摘要：高压应急柴油发电机组的并联系统是指当主电源发生故障时需要供应柴油发电机组的时间。高压应急柴油发电机组自动与负载的电源组合。
关键词：高压；应急柴油发电机组；并机系统；设计
随着经济和社会的快速发展，电力与人们生活生产的各个方面紧密相连，对电力和电力安全的需求也在不断增加。随着单机发电量的增加，中国已进入大机组，高压，高自动化的时代。许多企业对电源安全的要求越来越高。高压应急柴油发电机组作为备用电源，已广泛应用于各个生产和生活领域，已成为整个供电系统安全不可或缺的组成部分。作为备用动力装置的高压应急柴油发电机组对控制和安全有更严格的要求。
1、系统总体设计方案
某企业高压应急柴油发电机组为10.5kV高压发电机组，既可单机对2000 kW以内的用电设备供电，又可实现自动并联对用电设备供电。设计研发的机组能快速启动并机，可以满足多台机组8-12 s启动并机带负载的要求，同时采用控制冗余和启动冗余技术，保证数据中心应急电源的可靠性。
1.1 系统设计原则及要求
1.1.1高压柴油发电机组设计原则
为了满足企业应急备用电源的要求，10.5 kV高压柴油发电机组的设计原则是：
(1)在性能指标方面，满足GB /T 2820.1-2009等相应国家标准，同时满足用户的使用要求;
(2)在产品选型配置方面，在满足设计要求的前提下优先选用国内外知名品牌的高性能发动机、发电机;
(3)在产品设计方面，结合公司柴油发电机组研发设计经验，满足数据中心对发电机组高可靠性的要求，并进一步提高数据中心电力系统的效率，降低成本和绿色环保。
1.1.2高压柴油发电机组设计要求
10.5 kV高压柴油发电机组的设计规范和主要技术参数见表1。
表1：10.5 k V 高压柴油发电机组的设计指标和主要技术参数
2、高压柴油发电机组设计方案
2.1 高压柴油发电机组整体结构
10.5 k V 高压柴油发电机组主要由柴油机、发电机、散热水箱、控制屏及公共底盘等组成。机组整体结构设计见图 1。
1．散热水箱，2．公共底盘，3．柴油发动机，4．橡胶减震器，
5．弹性联轴器，6．发电机，7．控制屏．
图1:10.5 k V 高压柴油发电机组整体结构
柴油机是机组的核心部分，机组采用 MTU的20 V4000 G233 F数据中心专用柴油发动机，其中3 F为连续功率，负载系数为100%，过载能力为10%，年运行时间不受限制，满足数据中心持续电源运行的要求。该发动机采用先进的ADEC电子管理系统，控制每个喷嘴，控制供应给每个气缸的燃料量。因此，MTU单元具有高发动机控制精度和良好的瞬态特性。先进的电子管理系统是双CPU计算机控制系统，可以在启动和加载突变的状态下快速响应，恢复时间短。也可以独立完成所有发动机的控制，发动机只有320个保护功能。该发动机采用特殊的整体灰铸铁合金制造曲柄，曲轴和连杆机构，大大提高了机构的运行强度。在降低噪音和振动的同时，降低了维护成本并延长了设备的大修周期。该发动机还采用燃料共轨技术将燃油压力与燃油喷射分开，为减少柴油机排放和降低噪音开辟了新途径。减少燃料消耗和有害气体排放，节省燃料和环境保护。MTU设计有独立的活塞头，有两个进气阀和两个出口阀，可承受极高的活塞压力。同时，发动机保证具有低油耗，低排放和低维护成本的优良特性。
交流发电机使用由公司生产的10.5 kV交流高压发电机。该发电机采用PMG无刷励磁系统，并使用数字电压调节器（DVR）来改善发电机的抗谐波能力。加快励磁系统对负载的反馈速度，减小非线性负载对发电机的影响，为运行提供良好的稳定性。电机采用ABB独有的部分阻尼绕组技术，优化发电机输出电压波形，提高发电机的抗谐波能力。采用成形绕组技术可以减少谐波对发电机绝缘系统的影响，同时增强电机的机械性能，安全可靠，提高发电机的稳定性。发生器采用真空浸渍，微小间隙将完全浸渍。电机绝缘材料经芬兰绝缘实验室认可，用于产品，确保电机长期稳定运行。电机输出电压、频率等重要参数的稳定性高，抗干扰性能好，可以确保输出的电能稳定可靠，维护简单。电机还配备了DVR全自动调节器，安装在发电机内部的电源接线盒中。
柴油机，发电机，散热器箱和公共底盘刚性连接，通过连接环的定位确保发动机和发电机的同轴度。柴油飞轮通过柔性联轴器驱动发电机，该联轴器可用于启动，停止和加载柴油发动机的突然变化。产生的冲击充当阻尼缓冲器。底盘采用工字钢制造，具有机械强度高，外形美观的特点。为了便于操作和观察，控制面板安装在发电机的侧面。该产品结构紧凑，安装使用方便;电源具有自充电系统和浮充电系统，以确保在正常操作或关机期间可以对电池充电。该发电机采用H级绝缘（F级升温评估），并配有DVR自动电压调节器。能自动保持和调节输41 Movable Power Station＆ Vehicle No．12018出电压在规定范围内;柴油发动机的冷却系统由封闭的循环水冷却;控制模块自动检测并控制电压和频率以达到并联条件，并发出关闭命令以实现自动并行操作。
