1 發電機組的技術及構造特點

柴油發電機組(簡稱發電機組)是由柴油發動機(簡稱發動機,因為比汽油發動機勁大,中、大型發電機組都用柴油發動機)的曲軸(主軸)剛性連接著同步發電機(簡稱發電機)的轉軸(轉子軸)同速、同步轉動發電的機器。為了有足夠大的力量帶動發電機發電,發動機的輸出功率比發電機的輸出功率大1.6～2倍。這稱為匹配比。

根據技術及構造的需要,專用於發電機組的發動機若無特殊要求,其主軸的轉速都是1500r/min(25r/s)。這是因為發電機定子三相繞組和中間的轉子勵磁繞組的構造特點,當發動機帶著轉子軸轉動時,轉子上勵磁繞組的電磁場掃過三相繞組,繞組所產生的電壓頻率正好是50Hz。符合國家電力標準。

這就是說,發電機的輸出頻率是由發動機轉速決定的。要想發電機組在額定輸出功率範圍內,無論負載如何變化都能保持輸出頻率穩定,那就必須用穩頻裝置實時調控發動機的轉速。

2 頻率波動的成因與影響

與市電相比,再大輸出功率的發電機組都是微不足道的。由於其輸出功率容量有限,所以它對負載的輸入功率、輸入電流高次諧波分量、輸入功率因數等都有適應性要求。否則就會使用電設備和發電機組都處於不良的工作狀態之中。

(1)電壓和頻率波動的成因

發動機帶著發電機發電時,其定子內的三相繞組以120°電角度順序向負載輸出電壓和電流。一般情況下,輸入功率相當於發電機組輸出功率60%左右的用電設備接入發電機組輸出端時,就會引起頻率和電壓明顯甚至強烈的波動。這是因為負載此刻要輸入很大的電流,從而導致三相繞組內電流猛增,此電流產生的強大電磁力吸引發電機轉子,使其轉速隨之變慢,頻率和電壓瞬間低落。可見用電設備接入時需要輸入多大的電流,是它和發電機組能否處於正常工作狀態的關鍵因素。

(2)測試曲線分析

在某國外知名品牌柴油發電機組上做過接入重負載試驗,測試曲線如圖1所示。

圖中虛線曲線表示不加入負載調節模塊時發電機組輸出頻率、電壓和轉子軸功率在重負載接入時的波動曲線。

圖1下麵的P(power)功率曲線在0～0.5s時升至最高值,表明發動機因重負載的接入而立即增加功率給發電機轉子軸,盡力維持電壓、電流和頻率的不變。0～0.2s之間曲線的小波折是由於負載中的電抗成分瞬時反應造成的。圖1上麵的U(voltage)電壓曲線,變化規律與P曲線一致。在0～0.2s時電壓突然低至額定值的0.8,說明負載中容抗成分起主要作用。到0.5s時充電到最大值。

中間的F(frequency)頻率曲線在0～0.5s時間段已下降到額定值的0.95左右,表明重負載的接入引起頻率迅速下降。

0.5s以後,過度過程加劇。定子繞組感抗成分和負載的容抗成分之間充放電電流劇增,無功功率在1.5s左右達到峰值,致使發電機轉子再次被定子繞組的電磁場吸滯而轉速變慢,發電機組輸出頻率低至額定值的0.83(F曲線)。

1.5～3s之間是重負載接入引起的電路過渡過程減弱並結束的時間,電壓(U曲線)、頻率(F曲線)和轉子軸功率(P曲線)都迅速達到正常值。從重負載接入時頻率在3s內的變化狀況(F曲線)可以看出,頻率波動與負載的大小和性質有很大關係。

(3)頻率波動的影響及應對

頻率的波動不僅對用電設備產生影響,也對發電機組自身的工作狀態造成*。數據中心的發電機組被ATS切入,對UPS供電時刻,或大或小的頻率波動隨之產生。這對於依靠輸入電壓頻率和相位調控電路輸出量值(整流器電路)或改變電路工作狀態(旁路係統)的UPS必然造成*。有的會使整機處於不良工作狀態,嚴重的會導致整機不能工作。

其實頻率波動對UPS和發電機組的影響也是相對的,恰當地選擇兩者的功率比是有效地應對措施。實際工作中得到的經驗是:對於輸入功率因數接近於1,輸入電流高次諧波分量小於10%的高頻UPS,其輸入功率在發電機組額定輸出功率80%以下時,頻率的波動不會影響正常工作。而工頻UPS隻能選擇55%以下。

3 相關的規範

有關頻率的參數也是發電機組技術標準的主要條目。定義了穩態頻率調整率df和頻率穩定時間t。前者表示負載變化後頻率的最大或最小值f1與額定負載時的頻率f2之差,同額定頻率f之比的百分數,即

常用的發電機組df值不大於3%,據此算出頻率波動值為1.5Hz。可見對用於發電機組的發動機轉速的穩定能力要求很高。對於頻率穩定時間t,標準要求在2～5s。即負載變化引起的過渡過程越短越好。

4 發電機組的穩頻裝置

能實時調控發動機的轉速,以確保發電機在額定輸出功率範圍內,負載無論如何變化均能確保頻率穩定,是對專用於發電機組的發動機的主要技術要求。為此,新技術的穩頻裝置不斷出現。

(1)電子調速器

電子調速器的工作原理框圖如圖2所示。電子調速器是一種自動調節裝置,它根據發電機組負載的變化,自動增減噴油泵的供油量和最佳噴油時刻,使發電機組能夠以穩定的轉速運行。

