新聞主題	20KV市電配套柴油發(fā)電機的技術改造方案

 

摘要：在中國的很多地區(qū)逐漸采用的是20KV電制市電，但是在中國市場上沒有這款類型的20KV/50HZ柴油發(fā)電機組成品購買渠道，只能向國外發(fā)電機組廠商通過定制方式獲得。很顯然，通過定制獲得的柴油發(fā)電機組由于零部件的獨立性將會給以后的維修和保養(yǎng)造成極大的困難，因此站在有利于后期運營的角度，必須為自己選擇通用性強的柴發(fā)。目前，在現(xiàn)有的市場上主要存在著400V和10KV兩種電壓的柴油發(fā)電機組，根據(jù)這兩種不同電壓，康明斯公司以6臺備用2000KW項目需求為例，介紹以下三種為20KV電制市電配置的柴油發(fā)電機組技術改造方案。

 

一、柴發(fā)并聯(lián)的目的和調節(jié)系統(tǒng)

 

      目前，隨著企業(yè)業(yè)務的不斷增長，數(shù)據(jù)中心日常所消耗的能源也呈同步增長趨勢，一旦發(fā)生市電中斷故障，單臺柴油發(fā)電機根本滿足不了數(shù)據(jù)中心后備電源容量需求，所以，往往需要多臺發(fā)電機組并機運行。為了提高電力系統(tǒng)運行的經濟性和系統(tǒng)可靠性，這就要求系統(tǒng)控制邏輯上不僅要求發(fā)電機組本身具有良好的性能，而且要求各發(fā)電機組間合理承擔下游系統(tǒng)中的有功和無功負荷，這些要求集中反映在對柴油機的調速系統(tǒng)和同步發(fā)電機的調壓系統(tǒng)。

1、下垂控制（Droop Contol）

      為了保證柴油發(fā)電機組并機運行的穩(wěn)定性，往往采用下垂控制，即分別通過P/f下垂控制和Q/V下垂控制來獲取穩(wěn)定的頻率和電壓，其特性曲線如圖1所示。這種控制方式對各發(fā)電機組輸出的有功功率和無功功率分別控制，無需各發(fā)電機組間的通信協(xié)調，實現(xiàn)各發(fā)電機組之間的對等控制，保證了柴油發(fā)電機組并機系統(tǒng)的供需平衡和頻率穩(wěn)定。

      下垂控制采用了電壓、電流雙環(huán)控制，電流內環(huán)動態(tài)響應速度快，用來提高發(fā)電機組的電能質量，電壓外環(huán)控制器動態(tài)響應速度較慢，可以控制系統(tǒng)的輸出電壓，并產生內環(huán)參考信號。首先利用測量模塊采集負荷點的電壓和電流，計算出發(fā)電機組的輸出瞬時有功、無功功率，再經過低通濾波器LPF得到相應的平均功率；假設額定頻率運行時，發(fā)電機組輸出的有功功率為P，F(xiàn)、U分別為電力系統(tǒng)的頻率和額定電壓幅值，通過下垂環(huán)節(jié)得到輸出頻率和電壓幅值的指令，再通過電壓合成環(huán)節(jié)產生參考電壓，然后，參考電壓將作為電壓電流雙環(huán)節(jié)控制器的輸入。 

2、調速（有功-頻率控制）系統(tǒng)

      以同步發(fā)電機的額定功率fN為基準值，當下游負載的有功功率增加到Pred，則同步發(fā)電機的輸出頻率下垂到fref這個新的穩(wěn)定值，AB段的斜率即為同步發(fā)電機的靜態(tài)調差系數(shù)

mp，Δf=fref-fN，ΔP=PN-Pred

      在柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，各發(fā)電機動態(tài)調整各自的頻率和功率，直至滿足所有負載需求。若各發(fā)電機組容量相同，則靜態(tài)調差系數(shù)也相同，輸出功率自然也相同；若發(fā)電機組容量不同，則單機容量較大的發(fā)電機組靜態(tài)調差系數(shù)較大，發(fā)電機組承擔的下游負載自然也更多。

