新聞主題	柴油發電機帶超前負載能力和LAM模塊技術

 

摘要：針對IDC數據中心動輒幾萬kW的功率要求，傳統的低壓發電機并機輸出的額定電流之和已經突破了匯流銅排和斷路器的額定電流極限（一般為6400A），在400～690V的低壓系統無法滿足要求的情況下，現代IDC數據中心對柴油發電機組的要求往高壓、大容量和多機并機的方向發展，為了實現更高可靠性，往往在傳統控制技術基礎上，發展出了發電機組的冗余控制，甚至發電機的AVR自動電壓調節器需要具備主備兩套AVR，自動互為備用或者采用多通道智能數字化DVR配置運行，當發電機組控制器、AVR故障或DVR其中一個通道出現故障時，系統自動切換到備用發電機組控制器、AVR或DVR另一個通道運行，不影響系統的正常運行。

 

另外，針對IDC數據中心大容量空調壓縮主機電動機首次單步突加負載的要求以及美國NFPA110等消防法規對首次單步突加負載能力（負載接受能力）的要求，發電機廠家都有針對性地推出了解決方案，像PMG和輔助繞組等傳統技術的基礎上，結合快速發展的數字技術，發展出了利萊森瑪的負載接收模塊（Load Acceptance Module，LAM）技術、康明斯發電機技術、CGT和巴斯勒BASLER的DWELL技術，以下以利萊森瑪的LAM技術舉例說明：

 

 一、柴油發電機組帶載能力的定義

 

柴油發電機組最大帶載能力是指機組的額定功率，也就是所有能帶的負載的總功率，在這個功率下無過載能力，每年運行時間不能超過200小時。

帶負載能力，就是代表器件的輸出電流的大小。 帶負載能力是指，外接器件后，輸出的電壓或電流大小不受影響的能力。 內阻越小，能夠輸出大功率的潛力就越大. 這還要看負載配不配合。要求負載電阻大，能夠輸出電壓大，這并不能說明它的帶載能力就強，相反，在負載電阻很小的情況下，它也能輸出很大的電壓，這才是帶載能力強。

 

柴油發電機組功率足夠的前提下，發電機在超負荷的情況下也會保證足夠的轉速，這時候發電機的繞組電流超過了額定值，會發熱嚴重，直至燒毀！

 

二、發電機的負載接收模塊（LAM）技術

 

由于現代柴油機均采用渦輪增壓技術，升功率越來越大，氣缸的平均有效壓力（BMEP）也越來越大，突然加大負載時，發動機轉速會瞬間大幅度降低，每分鐘幾萬轉高速旋轉的渦輪增壓器的轉速會降低更多，依靠渦輪增壓器進行壓氣的發動機進氣量會降低較多，即使調速系統快速反應，加大噴油量，但由于進氣量不能及時跟上，噴入氣缸的燃油不能完全燃燒，大部分燃油變成黑煙排放浪費了，導致發動機的輸出功率增加有限，因而需要固有的恢復時間。與自然吸氣發動機相比，柴油機恢復到額定轉速需要更長的時間，如果在發電機的調壓系統不考慮柴油機的這一特性，不考慮柴油機和發電機的反應時間存在較大差異這一因素，不考慮從優化發電機組整體電氣指標，只片面追求發電機自身的電氣指標，那么應通過瞬時增加勵磁電流將輸出電壓快速恢復到額定值。如前所述，由于現代大功率柴油機普遍采用渦輪增壓技術而存在的固有滯后效應，此時發動機的轉速是無法像發電機那樣快速恢復到額定值的，而柴油機的輸出功率與轉速是成比例的，瞬間就增加了勵磁的發電機，輸出電壓也瞬間達到甚至超過額定值，實時功率需求基本等于甚至大于額定功率了，被拖慢的柴油機的輸出功率肯定遠遠低于額定功率，在存在比較大的瞬間功率缺口的情況下，柴油機的瞬間轉速會進一步拖低，嚴重時甚至會拖死、停機，發電機輸出電壓會再次跌落，形成幾次反復，從而輸出不穩定的電壓，相對于快速穩定電壓的初衷，可謂欲速則不達，LAM正是解決了柴油機和發電機協同工作，應對突加負載的一項技術。