電子調速器的特點是,它將發動機的各功能部件的工作狀態智能地聯係並協同成一個整體,綜合研判它們的實時參數並求得最佳值,以此作為指令將燃油按照最適宜的時刻和油量由電磁閥(油門)噴入汽缸爆燃,驅動主軸轉動,使發動機在額定的輸出功率範圍內,無論被驅動負載怎樣變化,都能以迅速、精確的調控確保轉速穩定在25r/s。它的工作程序是:位於主軸和凸輪軸的兩個轉速傳感器將信號送至轉速計數器,得出實時的發動機轉速,並在轉速分析模塊與來自數據庫的最佳算法及預設轉速一起解析求出轉速差值。噴油量及噴油時刻確立模塊把轉速差值、數據庫來的典型值和從發動機采集的相關數據進行全麵分析,確立出最佳的噴油量及噴油時刻並指令噴油驅動器打開噴油電磁閥,使發動機既可將燃油充分地爆燃轉為驅動主軸轉動的機械能,又可減少汙染物的排放。

(2)自動電壓調節器(AVR)

AVR安裝在發電機內,其功能是將因負載接入造成的輸出電壓跌落值負反饋地調控成轉子磁場的增強,從而促使輸出電壓返回正常值。在此功能上加入負載調節模塊,當重負載使發動機主軸轉速低於設定值時,模塊自動調節電壓下降一定量,等同於負載量減少相應值,促使發動機能較快地達到額定轉速。從而顯著地削弱了由於重負載接入引起的頻率和電壓波動。如圖1中的實線曲線所示。這就有效地減少了對用電設備的*。

(3)並聯運行機組監控卡

發電機組並聯運行,常用於提高電力供應可靠性的冗餘供電或對已有機組的增容。並聯運行中的各發電機組不僅要求輸出電壓的相序相同,輸出電壓的幅度、頻率和相位也要相等,而且共同承擔的負載的有功功率和無功功率,應在每台發電機組之間均分。裝在每台發電機組中的並聯運行機組監控卡實時采集以上六項數據,依照最佳並聯運行數據模型和算法,計算、推演這些數據並得到最宜的調節量調控本機組,保證其處於良好的並聯運行狀態。同時還將這些數據傳送給其它發電機組與其同步。

各發電機組輸出頻率的穩定和同步是並聯運行的重要條件之一。造成頻率變化的原因是並聯運行各機組共用的輸出母排所連接的負載在接入、撤出中引起的有功功率變化。因為有功功率是負載中的電阻消耗發電機的輸出電流而形成的,電流的變化引起發電機定子電磁場對轉子吸引力的變化,即發電機轉速的變化,也就是輸出頻率或相位的變化。實際工作中部分負載的接入、撤出是常有的事,所以頻率變化也就隨之出現並且造成各機組之間有功功率分配的不平均。此時監控卡從采集的數據中解析出調控頻率的量值,控製發動機電子調速器改變發動機主軸的轉速,即改變發電機的輸出頻率,使並聯機組恢複到良好的運行狀態。圖3示出了頻率調節量的求解過程。

部分負載接入或撤出並聯機組母排的時刻,必然引起有功功率、無功功率在並聯的各機組之間重新平分,以致出現機組環流和各機組頻率的波動。此刻,並機卡將本機的有功功率、頻率和相位與並機母排上的相對應的這三個參量分別進行求解,得到有功功率變量δP、頻率變量δf和相位變量δΦ。數據處理器依照最佳並聯運行數學模型及經典數據對它們計算、推演,求解出調節頻率最佳數值δf/δt作用於頻率(轉速)調節器和電子調速器,改變發動機主軸、發電機轉子的轉速,使本機組頻率及有功功率的均分達到並聯機組良好運行的條件。

5 使用及維護經驗

不僅要搭配好UPS和其他用電設備與發電機組的關係,使這個係統平穩運行,而且更要重視日常的使用和維護工作。

①一個月內至少應該做一次模擬市電中斷,讓發電機組根據ATS指令起動,然後按預定的時間接入UPS及其它用電設備,運行15min。以檢驗係統的可靠性。

②發電機組上安裝的鉛酸蓄電池,是市電中斷後機組起動和電子調速器工作的唯一電源,很重要。要每兩個月對其浮充電壓和內阻檢測一次,察看有無漏液、接線端子鬆動等現象。

③發電機組工作時自身的振動很大。每兩個月仔細檢查一次電子調速器和機組上各傳感器的信號電纜、插頭是否可靠。

④轉速信號傳感器通常安裝在主軸飛輪外齒圈和凸輪邊上,這些地方易受到油汙。當發電機組出現輸出頻率不穩或周期性擺動時,要首先考慮可能是嚴重的油汙使電磁傳感器信號變弱甚至部分消失所致。

⑤汽缸上的噴油電磁閥(油門)故障或外部接線鬆動、斷開,會造成汽缸停止工作。這時發動機工作節奏會出現異常,驅動力變弱。嚴重時會使發電機輸出電壓和頻率變低。

⑥發動機轉速變高並且不可調控。這多數是由於低壓電源問題導致的電子調速器失電而無法工作造成的。

⑦發動機工作正常但發電機輸出電壓振蕩。可能的原因是自動電壓調節器AVR工作失常或者電源、信號線斷路引起。

⑧發電機組帶載運行過程中輸出電壓突然低落還調不回來。如果發動機運行正常,很大可能是電壓調節器損壞而起不到調控、穩定輸出電壓的作用。

⑨空載時發電機組輸出電壓正常,一接入負載電壓就跌落。這種現象可能是因為電壓調節器中的負載調節模塊參數設置太高。

　　6 結束語

發電機組在輸出電力的過程中,穩頻裝置起到為負載設備和機組調節出適宜的工作條件的重要作用。了解它們的工作機理、參考其維護經驗,可以使數據中心的發電機組總是處於良好的工作狀態。

作者簡介

張振毅,航天科技集團公司710所高級工程師,本刊編委。

編輯：Harris

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