3、調壓（無功-電壓控制）系統(tǒng)

      同理，CD段的斜率稱為同步發(fā)電機的無功-電壓下垂控制系數(shù)nq，反應了發(fā)電機組無功功率增量與端電壓偏差的關系，且

ΔU=Uref-UN，ΔQ=QN-Qred

      由同步發(fā)電機勵磁功率單元控制框圖可知，經過測量環(huán)節(jié)與調差環(huán)節(jié)的計算得出參考電壓，然后在與發(fā)電機端電壓進行比較（其中調壓器為PI控制），使得發(fā)電機端電壓始終迅速跟蹤電壓指令。

      柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行中，常出現(xiàn)功率分配不均勻現(xiàn)象，過度功率分配不均勻將會嚴重影響電站系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，且會對發(fā)電機組產生嚴重危害。因此，在設備并聯(lián)系統(tǒng)安裝完畢后，應對其進行性能測試，如圖2所示。

 

圖1  柴油機加載降頻的下垂特性曲線圖

圖2  柴油發(fā)電機組并聯(lián)后測試

二、 6臺400V低壓柴發(fā)并機（方案1）

 

      400KV高壓柴油發(fā)電機組實物外形如圖3所示，接線示意圖如圖4所示。

1、低壓并機方案說明

（1） 由于受困于并機母排電流6300A限制，6臺低壓發(fā)電機組并機運行必須在高壓側才能實現(xiàn)。因為6臺功率為2000KW/電壓400V發(fā)電機組并機電流將達到2萬多安，無法設計并機母排。

（2）我國現(xiàn)有的并機技術相當成熟，無論是在低壓并機和高壓并機控制方面，都出現(xiàn)了優(yōu)良的解決方案。據(jù)此在本方案中我們選擇了6臺400V柴油發(fā)電機組通過6臺變壓器將每臺柴油發(fā)電機組電壓升到20KV，在20KV側實行并機控制，達到6臺低壓發(fā)電機組并機運行目的。并機后與市電在20KV側切換，為項目提供備用電源。

（3）饋電系統(tǒng)沿用市電運行時的饋電系統(tǒng)，在備用電源系統(tǒng)中不加更改。

2、低壓并機方案優(yōu)勢

（1）通過并機功能將整個項目備用電源（6臺柴油發(fā)電機組）集中在一起成為備用電站，方便設備維護和管理。

（2）將備用電源升至高壓后傳輸節(jié)約了電傳輸過程中的成本（電纜及電損失）。

（3）饋電系統(tǒng)方面沿用市電系統(tǒng)設計，特別適用于改造系統(tǒng)。

3、低壓并機方案缺點

（1）為了提高系統(tǒng)可靠性，發(fā)電機組數(shù)量需增加（如采用N+1或N+2系統(tǒng)），增加了系統(tǒng)初次投資。

（2）在整個系統(tǒng)中每臺柴油發(fā)電機組均需配置低壓電柜，變壓器和高壓電柜，多出了數(shù)量不小的低壓或高壓電柜，初次投資設備成本高，同時也增大了設備的占地面積。

 

圖3  2000KW低壓康明斯電力發(fā)電機組（400V）

圖4  400V低壓柴油發(fā)電機組并機線路圖

 

三、6臺10kV高壓柴發(fā)并機（方案2）

 

      10KV高壓柴油發(fā)電機組實物外形如圖5所示，接線示意圖如圖6所示。

1、高壓并機方案說明

（1）本方案中我們采用了10KV高壓柴發(fā)，在10KV母排側實現(xiàn)6臺2000KW并機，再通過升壓變壓器將發(fā)電機組輸出電壓升到20KV，與市電在20KV側切換，為項目提供備用電源。

