淺析空管臺站柴油發電機組配置

陳會梓

（民航華東空管局技術保障中心區管動力設備室，上海 200335）

1 引言

空管臺站供電系統根據當地供電條件按需配置了柴油發電機組作為應急電源。在市電斷電的情況下，柴油發電機組能夠承擔起臺站一級負荷或者全臺站供電負荷的需求。根據實際運行保障的經驗，對柴油發電機組的帶載范圍要求越來越廣。對于設備保障部門來說，非常希望降低市電停電對臺站運行帶來的影響,因此柴油發電機組帶載范圍也要擴大。而在這些負載中最為重要的是UPS，要求柴油發電機組能夠在最短的時間內完成帶載工作，并保持穩定輸出[1]。

2 柴油發電機組帶載情況分析

當市電停電情況下，柴油發電機組投入運行可能會出現工作不穩定的情況。具體表現：發電機組輸出電流出現在±20%～50%振蕩；發電機組出現振蕩，輸出電壓超出UPS輸入范圍，使UPS頻繁處于放電狀態，由于負載頻繁變化，導致柴油發電機組轉速變化，造成振動加劇，導致柴油發電機組機械損傷；發電機組輸出電壓發生超出額定值的±20%的振蕩，調整發電機組的電壓調節器AVR也不能消除。

當柴油發電機組帶有非線性負載（包括超前或滯后功率因數的負載，以及帶有高次諧波輸入的負載如UPS），會對柴油發電機組的輸出穩定性產生影響。發電機組易受到非線性負載的影響是因為其亞瞬態電抗（12%～20%）遠大于變壓器的短路阻抗（4%～6%）。對于RLC串聯電路如無源濾波器，可能會出現串聯共振，造成柴油發電機組輸出電壓和頻率變化很大。

發電機組輸出不正常情況與如下兩種性能有關系：

①發電機組的瞬態調壓特性

由于發電機組的內阻比市電電網大，其輸出容量也有限，當負載突變時，發電機組的電壓瞬態變化所需時間較長，在GB2820-90中用瞬態電壓調整率（標準要求≤±20%）和電壓恢復時間（標準要求±2.4S）兩個指標衡量，而各種類型的發電機組穩態電壓的調整率相差并不大。機組的瞬態電壓調整率和電壓恢復時間與機組的勵磁系統有較大的關系。

②負載大小和性質

圖1 發電機組功率折算曲線

非線性負載占發電機額定容量的比例越大，其對發電機組的要求也越高。就目前多數空管臺站的負載性質來說，絕大部分都是非線性負載，諸如6脈沖相控整流UPS、EPS應急照明、帶整流器的照明系統、機房變頻空調、大量的辦公電腦等等。在柴油發電機組選型時，必須考慮到UPS采用的整流技術。如采用6脈沖相控整流UPS，柴油發電機組容量為UPS容量的3～3.5倍，而采用高頻IGBT整流技術的UPS，約為UPS容量的1.2～1.5倍，還需留有20%～30%的冗余度。

圖1為發電機組的功率折算曲線，圖中粗黑色對一臺發電機組，功率折算是工作點的函數。對純容性負載，功率因數為0，發電機組所提供的功率只有額定功率的30%。

3 柴油發電機組容量計算以及帶載方式配置

根據UPS容量，一般配套的發電機組容量比在2～4倍。而UPS負載量通常在50%～70%（并機中的單機容量），而對發電機組，其輸出功率可能在40%左右，根據運行情況分析，柴油發電機組確保70%～80%左右的額定負載輸出比較有利。通過改善負載以及UPS輸入的功率因數能夠明顯降低發電機與UPS的容量配比。

