新聞主題	20KV市電配套柴油發電機的技術改造方案

 

摘要：在中國的很多地區逐漸采用的是20KV電制市電，但是在中國市場上沒有這款類型的20KV/50HZ柴油發電機組成品購買渠道，只能向國外發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電機組由于零部件的獨立性將會給以后的維修和保養造成極大的困難，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。目前，在現有的市場上主要存在著400V和10KV兩種電壓的柴油發電機組，根據這兩種不同電壓，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電機組技術改造方案。

 

一、柴發并聯的目的和調節系統

 

      目前，隨著企業業務的不斷增長，數據中心日常所消耗的能源也呈同步增長趨勢，一旦發生市電中斷故障，單臺柴油發電機根本滿足不了數據中心后備電源容量需求，所以，往往需要多臺發電機組并機運行。為了提高電力系統運行的經濟性和系統可靠性，這就要求系統控制邏輯上不僅要求發電機組本身具有良好的性能，而且要求各發電機組間合理承擔下游系統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和同步發電機的調壓系統。

1、下垂控制（Droop Contol）

      為了保證柴油發電機組并機運行的穩定性，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電機組輸出的有功功率和無功功率分別控制，無需各發電機組間的通信協調，實現各發電機組之間的對等控制，保證了柴油發電機組并機系統的供需平衡和頻率穩定。

      下垂控制采用了電壓、電流雙環控制，電流內環動態響應速度快，用來提高發電機組的電能質量，電壓外環控制器動態響應速度較慢，可以控制系統的輸出電壓，并產生內環參考信號。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，發電機組輸出的有功功率為P，F、U分別為電力系統的頻率和額定電壓幅值，通過下垂環節得到輸出頻率和電壓幅值的指令，再通過電壓合成環節產生參考電壓，然后，參考電壓將作為電壓電流雙環節控制器的輸入。 

2、調速（有功-頻率控制）系統

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

mp，Δf=fref-fN，ΔP=PN-Pred

      在柴油發電機組并聯運行時，各發電機動態調整各自的頻率和功率，直至滿足所有負載需求。若各發電機組容量相同，則靜態調差系數也相同，輸出功率自然也相同；若發電機組容量不同，則單機容量較大的發電機組靜態調差系數較大，發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

      同理，CD段的斜率稱為同步發電機的無功-電壓下垂控制系數nq，反應了發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

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

      柴油發電機組并聯運行中，常出現功率分配不均勻現象，過度功率分配不均勻將會嚴重影響電站系統運行的安全性和可靠性，且會對發電機組產生嚴重危害。因此，在設備并聯系統安裝完畢后，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  柴油發電機組并聯后測試

二、 6臺400V低壓柴發并機（方案1）

 

      400KV高壓柴油發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臺低壓發電機組并機運行必須在高壓側才能實現。因為6臺功率為2000KW/電壓400V發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，都出現了優良的解決方案。據此在本方案中我們選擇了6臺400V柴油發電機組通過6臺變壓器將每臺柴油發電機組電壓升到20KV，在20KV側實行并機控制，達到6臺低壓發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）饋電系統沿用市電運行時的饋電系統，在備用電源系統中不加更改。

2、低壓并機方案優勢

（1）通過并機功能將整個項目備用電源（6臺柴油發電機組）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約了電傳輸過程中的成本（電纜及電損失）。

（3）饋電系統方面沿用市電系統設計，特別適用于改造系統。

3、低壓并機方案缺點

（1）為了提高系統可靠性，發電機組數量需增加（如采用N+1或N+2系統），增加了系統初次投資。

（2）在整個系統中每臺柴油發電機組均需配置低壓電柜，變壓器和高壓電柜，多出了數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低壓康明斯電力發電機組（400V）

圖4  400V低壓柴油發電機組并機線路圖

 

三、6臺10kV高壓柴發并機（方案2）

 

      10KV高壓柴油發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，在10KV母排側實現6臺2000KW并機，再通過升壓變壓器將發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）饋電系統采用市電運行時的饋電系統，在備用電源系統中不加更改。

2、高壓并機方案優勢

（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約了電傳輸過程中的成本（電纜及電損失）。

（3）在現有的數據中心項目中，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，同時也節省了能量在變壓器處的損耗。

（4）饋電系統方面沿用市電系統設計，同樣適用于改造系統。

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

3、高壓并機方案缺點

（1）為了提高系統可靠性，發電機組數量需增加（如采用N+1或N+2系統），整個系統初次投資將增加。

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

 

圖5  2000KW高壓康明斯發電機組（10KV）

圖6  10kV高壓發電機組并機線路圖

四、400V柴發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柴油發電機組在市電低壓變壓器側實現一對一切換，或將系統按樓層分成N個系統，將少量柴油發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個系統是為了適應柴油發電機組不能多臺并機的特點，降低系統總需求量。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柴油發電機組系統方案，供電架構如圖8所示。

2、單機供電方案優勢

      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電機組配置數量，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柴油發電機組與市電切換線路圖（單機）

圖8  2N柴油發電機組系統供電架構（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電機組項目工程師根據以上所講內容，以6臺柴油發電機組需求為例對三種方案進行配置需求，大家可以根據下表1中的配置要求及數量和各企業的預算定額進行三種方案的經濟方案對比。

表1    三種康明斯發電機組配置方案優缺點對比分析表

 

總結：

      沒有哪一種柴發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具體項目需求選擇項目最合適的柴油發電機組配置方案。

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