（2）饋電系統(tǒng)采用市電運行時的饋電系統(tǒng)，在備用電源系統(tǒng)中不加更改。

2、高壓并機方案優(yōu)勢

（1）將整個項目備用電源集中在一起成為備用電站，方便設備維護和管理。

（2）同時將備用電源升至高壓后傳輸節(jié)約了電傳輸過程中的成本（電纜及電損失）。

（3）在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心項目中，相關項目采用了10KV等級相關設備如冷水空調等，可直接在10KV側與市電切換，減少了變壓器配置，同時也節(jié)省了能量在變壓器處的損耗。

（4）饋電系統(tǒng)方面沿用市電系統(tǒng)設計，同樣適用于改造系統(tǒng)。

（5）與方案1比較在整個系統(tǒng)中每臺柴油發(fā)電機組少配置低壓電柜，也減少了變壓器數(shù)量配置和高壓電柜的數(shù)量，初次投資設備成本降低。

3、高壓并機方案缺點

（1）為了提高系統(tǒng)可靠性，發(fā)電機組數(shù)量需增加（如采用N+1或N+2系統(tǒng)），整個系統(tǒng)初次投資將增加。

（2）與方案1比較柴油發(fā)電機組采用高壓柴發(fā)機組，對柴油發(fā)電機組操作工人要求提高，增加了柴油發(fā)電機組運行和保養(yǎng)中的人工費用。

 

圖5  2000KW高壓康明斯發(fā)電機組（10KV）

圖6  10kV高壓發(fā)電機組并機線路圖

四、400V柴發(fā)與變壓器一對一切換（方案3）

 

1、單機供電方案說明

      如圖7所示，本方案采用400V柴油發(fā)電機組在市電低壓變壓器側實現(xiàn)一對一切換，或將系統(tǒng)按樓層分成N個系統(tǒng)，將少量柴油發(fā)電機組并機后再與市電變壓器在低壓側分別切換。將項目分成N個系統(tǒng)是為了適應柴油發(fā)電機組不能多臺并機的特點，降低系統(tǒng)總需求量。香港NTT項目就是采用這樣的方案。 眾所周知，切換的可靠性要高于并機系統(tǒng)可靠性。任何需要滿足uptime T4認證要求的項目建議采用2N柴油發(fā)電機組系統(tǒng)方案，供電架構如圖8所示。

2、單機供電方案優(yōu)勢

      可靠性高，配置簡單。這是所有方案中可靠性最高的一種方案。當項目將可靠性視為最重要因素時，建議選擇此種方案。

3、單機供電方案缺點

（1）由于是低壓機組，其傳輸電纜成本較高，傳輸電損失相對也高。

（2） 為了降低項目柴油發(fā)電機組配置數(shù)量，采用此方案時設計工程師應合理設計和布置負載，使備用機組盡可能在大功率條件下輸出。

（3） 由于低壓輸送中傳輸電纜成本較高，因此在設計時應合理布置柴油發(fā)電機組位置，盡量減少低壓電纜的長度。

（4）由于需調整低壓變壓器后負載，本方案不適用于改造項目。

 

圖7  400V柴油發(fā)電機組與市電切換線路圖（單機）

圖8  2N柴油發(fā)電機組系統(tǒng)供電架構（五選二）

 

五、方案對比選擇

 

      在初步了解了以上三種方案以后，各位用戶是否迫切想知道以上三種方案的經濟對比情況呢？下面是我們康明斯柴油發(fā)電機組項目工程師根據(jù)以上所講內容，以6臺柴油發(fā)電機組需求為例對三種方案進行配置需求，大家可以根據(jù)下表1中的配置要求及數(shù)量和各企業(yè)的預算定額進行三種方案的經濟方案對比。

表1    三種康明斯發(fā)電機組配置方案優(yōu)缺點對比分析表

 

總結：

      沒有哪一種柴發(fā)供電方案是萬能通用的，不同應用需求，將會有不同方案選擇。只有根據(jù)項目自身的需求，才能選擇最適合項目的技術方案。康明斯公司在本文中列出各種可行的方案和各個方案的優(yōu)點和缺點供用戶參考，希望各位用戶在項目的具體應用中根據(jù)具體項目需求選擇項目最合適的柴油發(fā)電機組配置方案。

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