 

當LAM檢測到頻率下降超過額定電壓值的4％左右時（可設置），LAM會改變傳統發電機的AVR，試圖瞬間大幅增大勵磁電流，提高輸出電壓到額定電壓甚至輸出電壓過沖（超過額定輸出電壓），令增壓柴油機的負載不減反升，導致柴油機不堪重負，最終死火或者轉速崩潰，對此應針對增壓型柴油機因高速增壓器的轉速下降較多，增壓器進氣量短時間嚴重不足，即使油門開到最大，柴油機輸出功率也無法快速增加，導致提速較慢的機械特點，采取先逐步提高勵磁電流，使電壓保持在一個既對柴油機起到減載緩沖的效果，同時又不會影響負載正常工作的較低輸出電壓值。由于發電機輸出功率（P＝（UxU）/R），因此發動機的負載（即發電機的輸出）相應成二次方地降低，從而幫助發動機能夠在較低的負載水平下迅速恢復轉速，增壓器的轉速恢復到正常額定轉速之后，柴油機的進氣量才能達到額定的設計水平，此時柴油機才有可能輸出額定功率，等增壓型柴油機的轉速慢慢恢復到額定值之后，再次逐步增大勵磁電流，從而恢復輸出電壓至額定值，從輸出電壓波形圖中可以明顯看到，有LAM功能的發電機的輸出電壓不會像沒有LAM功能的發電機的輸出電壓那樣，即電壓有效值波形幅值在上下振蕩多次之后慢慢收斂，而是在瞬間跌落之后，等轉速接近或達到額定值之后，逐步恢復到額定電壓值。

 

LAM電位器一般有兩檔設置，即8％和15％。當設置8％時，若瞬間突加大負載，柴油機承受的負載減少值大約是額定值的（100％-8％）的二次方，即84.64％，相當于實際加載到柴油機的負載減少值相當于負載銘牌容量的15％；若設置15％，若瞬間突加大負載，柴油機承受的負載減少值大約是額定值的（100％-15％）的二次方，即72.25％，相當于實際加載到柴油機的負載減少值為負載銘牌容量的28％，通過發電機的LAM值的優化設定，找到發電機電壓快速恢復和發動機轉速快速恢復的最佳平衡點，柴油機的性能和發電機的性能才能完全匹配，達到發電機組的最佳輸出性能。

 

L公司的LAM的專利技術，能幫助發動機在突加負載時快速恢復轉速，從而滿足電壓降和頻率降幅值和恢復時間的要求，輕松應對GB2820標準中G3性能等級要求。

 

三．發電機帶超前負載能力

 

針對數據中心的容性負載，通過采用較大的定子繞組線圈的截面積，以成型繞組代替散嵌繞組等技術工藝，降低發電機的次暫態電抗，降低發電機的PQ運行特性曲線的粗實線拐點的功率因數，即提高發電機能夠承擔的最高容性負載比例，例如通過采用各種工藝，使發電機的次暫態電抗由2.5P．U．降低到2.0P．U．，發電機的PQ運行特性曲線粗實線拐點的功率因數由超前0.97降低到超前0.92。

柴油發電機的典型帶載特性曲線（發電機的PQ運行特性曲線）如圖1所示。

 

發電機的PQ運行特性曲線

 

通常柴油發電機組帶容性負載能力較弱，而且呈快速衰減回縮。在輕載模式下，要盡量減少發電機組的帶容性負載，當容性負載小于20％時，上升速率較為平穩，在發電機的處理能力之內。如果大于30％，則面臨較大的過電壓的風險。 

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