此外，控制模块自动检测负载大小，协调DVR和ADEC，实现系统的电源管理和有功/无功功率的均衡分配。
2.2高压柴油发电机组智能控制系统的设计
10.5 kV高压柴油发电机组自动控制系统的设计主要实现自启动，自动并联，自动负载转移，低负载待机自动退出/停止，高负载待机自动启动/并联/输入，电源管理等功能;并能对机组多种异常状况提供自动保护报警、停机功能，包括:超速报警，停机，低油压报警，停机，高水温报警，停机，过压，低报警，停机，差动保护，高频，低报警，停机，短路和IDMT特性过流保护，电池电压过高，报警过低等。同样能极大地减少人工操作、维护成本。控制模块可以显示发电机组的各种参数，包括：三相电压，三相电流，频率，功率因数，有功功率，无功功率，功耗，油压，冷却液温度，速度，运行时间，电池电压和查看故障信息。同时机组自动控制系统能够提供三遥功能，通过 Modbus 通信协议的 RS232 通信接口，实现计算机远程通信、远程监测和远程控制功能。控制系统能远程监测发电机组的各种参数，远程控制机组的自动启动、自动停机，极大提高了维护中心监测机组运行状态和远程紧急状况处理的能力。控制屏屏体采用标准化、系列化、通用化的设计原则，系统设计贯彻人性化的设计思想，便于操作、观察、维修。
2.3高压柴油发电机组启动并联系统设计
柴油发电机组传统的并机方式是:多台发电机组同时启动，首先成功完成首次关闭;其他单元与总线电压同步后，它们将关闭，然后进入电源管理模式。优先级最低的设备将被卸载并关闭;同样，当负载大于在线设备功率的70％（参数可以设置）时，延迟将自动启动具有高优先级的发电机组，该设备未运行，并且设备稳定启动。自动同步关闭后，在线发电机组实现软加载和自动负载分配。
图2：快速启动并机方式
快速启动并机方式如图 2 所示，启动机组同时合闸，减少同步过程，从而实现快速并机带载。整个启动过程为:当得到自动启动命令，多台机组同时启动，每台机组在执行启动动作同时合闸，当达到要求转速时(可设置)，延时1 s后，多台机组开始启动励磁系统，发电机开始励磁建压，此时，多台机组完成并机并可带载运行，整个过程只有启动时间，无需同步的时间，可以满足多台机组8－12 s启动并机带负载的要求。若某台机组启动后，在规定的时间未到达要求转速，该机组的断路器会自动分闸，避免了由于该台机组启动过慢导致倒送电的情况，然后该机组进入标准的启动流程，即执行三次启动过程和自动同步的过程。机组并机成功后，即转入标准并机方式的功率管理。通过对标准并机和快速并机方案的比较，发现采用快速并机可以缩短机组启动时间，保证数据中心柴油发电机组的可靠性。
2.4高压柴油发电机组控制冗余系统和启动冗余系统的设计
控制冗余系统和启动冗余系统也用于10.5 kV高压柴油发电机组。冗余控制器是一种热备份的应用，是为了防止系统崩溃导致机组无法正常工作停机。当主控制器出现故障时，备用控制器可以无缝接管主控制器的当前工作状态，确保控制系统的高可靠性。两个模块均可自动启动并自动并联，可独立运行，在线冗余热备用。主控系统出现故障后，将自动切换到待机控制系统，两组均可实现自启动和自动并联功能。并行控制器故障不会影响整体并行功能。
为了充分考虑数据中心备用电源启动稳定性和可靠性的要求，提供两套启动系统，其中一套为传统铅酸蓄电池组，另一套则为辅助启动电源。这样可以充分减少了发电机组起动时对于电池的依赖;同时，大大提高了发电机组启动器的可靠性，缩短了平均启动时间。
3、结论
此次设计开发的10.5 kV高压柴油发电机组主要用作该企业的应急备用电源。通过试验现场调试，结果表明机组各项性能指标均达到或优于设计指标，机组具有快速启动并机、启动冗余功能，并具有备用一套辅助启动电源;它不仅可以为单台机器提供外部电源，还可以实现多机并联外部电源;同时具有自启动，自动并联，电源管理和远程监控等功能。该装置具有强大的动态指标，可以适应频繁的负荷变化。噪音低、振动小、节油、环保;机组还具有功能全面的自动控制和保护能力。与市场同类产品相比，该机组人机界面友好，产品维护简单，能可靠的为该企业应急供电。
参考文献：
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［2］王亮.大型应急柴油发电机组检修及维护保养——柴油机部分.矿山机械.2019-02-10
论文作者:宋洋
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/4
标签：机组论文; 柴油发电机组论文; 高压论文; 发电机论文; 系统论文; 电源论文; 负载论文; 《电力设备》2019年第2期论文;