陳會梓

（民航華東空管局技術保障中心區(qū)管動力設備室，上海 200335）

1 引言

空管臺站供電系統(tǒng)根據(jù)當?shù)毓╇姉l件按需配置了柴油發(fā)電機組作為應急電源。在市電斷電的情況下，柴油發(fā)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(jù)實際運行保障的經(jīng)驗，對柴油發(fā)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(fā)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(fā)電機組能夠在最短的時間內(nèi)完成帶載工作，并保持穩(wěn)定輸出[1]。

2 柴油發(fā)電機組帶載情況分析

當市電停電情況下，柴油發(fā)電機組投入運行可能會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的情況。具體表現(xiàn)：發(fā)電機組輸出電流出現(xiàn)在±20%～50%振蕩；發(fā)電機組出現(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)，由于負載頻繁變化，導致柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)速變化，造成振動加劇，導致柴油發(fā)電機組機械損傷；發(fā)電機組輸出電壓發(fā)生超出額定值的±20%的振蕩，調(diào)整發(fā)電機組的電壓調(diào)節(jié)器AVR也不能消除。

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

發(fā)電機組輸出不正常情況與如下兩種性能有關系：

①發(fā)電機組的瞬態(tài)調(diào)壓特性

由于發(fā)電機組的內(nèi)阻比市電電網(wǎng)大，其輸出容量也有限，當負載突變時，發(fā)電機組的電壓瞬態(tài)變化所需時間較長，在GB2820-90中用瞬態(tài)電壓調(diào)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(fā)電機組穩(wěn)態(tài)電壓的調(diào)整率相差并不大。機組的瞬態(tài)電壓調(diào)整率和電壓恢復時間與機組的勵磁系統(tǒng)有較大的關系。

②負載大小和性質(zhì)

圖1 發(fā)電機組功率折算曲線

非線性負載占發(fā)電機額定容量的比例越大，其對發(fā)電機組的要求也越高。就目前多數(shù)空管臺站的負載性質(zhì)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(tǒng)、機房變頻空調(diào)、大量的辦公電腦等等。在柴油發(fā)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(fā)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(fā)電機組的功率折算曲線，圖中粗黑色對一臺發(fā)電機組，功率折算是工作點的函數(shù)。對純?nèi)菪载撦d，功率因數(shù)為0，發(fā)電機組所提供的功率只有額定功率的30%。

3 柴油發(fā)電機組容量計算以及帶載方式配置

根據(jù)UPS容量，一般配套的發(fā)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(fā)電機組，其輸出功率可能在40%左右，根據(jù)運行情況分析，柴油發(fā)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(shù)能夠明顯降低發(fā)電機與UPS的容量配比。

臺站供電系統(tǒng)設計時柴油發(fā)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(fā)電機組的常備功率。計算臺站柴油發(fā)電機組所要供電的負荷，以70%～80%比例進行計算柴油發(fā)電機組的常備功率。在柴油發(fā)電機組選型時還應注意同等容量下的區(qū)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(xù)電力供應，對每年運行時間沒有限制，并允許每12H內(nèi)有1H過載10%以內(nèi)運行。P150E適用于備用功率?？勺鳛閼彪娫矗瑢Ψ呛愣ㄘ撦d提供連續(xù)電力供應，而此型號機組的發(fā)電機已被調(diào)至最高允許功率，不能過載運行。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，應優(yōu)先選擇帶載能力強的柴油發(fā)電機組。

采用錯時帶載方法可以避免負載對柴油發(fā)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(fā)電機組帶載的順序，可以優(yōu)先滿足UPS，其次是機房空調(diào)、照明，最后是功耗小，啟動電流低的負載。在了解負載的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)功率情況下，柴油發(fā)電機組的備用過載功率始終大于任意負載啟動的瞬態(tài)功率加上已經(jīng)完成啟動的負載穩(wěn)態(tài)功率。目前柴油發(fā)電機組錯時帶載的方法主要是通過末端的ATS調(diào)整切換時間實現(xiàn)的，通常將UPS的輸入配電柜設置為優(yōu)先切換，其次是機房空調(diào)，應急照明，再者是消防系統(tǒng)，辦公用電等負載。

4 柴油發(fā)電機組的勵磁方式的選擇

勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，分為自勵式和PMG（永磁發(fā)電機）勵磁式同步交流發(fā)電機。其中PMG式調(diào)壓器AVR功率源由副勵磁機（永磁發(fā)電機）電樞繞組取得，交流同步發(fā)電機電樞繞組只提供信號源。PMG（永磁發(fā)電機）AVR的功率源取自副勵磁機的電樞繞組，與同步交流發(fā)電機的電樞繞組的電壓波形無關。在發(fā)電機負載突變時，該系統(tǒng)不受發(fā)電機機械過渡過程的影響，將輸出電壓調(diào)整到額定值，有較好的動態(tài)穩(wěn)定性。永磁發(fā)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(fā)電機組供電質(zhì)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(fā)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(fā)電機時，UPS與發(fā)電機功率比至少為1：2～2.5，但仍不能保證發(fā)電機不受UPS影響；采用PMG（永磁發(fā)電機）勵磁式同步交流發(fā)電機時，UPS與發(fā)電機功率比取1：1.25～2，保證發(fā)電機組正常運行。

圖2 柴油發(fā)電機組PMG勵磁系統(tǒng)圖

如圖2所示，PMG永磁式勵磁方式的永磁勵磁系統(tǒng)由五部分組成：發(fā)電機主勵磁繞組（轉(zhuǎn)子），永磁發(fā)電機（PMG），自動電壓調(diào)節(jié)器AVR勵磁機和旋轉(zhuǎn)二極管。勵磁系統(tǒng)的工作原理是：當發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，永磁發(fā)電機（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，引入發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）作為AVR的輸入電源，AVR通過檢測發(fā)電機的三相輸出電壓自動調(diào)節(jié)勵磁機磁場的勵磁電流，從而調(diào)節(jié)勵磁機轉(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)電機主轉(zhuǎn)子的勵磁回路。

通常PMG系統(tǒng)可承受達300%的額定電流，持續(xù)10s，而普通自勵磁發(fā)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(fā)電機組的瞬態(tài)過載能力需要增加發(fā)電機組的額定輸出功率才能實現(xiàn)。具有精度極高的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率,通?？蛇_±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(fā)電機組加裝PMG后其帶非線性負載能力將提高20%，PMG柴油發(fā)電機組應成為空管臺站柴油發(fā)電機組配置的首選。

空管臺站供電系統(tǒng)柴油發(fā)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(tǒng)，提升柴油發(fā)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(fā)電機組造成的巨大沖擊。