新聞主題	20KV市電配套柴油發(fā)電機的技術(shù)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(chǎng)上沒(méi)有這款類(lèi)型的20KV/50HZ柴油發(fā)電機組成品購買(mǎi)渠道，只能向國外發(fā)電機組廠(chǎng)商通過(guò)定制方式獲得。很顯然，通過(guò)定制獲得的柴油發(fā)電機組由于零部件的獨立性將會(huì )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(yíng)的角度，必須為自己選擇通用性強的柴發(fā)。目前，在現有的市場(chǎng)上主要存在著(zhù)400V和10KV兩種電壓的柴油發(fā)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(fā)電機組技術(shù)改造方案。

 

一、柴發(fā)并聯(lián)的目的和調節系統

 

      目前，隨著(zhù)企業(yè)業(yè)務(wù)的不斷增長(cháng)，數據中心日常所消耗的能源也呈同步增長(cháng)趨勢，一旦發(fā)生市電中斷故障，單臺柴油發(fā)電機根本滿(mǎn)足不了數據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。為了提高電力系統運行的經(jīng)濟性和系統可靠性，這就要求系統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中的有功和無(wú)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(fā)電機的調壓系統。

1、下垂控制（Droop Contol）

      為了保證柴油發(fā)電機組并機運行的穩定性，往往采用下垂控制，即分別通過(guò)P/f下垂控制和Q/V下垂控制來(lái)獲取穩定的頻率和電壓，其特性曲線(xiàn)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(wú)功功率分別控制，無(wú)需各發(fā)電機組間的通信協(xié)調，實(shí)現各發(fā)電機組之間的對等控制，保證了柴油發(fā)電機組并機系統的供需平衡和頻率穩定。

      下垂控制采用了電壓、電流雙環(huán)控制，電流內環(huán)動(dòng)態(tài)響應速度快，用來(lái)提高發(fā)電機組的電能質(zhì)量，電壓外環(huán)控制器動(dòng)態(tài)響應速度較慢，可以控制系統的輸出電壓，并產(chǎn)生內環(huán)參考信號。首先利用測量模塊采集負荷點(diǎn)的電壓和電流，計算出發(fā)電機組的輸出瞬時(shí)有功、無(wú)功功率，再經(jīng)過(guò)低通濾波器LPF得到相應的平均功率；假設額定頻率運行時(shí)，發(fā)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(guò)下垂環(huán)節得到輸出頻率和電壓幅值的指令，再通過(guò)電壓合成環(huán)節產(chǎn)生參考電壓，然后，參考電壓將作為電壓電流雙環(huán)節控制器的輸入。 

2、調速（有功-頻率控制）系統

      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(gè)新的穩定值，AB段的斜率即為同步發(fā)電機的靜態(tài)調差系數

mp，Δf=fref-fN，ΔP=PN-Pred

      在柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時(shí)，各發(fā)電機動(dòng)態(tài)調整各自的頻率和功率，直至滿(mǎn)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)調差系數較大，發(fā)電機組承擔的下游負載自然也更多。

3、調壓（無(wú)功-電壓控制）系統

      同理，CD段的斜率稱(chēng)為同步發(fā)電機的無(wú)功-電壓下垂控制系數nq，反應了發(fā)電機組無(wú)功功率增量與端電壓偏差的關(guān)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(jīng)過(guò)測量環(huán)節與調差環(huán)節的計算得出參考電壓，然后在與發(fā)電機端電壓進(jìn)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，常出現功率分配不均勻現象，過(guò)度功率分配不均勻將會(huì )嚴重影響電站系統運行的安全性和可靠性，且會(huì )對發(fā)電機組產(chǎn)生嚴重危害。因此，在設備并聯(lián)系統安裝完畢后，應對其進(jìn)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(xiàn)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(shí)物外形如圖3所示，接線(xiàn)示意圖如圖4所示。

1、低壓并機方案說(shuō)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(shí)現。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(wàn)多安，無(wú)法設計并機母排。

（2）我國現有的并機技術(shù)相當成熟，無(wú)論是在低壓并機和高壓并機控制方面，都出現了優(yōu)良的解決方案。據此在本方案中我們選擇了6臺400V柴油發(fā)電機組通過(guò)6臺變壓器將每臺柴油發(fā)電機組電壓升到20KV，在20KV側實(shí)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）饋電系統沿用市電運行時(shí)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(yōu)勢

（1）通過(guò)并機功能將整個(gè)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約了電傳輸過(guò)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(diǎn)

（1）為了提高系統可靠性，發(fā)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(gè)系統中每臺柴油發(fā)電機組均需配置低壓電柜，變壓器和高壓電柜，多出了數量不小的低壓或高壓電柜，初次投資設備成本高，同時(shí)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(xiàn)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(shí)物外形如圖5所示，接線(xiàn)示意圖如圖6所示。

1、高壓并機方案說(shuō)明

（1）本方案中我們采用了10KV高壓柴發(fā)，在10KV母排側實(shí)現6臺2000KW并機，再通過(guò)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）饋電系統采用市電運行時(shí)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(yōu)勢

（1）將整個(gè)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(shí)將備用電源升至高壓后傳輸節約了電傳輸過(guò)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(guān)項目采用了10KV等級相關(guān)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(shí)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(gè)系統中每臺柴油發(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(diǎn)

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

（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(xiàn)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(shuō)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(shí)現一對一切換，或將系統按樓層分成N個(gè)系統，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(gè)系統是為了適應柴油發(fā)電機組不能多臺并機的特點(diǎn)，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(mǎn)足uptime T4認證要求的項目建議采用2N柴油發(fā)電機組系統方案，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(jiǎn)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(shí)，建議選擇此種方案。

3、單機供電方案缺點(diǎn)

（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)電機組配置數量，采用此方案時(shí)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(shí)應合理布置柴油發(fā)電機組位置，盡量減少低壓電纜的長(cháng)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(xiàn)路圖（單機）

圖8  2N柴油發(fā)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(hù)是否迫切想知道以上三種方案的經(jīng)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(jìn)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(yè)的預算定額進(jìn)行三種方案的經(jīng)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(diǎn)對比分析表

 

總結：

      沒(méi)有哪一種柴發(fā)供電方案是萬(wàn)能通用的，不同應用需求，將會(huì )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(shù)方案?？得魉构驹诒疚闹辛谐龈鞣N可行的方案和各個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)供用戶(hù)參考，希望各位用戶(hù)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(fā)電機組配置方案。

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