臺站供電系統設計時柴油發電機組的負載量占輸出額定功率的70%～80%，利用計算負荷要求配置發電機組的常備功率。計算臺站柴油發電機組所要供電的負荷，以70%～80%比例進行計算柴油發電機組的常備功率。在柴油發電機組選型時還應注意同等容量下的區別，如同樣為150KVA的兩種型號機組威爾信P150E、P150P1。P150P1適用與長行功率，可作為自備電源，對非恒定負載提供持續電力供應，對每年運行時間沒有限制，并允許每12H內有1H過載10%以內運行。P150E適用于備用功率。可作為應急電源，對非恒定負載提供連續電力供應，而此型號機組的發電機已被調至最高允許功率，不能過載運行。查詢了參數表P150E輸出額定電流228A，P150P1輸出額定電流251A，帶載能力略大于P150E，應優先選擇帶載能力強的柴油發電機組。

采用錯時帶載方法可以避免負載對柴油發電機組造成的巨大沖擊，該方法主要通過設置設備帶載順序避免負載沖擊電流的疊加。柴油發電機組帶載的順序，可以優先滿足UPS，其次是機房空調、照明，最后是功耗小，啟動電流低的負載。在了解負載的瞬態和穩態功率情況下，柴油發電機組的備用過載功率始終大于任意負載啟動的瞬態功率加上已經完成啟動的負載穩態功率。目前柴油發電機組錯時帶載的方法主要是通過末端的ATS調整切換時間實現的，通常將UPS的輸入配電柜設置為優先切換，其次是機房空調，應急照明，再者是消防系統，辦公用電等負載。

4 柴油發電機組的勵磁方式的選擇

勵磁系統是同步發電機的重要組成部分，分為自勵式和PMG（永磁發電機）勵磁式同步交流發電機。其中PMG式調壓器AVR功率源由副勵磁機（永磁發電機）電樞繞組取得，交流同步發電機電樞繞組只提供信號源。PMG（永磁發電機）AVR的功率源取自副勵磁機的電樞繞組，與同步交流發電機的電樞繞組的電壓波形無關。在發電機負載突變時，該系統不受發電機機械過渡過程的影響，將輸出電壓調整到額定值，有較好的動態穩定性。永磁發電機具備電磁干擾小、電機效率高、電機溫升低等特點，適用于要求柴油發電機組供電質量高、瞬間電壓波動小、輸出電壓波形好、畸變率低的場合。PMG勵磁方式的同步交流發電機可以在任何功率的機型中裝配，同時需要更換AVR。采用自勵式同步交流發電機時，UPS與發電機功率比至少為1：2～2.5，但仍不能保證發電機不受UPS影響；采用PMG（永磁發電機）勵磁式同步交流發電機時，UPS與發電機功率比取1：1.25～2，保證發電機組正常運行。

圖2 柴油發電機組PMG勵磁系統圖

如圖2所示，PMG永磁式勵磁方式的永磁勵磁系統由五部分組成：發電機主勵磁繞組（轉子），永磁發電機（PMG），自動電壓調節器AVR勵磁機和旋轉二極管。勵磁系統的工作原理是：當發電機旋轉時，永磁發電機（PMG）的永磁轉子同軸旋轉，切割PMG的定子繞組而產生三相正弦電勢，引入發電機自動電壓調節器（AVR）作為AVR的輸入電源，AVR通過檢測發電機的三相輸出電壓自動調節勵磁機磁場的勵磁電流，從而調節勵磁機轉子的三相輸出電壓，經旋轉二極管整流后輸送至發電機主轉子的勵磁回路。

通常PMG系統可承受達300%的額定電流，持續10s，而普通自勵磁發電機的備用功率（過載能力）僅具備110%的額定輸出功率，要提高發電機組的瞬態過載能力需要增加發電機組的額定輸出功率才能實現。具有精度極高的穩態電壓調整率,通常可達±0.5%。具有更強的抗干擾能力，帶非線性負載能力強。同等容量的發電機組加裝PMG后其帶非線性負載能力將提高20%，PMG柴油發電機組應成為空管臺站柴油發電機組配置的首選。

空管臺站供電系統柴油發電機組作為應急電源，在容量匹配并考慮一定冗余度的情況下，配置PMG永磁式勵磁系統，提升柴油發電機組帶載能力。同時合理設置末端的ATS自動切換開關切換時間，避免負載對柴油發電機組造成的巨大沖擊。