淺析空管臺(tái)站柴油發(fā)電機(jī)組配置

陳會(huì)梓

（民航華東空管局技術(shù)保障中心區(qū)管動(dòng)力設(shè)備室，上海 200335）

1 引言

空管臺(tái)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(tái)站一級(jí)負(fù)荷或者全臺(tái)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(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的帶載范圍要求越來(lái)越廣。對(duì)于設(shè)備保障部門來(lái)說(shuō)，非常希望降低市電停電對(duì)臺(tái)站運(yùn)行帶來(lái)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(shí)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(huì)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(dòng)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(huì)對(duì)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(duì)于RLC串聯(lián)電路如無(wú)源濾波器，可能會(huì)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(shí)，發(fā)電機(jī)組的電壓瞬態(tài)變化所需時(shí)間較長(zhǎng)，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(shí)間（標(biāo)準(zhǔn)要求±2.4S）兩個(gè)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(shí)間與機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)有較大的關(guān)系。

②負(fù)載大小和性質(zhì)

圖1 發(fā)電機(jī)組功率折算曲線

非線性負(fù)載占發(fā)電機(jī)額定容量的比例越大，其對(duì)發(fā)電機(jī)組的要求也越高。就目前多數(shù)空管臺(tái)站的負(fù)載性質(zhì)來(lái)說(shuō)，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(shí)，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(duì)一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，功率折算是工作點(diǎn)的函數(shù)。對(duì)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(duì)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(guò)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(tái)站供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(tái)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(shí)還應(yīng)注意同等容量下的區(qū)別，如同樣為150KVA的兩種型號(hào)機(jī)組威爾信P150E、P150P1。P150P1適用與長(zhǎng)行功率，可作為自備電源，對(duì)非恒定負(fù)載提供持續(xù)電力供應(yīng)，對(duì)每年運(yùn)行時(shí)間沒(méi)有限制，并允許每12H內(nèi)有1H過(guò)載10%以內(nèi)運(yùn)行。P150E適用于備用功率?？勺鳛閼?yīng)急電源，對(duì)非恒定負(fù)載提供連續(xù)電力供應(yīng)，而此型號(hào)機(jī)組的發(fā)電機(jī)已被調(diào)至最高允許功率，不能過(guò)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(cuò)時(shí)帶載方法可以避免負(fù)載對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組造成的巨大沖擊，該方法主要通過(guò)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(dòng)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(guò)載功率始終大于任意負(fù)載啟動(dòng)的瞬態(tài)功率加上已經(jīng)完成啟動(dòng)的負(fù)載穩(wěn)態(tài)功率。目前柴油發(fā)電機(jī)組錯(cuò)時(shí)帶載的方法主要是通過(guò)末端的ATS調(diào)整切換時(shí)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(lì)磁方式的選擇

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，分為自勵(lì)式和PMG（永磁發(fā)電機(jī)）勵(lì)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(lì)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(hào)源。PMG（永磁發(fā)電機(jī)）AVR的功率源取自副勵(lì)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(wú)關(guān)。在發(fā)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)，該系統(tǒng)不受發(fā)電機(jī)機(jī)械過(guò)渡過(guò)程的影響，將輸出電壓調(diào)整到額定值，有較好的動(dòng)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(dòng)小、輸出電壓波形好、畸變率低的場(chǎng)合。PMG勵(lì)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(shí)需要更換AVR。采用自勵(lì)式同步交流發(fā)電機(jī)時(shí)，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(lì)磁式同步交流發(fā)電機(jī)時(shí)，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。

圖2 柴油發(fā)電機(jī)組PMG勵(lì)磁系統(tǒng)圖

如圖2所示，PMG永磁式勵(lì)磁方式的永磁勵(lì)磁系統(tǒng)由五部分組成：發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁繞組（轉(zhuǎn)子），永磁發(fā)電機(jī)（PMG），自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)二極管。勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shì)，引入發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）作為AVR的輸入電源，AVR通過(guò)檢測(cè)發(fā)電機(jī)的三相輸出電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流，從而調(diào)節(jié)勵(lì)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(lì)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(lì)磁發(fā)電機(jī)的備用功率（過(guò)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(guò)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(tái)站柴油發(fā)電機(jī)組配置的首選。

空管臺(tái)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(lì)磁系統(tǒng)，提升柴油發(fā)電機(jī)組帶載能力。同時(shí)合理設(shè)置末端的ATS自動(dòng)切換開關(guān)切換時(shí)間，避免負(fù)載對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組造成的巨大沖擊。