制，并允許每12H內(nèi)有1H過載10%以內(nèi)運(yùn)行。P150E適用于備用功率?？勺鳛閼?yīng)急電源，對非恒定負(fù)載提供連續(xù)電力供應(yīng)，而此型號機(jī)組的發(fā)電機(jī)已被調(diào)至最高允許功率，不能過載運(yùn)行。查詢了參數(shù)表P150E輸出額定電流228A，P150P1輸出額定電流251A，帶載能力略大于P150E，應(yīng)優(yōu)先選擇帶載能力強(qiáng)的柴油發(fā)電機(jī)組。

采用錯時帶載方法可以避免負(fù)載對柴油發(fā)電機(jī)組造成的巨大沖擊，該方法主要通過設(shè)置設(shè)備帶載順序避免負(fù)載沖擊電流的疊加。柴油發(fā)電機(jī)組帶載的順序，可以優(yōu)先滿足UPS，其次是機(jī)房空調(diào)、照明，最后是功耗小，啟動電流低的負(fù)載。在了解負(fù)載的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)功率情況下，柴油發(fā)電機(jī)組的備用過載功率始終大于任意負(fù)載啟動的瞬態(tài)功率加上已經(jīng)完成啟動的負(fù)載穩(wěn)態(tài)功率。目前柴油發(fā)電機(jī)組錯時帶載的方法主要是通過末端的ATS調(diào)整切換時間實(shí)現(xiàn)的，通常將UPS的輸入配電柜設(shè)置為優(yōu)先切換，其次是機(jī)房空調(diào)，應(yīng)急照明，再者是消防系統(tǒng)，辦公用電等負(fù)載。

4柴油發(fā)電機(jī)組的勵磁方式的選擇

勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，分為自勵式和PMG（永磁發(fā)電機(jī)）勵磁式同步交流發(fā)電機(jī)。其中PMG式調(diào)壓器AVR功率源由副勵磁機(jī)（永磁發(fā)電機(jī)）電樞繞組取得，交流同步發(fā)電機(jī)電樞繞組只提供信號源。PMG（永磁發(fā)電機(jī)）AVR的功率源取自副勵磁機(jī)的電樞繞組，與同步交流發(fā)電機(jī)的電樞繞組的電壓波形無關(guān)。在發(fā)電機(jī)負(fù)載突變時，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，有較好的動態(tài)穩(wěn)定性。永磁發(fā)電機(jī)具備電磁干擾小、電機(jī)效率高、電機(jī)溫升低等特點(diǎn)，適用于要求柴油發(fā)電機(jī)組供電質(zhì)量高、瞬間電壓波動小、輸出電壓波形好、畸變率低的場合。PMG勵磁方式的同步交流發(fā)電機(jī)可以在任何功率的機(jī)型中裝配，同時需要更換AVR。采用自勵式同步交流發(fā)電機(jī)時，UPS與發(fā)電機(jī)功率比至少為1：2～2.5，但仍不能保證發(fā)電機(jī)不受UPS影響;采用PMG（永磁發(fā)電機(jī)）勵磁式同步交流發(fā)電機(jī)時， UPS與發(fā)電機(jī)功率比取1：1.25～2，保證發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行。

如圖2所示，PMG永磁式勵磁方式的永磁勵磁系統(tǒng)由五部分組成：發(fā)電機(jī)主勵磁繞組（轉(zhuǎn)子），永磁發(fā)電機(jī)（PMG），自動電壓調(diào)節(jié)器AVR勵磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)二極管。勵磁系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，永磁發(fā)電機(jī)（PMG）的永磁轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)，切割PMG 的定子繞組而產(chǎn)生三相正弦電勢，引入發(fā)電機(jī)自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）作為AVR 的輸入電源，AVR 通過檢測發(fā)電機(jī)的三相輸出電壓自動調(diào)節(jié)勵磁機(jī)磁場的勵磁電流，從而調(diào)節(jié)勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子的三相輸出電壓，經(jīng)旋轉(zhuǎn)二極管整流后輸送至發(fā)電機(jī)主轉(zhuǎn)子的勵磁回路。

通常PMG 系統(tǒng)可承受達(dá)300%的額定電流，持續(xù)10s，而普通自勵磁發(fā)電機(jī)的備用功率（過載能力）僅具備110%的額定輸出功率，要提高發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)過載能力需要增加發(fā)電機(jī)組的額定輸出功率才能實(shí)現(xiàn)。具有精度極高的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率，通?？蛇_(dá)±0.5%。具有更強(qiáng)的抗干擾能力，帶非線性負(fù)載能力強(qiáng)。同等容量的發(fā)電機(jī)組加裝PMG后其帶非線性負(fù)載能力將提高20%，PMG柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)成為空管臺站柴油發(fā)電機(jī)組配置的首選。

空管臺站供電系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，在容量匹配并考慮一定冗余度的情況下，配置PMG永磁式勵磁系統(tǒng)，提升柴油發(fā)電機(jī)組帶載能力。同時合理設(shè)置末端的ATS自動切換開關(guān)切換時間，避免負(fù)載對柴油發(fā)電機(jī)組造成的巨大沖擊。

【參考文獻(xiàn)】

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